国际地圈、生物圈计划
1、主要以生物地球化学循环子系统及其与物理气候子系统的相互作用为主要研究对象
2、其科学目标是：了解和阐述控制整个地球系统的关键的物理、化学和生物相互作用过程，
了解和阐述支持生命的独特环境，了解和阐述出现在地球系统中受人类活动影响的重大全球变化，特别是那些时间尺度为几十年至几百年，对生物圈影响最大，对人类活动最为敏感，具有可预测性的重大全球变化问题
IGBP的核心计划
1、国际全球大气化学计划（IGAC）
2、全球海洋通量联合研究（JGOFS）
3、过去的全球变化（PAGES）
4、全球变化与陆地生态系统（GCTE）
5、水循环的生物学方面（BAHC）
6、海岸带海陆相互作用（LOICZ）
7、全球海洋生态系统动力学（GLOBEC）
8、土地利用/土地覆盖变化（LUCC）
IGBP的支撑计划
1、全球分析、解释与建模（GAIM）
2、数据与信息系统（IGBP—DIS）
3、全球变化的分析、研究和培训系统（START）
世界气候研究计划（WCRP）
以物理气候系统为主要研究对象，主要研究地球系统中有关气候的物理过程，涉及整个气候系统，其主要部分是大气、海洋低温层（冰雪层）和陆地以及这些组成部分之间的相互作用和反馈，他主要关心的是时间尺度为数周的到数十年的气候变化
WCRP的目标有两个方面
一是气候的可预报程度
二是人类活动对气候的影响
全球变化人文计划（IHDP）
从社会科学的角度来研究全球变化，为求更好的了解导致全球环境变化的人类原因，其目标包括：
第一促进对左右人与地球总体系统相互作用的复杂原因的科学理解和认识
第二不断努力探索预测全球环境下的社会变化
第三确定大范围的社会战略以预防或减轻全球变化的不利影响，以适应那些无法避免的变化第四分析对付全球环境变化，促进实现可持续发展的政策与方案
IHDP的研究领域
1、土地利用与土地覆盖变化（LUCC）
2、工业化转移、能源生产与消耗
3、人口统计与资源利用的社会因素
4、全球环境变化的态度、观点、行为和认识
5、社会、经济和政治构架及体制在地方、国家和国际层次上的影响
6、工业增长
7、环境安全与可持续发展
8、淡水保护与质量
9、人类健康与全球环境变化
10、贸易与全球环境变化
生物多样性计划（DIVERSITAS）
国际生物科学联合会和环境科学委员会（SCOPE）联合制定并于1991年开始实施的生物多样性计划被作为全球变化国际项目之一，该计划旨在研究地球上生物多样性，包括三个计划：生物多样性的生态系统功能、生物多样性的产生减少及其维护、生物多样性的编目与监测全球变化与地理学发展的机遇和挑战
3．120世纪地理学发展的反思
学科高度分化，关注部分的研究，忽略整体的把握
强调区域传统，忽视其他传统，特别是否定时间传统
高度分化学科体系与静态的区域观相结合，综合性被束之高阁
地理环境决定论的滥用与全盘否定，导致自然科学和社会科学桥梁的中断
3.2 全球变化与自然地理学的对比
全球变化研究一地球系统思想为理论基础，1998年由IGBP提出得到普遍接受的全球变化集成研究已成为目前全球变化研究的主要方向。在认识上，与地理学一贯强调的综合性思想相对应，在研究领域上，与自然地理学有很强的相似性，有人甚至称正在进行的国际地圈生物圈计划的研究计划如同一部自然地理学大纲。
当前全球变化研究的一个重要特点是重视人类活动所导致的全球变化和全球变化对人类的生存与发展的影响，把人类活动看成是全球变化的驱动因子之一，同时把全球变化看成是实现可持续发展的科学基础，这正是作为地理学核心的人地关系研究的具体体现。
自然地理学与全球变化内涵的差别
1、构建新自然地理学的机遇
2、对地理学的新一轮瓜分
3、人地关系研究的新视点：全球变化与可持续发展
4、重新确立自然科学与社会科学桥梁的地位
我国的全球变化研究
竺可桢开创的基于考古和历史文献资料的气候变化研究，中国科学院对于青藏高原组织的数次科学考察研究
刘东生、安芷生等领导的中国第四纪黄土研究，以及古季风研究
施雅风领导的中国东西部第四纪冰川研究以及全新世环境演变研究
汪品先等领导的中国海域第四纪环境演变研究
其他地理学家第四纪地质学家和气候学家所做的大量区域环境演变研究
其中青藏高原第四纪黄土高原以及考古与历史文献记载研究是我国
全球变化的主要过程和驱动力
全球变化研究的主要内容
1、全球变化的过程和驱动力
2、全球环境变化在时间和空间上的表现形式
3、全球变化的影响与人类的响应
4、全球变化信息的获取、处理和分析技术
第一节、全球变化的主要过程
全球变化的原因是维持地球系统的平衡关系发生了变化，这种变化是通过维持地球系统状态的某些过程的变异来实现，初始的变化过程中通过一系列复杂的驱动力与响应的反馈作用而放大，并最终导致各圈层性质与全球环境状态的相应改变如气候变化、海陆分布与地貌形态的变化，生物地带的变化等。
一、气候系统与水文循环过程
物理气候系统由大气、海洋、冰雪陆地表圈和生物圈所组成。太阳能是物理气候系统的驱动力。
气候形成和维持的物理过程主要与气候系统的加热率和输送过程有关，有了一定的加热率厚气候状态的形成还取决于大气和海洋如何响应（发展为风和洋流）。以及风、洋流和大尺度涡旋如何通过对物理的输送到达稳定平衡，维持一定的全球平衡态。如果气候系统的能量收支与时空分布的平衡收到破坏将导致物理气候系统状态发生改变，即发生气候变化。
能量循环过程大程度由气、液和固态水物质所支配，是通过水的循环来实现的，与水循环相联系的各种过程在气候系统中至关重要。
其它特性，如海洋的分布陆地和冰川的分布，在较短的时间尺度上可以认为是固定的，在在千年以上时间尺度中则成为不可忽视的变量，它们的变化都对地表在气候形成和演化中的作用产生显著影响。
地球地表的能量平衡与温室效应
气候系统的加热率取决于地球气候系统能量的收支平衡，其影响因素可归纳为三个方面，其中的任何一个方面发生变化都可能引起气候变化
一是与太阳辐射强度及地球轨道要素相关联的到达地球的太阳辐射能的多少，它们的变化会引起到达大气上界的太阳辐射的变化，是影响地球能量收支平衡的外在因素。
二是地球的行星反射率，决定了到达地球的太阳能被直接反射回太空的份额的多少，云量、大气气溶胶、冰雪覆盖面积、陆地植被、地貌形态以及海陆分布格局等都对地球行星反射率产生影响，上述诸因数的改变引起的反射率变化均可导致地球实际接收到的太阳辐射的份额相应改变。
三是进人到地球系统中的太阳能在地球系统中滞留的时间，与地球的温室效应相联系。维持温室气体的平衡是生物地球化学循环的重要环节，在地质历史上，温室气体的含量曾发生过重大变化，并与地球的温度变化之间存在着密切的对应关系。
大气和海洋环流
大气和海水都是流体，地球在吸收和释放热量的过程中驱动着大气和海洋的运动。
大气从地面获得的能量是大气直接从太阳获得的能量的2.3倍，因此地面是大气的主要热源，穿过大气到达地面的太阳辐射，约有80%被海洋吸收，然后通过长途辐射潜热释放及感热输送的形式传输给大气。
在地面热源中，主要来自海洋的潜热占50%以上，比感热多两倍多。
海洋主要通过对潜热和感热的输送推动其上面的大气运动，强烈的影响气候
大气主要通过风应力将动量送给海洋，影响海洋环流
气候系统正是通过大气和海洋的运动实现物质和能量传输和转化
大气环流是大范围的大气运动，热量和水分通过大气环流进行传输，水分的传输影响到陆地上降水的分布、冰盖的发展和海水的盐度。
大气环流的主要状况（形式）往往决定着全球的或区域的天气和气候类型及其变化，尤其是气候的异常（如大范围早涝的发生）往往同大气环流的某种持续异常有关
在全球尺度上，主要有三种相互关联的大气环流形式
海洋环流
大气和海洋以十分复杂的非线性方式紧密联络在一起，形成一个十分敏感的耦合系统，共同承担着地球上能量的传递作用，是热量从赤道向极地传输的重要方式。
大气环流驱动大洋表层水体发生相应的运动，形成表层环流。
在有上升流和下降流的地区，其海洋表层温度低于或高于其它海区，赤道地区大洋两侧海水温度的差别导致了沃克环流的出现。海温的变异引起厄尔诺与拉尼娜现象的发生，并通过海气作用导致沃克环流异常，造成大尺度的环流异常与全球气候异常。
除表层风生流之外，大洋中还存在由海水的密度分布决定的海洋环流，由于密度又取决于温度和盐度，所以也成为热盐环流。
大西洋和太平洋之间的水体流动构成了一个跨越大洋的海洋传送带。
向北大西洋地区的输送海洋热，占该地区所获得的所有热量的25%，这些热量的有无对高纬度的温度与大陆冰盖的生消有重大的影响。
大洋环流—气候关系模式来解释第四纪冰期—间冰期转换
二、水文循环与气候系统中的反馈过程
地球是一个充满水的星球，水是地球系统许多子系统中必不可少的成分，许多过程都是在水的参与下才能得以实现的。
水在上述相互作用的水体之间不停地相互迁移转化，构成水温循环过程，此过程受太阳能所驱动，一般在几年之内就可以循环一次，但不同部分循环更新的速度有快有慢，通常大气中的水汽约10天循环更新一次，而水在海洋中的停留时间超过10年以上。
水循环过程的意义不仅是水的气相、液相和固相之间的状态转换，更为重要是，就气候系统而言，以全球能量和水循环过程为主题的气候和水文系统的过程是有机联系在一起的。
气候过程则是通过水、热、物质和动能的输送，控制着陆、海表面和大气的相互作用，在气候系统中引起一系列重要的反馈过程，其中以下四个反馈过程对气候变化最为重要。
第一，水汽反馈。水汽反馈是最重要的一种反馈，水汽的反馈总体上是正反馈。
第二，云辐射反馈，对地球的行星反射率有重要影响。另一方面云有是红外辐射的良好吸收体，对于来自地球表面的热辐射，具有类似温室气体的作用。
一般来说，低云以反射作用为主，常导致降温，而高云则以被毯效应为主，常使系统曾暖，因此云的反馈既可能是正反馈也可能是负反馈，气候对云量和云结构变化十分敏感。
第三、冰雪圈反馈，有很大的季节性变化的冰盖和海冰，以及变化较慢的冰川和冰原构成了气候系统的低温层。
冰雪通过其高反射率和溶解成为有效的热汇，它们在大气热量平衡中起着冷却面的作用。冰雪圈的反照率具有强烈的正反馈放大作用，温度降低（升高）~冰雪覆盖增大（减小）~地表反射率增大（减少）~吸收太阳辐射减少（增多）~温度降低（升高）。
第四、海洋的反馈，
大气环流和气候变化问题，从能量平衡的角度看，要十分重视海洋的作用，海洋对大气运动和气候系统的重大影响，具体表现在以下几个方面：
一是影响地球大气系统的热力平衡，二是影响水汽循环，三是调节大气运动，四是降低气候系统的敏感性，调节温室效应。
二、固体地球系统与岩石圈循环过程
固体地球系统本身同时受到地球内力和太阳外力驱动。
由地球内力驱动的板块运动和由太阳能直接或间接驱动的风化、侵蚀、搬运、堆积等一些列过程，这些过程跨越了多种时间尺度。
通过上述过程，不仅决定了地球的洋盆和陆地的形态及分布，造成了地表的起伏以及形态各
异的地貌，而且实现了为生态系统提供无机养份以及岩石圈与地幔之间的物质和能量交换，同时也直接或间接地对全球气候系统构成影响。
板块运动过程
地球的岩石圈由若干刚性板块组成，它们位于地幔对流的热边界层之上，受地幔的缓慢对流过程所驱动而横跨地球表面发生大规模的水平运动，即板块运动。
板块运动带动了大陆的漂移和大洋盆地的开合、火山活动、地震、以及地壳的升降运动。
陆上风化与侵蚀堆积过程
发生在岩石圈、大气圈、水圈和生物圈相互作用的陆地表面的风化作用、侵蚀作用、搬运作用、和堆积作用导致出露于地表的岩石圈表面遭受破坏，并对构造运动所产生的地表高程差异进行取高补低的夷平作用，从而与板块运动一道改变地球表面的地貌形态。
海洋沉积过程
大洋沉积的类型主要包括由通过河流、冰川、风力和海岸侵蚀等作用从陆地侵蚀搬运而来的碎屑沉积和以石灰岩和蛋白石形式从海水中析出来的碳酸钙和氧化硅的化学沉积
其中化学沉积部分地是海洋生物作用的结果
海洋中也有一定数量的有机物沉积，相对富集在大洋的缺氧层中
大陆边缘的沉积物主要是大江大河所搬运的陆源物质，此类沉积在海洋沉积中的体积最大，最大的沉积厚度可以达15KM以上
在远离大陆的大洋中心地区，陆源物质含量很少，沉积物主要来自风尘堆积，沉积过程以海洋中浮游微体生物骨骼的富集居主导地位，主要为碳酸盐和硅酸盐沉积。
大洋沉积是岩石圈物质循环转换的重要环节。
在海底以沉积物的形式积累的物质被埋藏后变沉积岩，在板块运动的作用下重新参与岩石圈的物质转换过程，它们可能在随后发生的造山运动中被抬升，也可能由于温度和压力的增大而转变为变质岩，或随着岩石圈的消减过程部分地熔融而转变为岩浆
沉积岩、变质岩和岩浆岩在构造运动的作用下被抬升到侵蚀基准面以上重新接受侵蚀堆积过程，从而完成岩石圈循环过程。
三、生态系统与生物地球化学循环
全球变化会导致生态系统的生理学过程及生态系统功能的相应变化，生态系统的变化反过来会对全球变化过程产生影响。
全球植被带在第四纪冰期—间冰期循环中曾发生过大幅度摆动，在高位地区尤其明显。
植被类型的改变意味着土地覆盖性质的变化，与此相对应，地表反射率、地表粗糙度、水分和热量交换方式等都随之变化。
不同类型土地利用（覆盖）对气候变化的反馈。
生物地球化学循环过程
生物地球化学循环就是指元素在固体地球、大气圈、水圈和生物圈中的传输转换过程
盖亚假说
生物作用的碳酸盐沉积和有机碳沉积是重要的固碳方式，生活在海洋表层中浮游生物中的一部分（大约1%左右）在死亡后进入深海或海底而被固定，在几百年、几千年甚至几万年内不再参与碳的生物地球化学循环，这种作用成为生物泵。
生物泵的净效果是减少表层水中的碳含量，使他可以从大气中活得更多的CO2以恢复表层平衡，对大洋乃至大气的CO2平衡产生重要影响。
全球碳循环
碳是组成生命组织的基本物质，碳在海洋和陆地生命系统与大气，水圈和地圈之间的运动与转换是地球上生命活动的基本过程之一，也是连接地球各个圈层的一个主要环节。
地球碳循环和氧循环之间存在着密不可分的联系，同时地球大气中氧气的存在对许多有机物
的新陈代谢有着至关重要的影响。
通过氧化和还原过，有机物在反映中也改变了氮磷硫等其他重要生命元素的性质，因此碳循环是生物地球化学循环关注的中心，通过了解碳循环过程可以进一步增进对生物化学过程中的各个主要环节的理解。
探源和碳汇
四、人类生态系统与人类活动过程
现代人类能源消费量的四分之三以上来自于煤石油天然气等地质时期多储藏的太阳能
人类生态系统是建立在人为控制的，大量的物质和能量输入与输出基础之上的人工系统，他与靠太阳能的持续输入与养分的循环利用来维持，并通过生物多样性来协调的自然生态系统有显著不同，它的能量和物质转化迁移都不是闭合的循环过程，为维持系统的正常运转，需要有大量的物质和能量持续不断的输入到系统之中。
人类不是使资源重复利用，而是将从地壳中开采出来的有限资源，经过人类选择性的利用后，在它们不能重复利用的地方排放到环境中。
人类生态系统的物质和能量的输入与输出过程超越了空间和时间的限制。
物质和能量在人类生态系统中的空间流向，不再遵从自然规律。
第二节全球变化的驱动力
按照全球变化驱动力的来源，也可以将驱动因素分为三种类型。
1 地球外力因素
2 地球内力因素
3 地球系统自身相互间的影响和反馈
人类活动的重要性和特殊性
一、驱动全球变化的地球外因素
地球的环境状态与太阳有密切的关系，同时受到其它天体的深刻影响，影响是多方面的。其中受关注较多是太阳辐射输出变化，受其他天体的引力作用产生的地球运动轨道参数的改变，以及小行星和彗星等天体对地球的撞击等。
太阳活动
太阳辐射直接驱动了发生在地球表面的各种过程
太阳是一颗不断演化的恒星，太阳的辐射输出是随着太阳年龄的增长而变化的
除长期变化，发生在10~100年的时间尺度上的太阳活动更为引人注意
太阳活动是太阳表面上一切扰动现象的总称，主要包括：发生在光球表面的黑子、光斑发生在色球层的谱斑，以及日珥、日冕等。
一般用黑子活动代表太阳活动，黑子越多，太阳活动越强，其他太阳活动都和黑子活动呈同步变化，太阳常数的短期变化也与黑子的变化一致。
太阳黑子活动引起太阳辐射质和量的变化，太阳活动高峰期能够引起太阳紫外辐射和微粒辐射的极大增加。
紫外辐射对臭氧层有强烈影响，太阳活动高峰期臭氧层变厚并且升温。
臭氧层放大了太阳活动周期效应
对过去600年北半球温度变化的分析表明，20世纪以前主要是由太阳活动和火山活动驱动的，而近70年来与大气以co2 浓度增加的关系日趋显著。
地球运动轨道参数的变化
偏心率、黄赤交角和岁差这些地球的轨道参数都是随时间变化的，它们的变化均会导致地球接受太阳辐射的季节和地区分布的变化
20世纪早期，米兰科维奇对地球轨道参数变化的影响进行了更深入的研究，提出了第四纪冰期的天文假说（1920），他认为偏心率黄赤交角和岁差的周期变化改变地表的日照量，足
以导致冰盖的大规模进退，是形成第四纪冰期和间冰期更替的主要原因。他认为夏半年日照量的减少是冰期形成的主要因素。
深海海底钻芯，以同位素方法测得的冷暖交替演变，及一些珊瑚礁，阶地判断出来的海平面变化等曲线，与地球轨道参数的变化曲线相关甚好。
这一假说也有助于解释热带，副热带在距今9000年前发生的湖泊扩大。库兹巴赫1981年指出，那一时期7月份接收的日射量叫现在多7%。这又导致季风环流的加强和降水的增加。缺陷
这一假说的缺陷在于他能产生的气温差别最多1~2°，这与第四纪冰盖进退的巨大规模不相匹配。
把高纬冰川扩展归诸日射变化，从冰川质量平衡的观点看来不太合理，因为现代观测证实极区的降水增加所起作用更大。以米氏假说为基础计算出来的日射变化不过百分之几，即使这一机制只起启动的效应，还必需其他因子来加强它。
地外物体的撞击作用
在地球的历史上，地外物体对地球的撞击作用不仅存在而且频繁发生，在地球历史的早起尤其如此。
地面可燃烧的物质燃烧，引发森林大火甚至全球森林大火，导致大量的烟尘和炭黑等有机颗粒物质弥漫于大气中，撞击体本身所携带的一些有毒物质如镍等重金属，可使地球环境恶化，生物中毒死亡。
强大的冲击波使直径20倍于撞击体的靶岩物质碎裂、粉碎、熔融、汽化和溅射。发生在海洋中的撞击作用，则会使海水大量汽化和沸腾，形成强烈的海啸和地震。在撞击的瞬间，在撞击区形成一个巨大的向上运动的蘑菇云状气体柱，大量的汽化物质和细微的熔融溅射物质及撞击释放出的一些气体通过这个通道被输送到平流层及近地空。阻挡入射的太阳辐射，起全球降温，形成漫长而黑暗的冬天，并抑制光合作用致使某些动物的食物链中断。
除短期的环境影响外，地外物体的撞击也会对全球变化产生深远的影响。
巨大的天气冲击能够导致地球内部物质的重新分配，对地球内部过程产生深刻的影响。巨大陨石的撞击作用可能是海底扩张和大陆漂移等地球内部驱动过程变化的触发因素。
陨石撞击可能导致地幔柱的生成，而这些地幔柱又可以将板块破裂并使大陆分离。
地质历史上巨大陨石冲击的时间与大陆开始分离和海底扩张方向改变的时间几乎是一致的，210mabp以来可以区分出9个陨石冲击率大为增强的冲击期，9个冲击期中有5个和大陆分离的时间一致，8次海底扩张方向变化的时期中有六次与冲击期一致，另有一次冲击期与大西洋海底扩张开始的时间相对应。
二、驱动全球变化的地球内力因素
地球内力对全球变化的驱动主要通过地球内部过程驱动的板块运动而起作用，板块运动所造成：海陆分布形式的变化，海底地形与陆地地形的变化，火山活动。均能引发进一步的过程，导致全球变化。
海陆分布变化
地球岩石圈是由可运动的刚性板块组成的，板块运动所导致的海底扩展与大陆漂移使得地球的大陆一直处在拼合—破裂的旋回性运动之中，从而在不同的地质历史时期形成不同的大洋盆地的形状与海陆分布形式，现代的海陆分布格局是由约200MaBP的超级大陆与超级海洋—泛大陆和特提斯海（或称泛大洋）分裂形成的。
洋盆形状与海陆分布格局的变化会导致大洋环流形式的变化。大陆分布格局变化使得一些海道开启，一些海道闭合，它们所导致的必然结果就是造成洋流的迅速调整、新生代全球变冷的若干主要阶段分别与同期若干海道开启与闭合相对应海陆分布格局的变化对生物的进化也有重要影响，其中的一个重要方面是大陆解体之后切断了生物之间交流的通道，使得生物
在各自的大陆上独立进化，助长了生物多样性的增加。
高海拔的山地或高原的隆起
洋盆与海陆分布格局的变化及其影响通常发生在10六次方—十的七次方尺度上，而在10的四次方—十的五次方年尺度上对全球变化影响最大的板块运动事件是以垂直运动为主的巨地形的变化。
第四纪板快运动主要变现之一是高原山地的强烈隆起和沉积盆地的拗陷。现代北半球有两个最大的高原山地。