生態氣候學是研究地表生態系統和氣候環境相互作用關係的學科。
生態氣候學內容豐富，涉及多學科領域，從個體、種群、群落到生態系統、景觀的不同層次，從微觀到巨觀角度，深刻闡述了天氣、氣候與生物問的相互影響、相互作用，揭示了不同尺度下生物對氣候變化的回響及其適應對策，探討了生態系統組成、結構和功能變化對氣候、水資源和生物地球化學循環的影響。
基本介紹
- 中文名：生態氣候學
- 外文名：Ecological climatology
- 涉及學科：生態學、氣候學
- 核心領域數量：5個
- 主要套用方向：土地利用和規劃，生態區以及功能
- 重點研究方向：生態氣象觀測、模擬、監測等技術
概念,內容,發展歷史,概念性框架,套用,影響,
概念
生態氣候學是生物氣候學(Bioclimatology)的另一旁支，是研究地表生態系統和氣候環境相互作用關係的學科。
生態氣候學內容豐富，涉及多學科領域，從個體、種群、群落到生態系統、景觀的不同層次，從微觀到巨觀角度，深刻闡述了天氣、氣候與生物間的相互影響、相互作用，揭示了不同尺度下生物對氣候變化的回響及其適應對策，探討了生態系統組成、結構和功能變化對氣候、水資源和生物地球化學循環的影響。
內容
生態氣候學是一個旨在理解陸地景觀在氣候系統中的功能的交叉學科領域。它把物理氣候學、微氣象學、水文學、土壤學、植物生理學、生物地球化學、生態系統生態學，生物地理學和植物動力學等學科結合在一起，以便認識景觀影響氣候的物理、化學和生物過程。這使得生態學和氣候學之間的界限不再明顯，因此氣孔生理學也變得像雲和對流一樣與理解氣候密切相關。生態氣候學的其中一個中心主題是陸地生態系統如何通過能量、水分、化學元素和痕量氣體的循環成為氣候的一個決定因素。由自然的植被的動態變化和人類對土地的使用和土地管理引起陸地生態系統變化是氣候系統內部的一個重要反饋。
發展歷史
生態學是研究生物體之間和生物體與環境之間相互作用的一門學科。它著重理解自然界中的各種格局（例如：生物的空間和時間分布）以及調控這些格局的過程。氣候學是研究大氣物理狀態的一門學科：氣候的瞬時狀態或者天氣過程，氣候的季節和年際變化即氣候的長期平均狀態，以及氣候如何隨時間發生變化。這兩個獨特的研究領域即生態學和氣候學，他們一個是生物科學，另一個是地球物理科學。一個的基本法則是自然選擇，另一個基本法則是物理學和流體動力學。但是，兩者都有著共同的歷史。
這兩門學科的起源要歸因於亞里士多德（大約公元前350年）和西奧佛雷特斯（大約公元前300年），以及他們的著作《氣象學》（Lee 1962）和《植物探秘》（Host 1968，1980）。生態學和氣候學的現代起源可以分別追溯到自然歷史學和植被地理學。17~19世紀，探索地球的博物學家和地理學家在開拓新的區域時發現了植被的差異；為這些植被的地理分布格局尋找解釋的過程也奠定了生態學和氣候學發展的基礎。
19世紀初，洪堡(Alexander yon Humboldt)，認識到植被群落的外貌和主要特徵與氣候相關。他注意到，如果氣候相似的話，即使相隔遙遠的區域也存在結構和功能上相似的植被。後來，德堪多(Alphonse de Candolle)在研究主要植被型時注意到基本上存在著緯度分布帶，如熱帶、溫帶、極地植被。他認為這種帶狀分布是由溫度引起的，並於1874年正式提出用溫度界定植被分布帶，這為劃分氣候區提供了一個客觀基礎。1884年柯本(Wladimir Kбppen)根據植被分布圖做出氣候圖。他的五個主要氣候區域與德堪多的植被類型有著共同的溫度界限，且其主要氣候帶與主要植被帶之間密切相關，許多氣候帶亞代，如熱帶草原、熱帶雨林、凍土地帶也都是依植被命名的。雖然在現代氣候製圖中不再用植被命名，但是溫度、降水量與樹木年輪寬度，孢粉的豐度，葉子的形態等之間的關係仍是重建過去氣候的一個主要方法。根據CO2濃度上升時氣孔密度的下降可以用來推斷出過去大氣中的CO2濃度。 植被地理經常可用來解釋和檢測氣候模式的模擬結果。
儘管生態學和氣候學的起源相同，但是他們還是以典型的學科發展模式發展成具有各自特色的研究領域。生態學可細分為動物生態學和植物生態學。植物生態學又進一步細分為生理生態學，種群生態學，群落生態學，生態系統生態學和景觀生態學研究。天氣和氣候的研究則依據不同的空間尺度分為微氣象學、中尺度氣象學和全球氣候學，及依據大氣過程分為邊界層氣象學，水文氣象學，大氣輻射學，雲物理學和全球動力學。
隨著科學技術的發展，人們已經廣泛地認識到陸地生態系統對氣候有著重要的反饋作用，且自然和對土地覆蓋的人為干擾將改變氣候，即氣候影響生態系統類型、覆蓋度及功能和過程，生態系統同時也影響微氣候、氣候過程、區域氣候和全球氣候。一個地區生態氣候格局的形成，與地形、土壤、緯度、海拔等無機條件也有關係，但是作用最大的卻是植物群落對環境的反作用，森林等植被一旦消失，區域的生態氣候便發生巨大變化。
2002年美國環境與氣候學家GordonBonan出版了《生態氣候學》（EcologicalClimatology）一書，正式提出“生態氣候學”的概念。他認為生態氣候學是理解氣候系統內陸地生態系統功能的交叉學科，主要研究景觀與氣候之間相互影響的物理、化學和生物過程。
也有學者認為，生態氣候(Eco-climate)就是一個生境所有氣候因素的綜合，生態氣候學是研究動植物生理生態的氣候適應性，以及氣候條件對動植物的地理分布影響等的學科。簡單地說，就是研究“氣候影響生態和生態影響氣候”的科學。
目前關於生態氣象學(Ecometeorology)的定義雖未完全統一，但沒有本質上的差異。按周廣勝的定義，生態氣象學(Ecometeorology)是生物氣象學的分支，它以生態系統為中心，主要研究天氣與氣候過程對生態系統結構與功能的影響及其反饋作用的科學。按劉晶淼的定義，生態氣象學是套用氣象學、生態學的原理與方法研究天氣氣候條件與生態系統其他諸因子間相互作用關係及其規律的一門科學，是氣象學、生態學、環境科學等學科交叉形成的一門邊緣科學，也是一門新興的專業氣象科學。這裡的其他生態因子是指一切對生物生長、發育、生殖、行為和分布有直接或間接影響的因子，一般包括大氣條件因子、氣候因子、土壤因子、水環境因子、地形因子、生物因子和人為因子等。
概念性框架
下圖是生態氣候學的概念性框架，他們可歸類為5個核心領域：①以從分鐘到小時尺度上調節與大氣的能量、水分、動量及化學物質交換的生物地球物理和生物地球化學過程；②調節這些交換的流域和水文過程；③陸地生態系統與控制植物種類的豐度和分布以及其在群落和生態系統的地位的生態學過程；④植被動態與生態系統結構和功能的時間變化；⑤陸地生態系統影響天氣和氣候的生物地球物理學和生物地球化學過程以及調節這些構成過程關係的流域和水文過程。
這些核心領域既有本學科專業的獨特性，又通過共同的物理、化學、和生物學過程相聯繫。
套用
①土地利用和土地覆蓋的變化
植被對氣候的影響的研究興趣來自對陸地生態系統提供的產品和服務以及人類對土地的利用如何改變這種產品和服務的認識需求，其中的服務涉及氣候調節，水資源，廢棄物再利用，維護生物多樣性，食品生產，醫藥和工業產品，娛樂和文化價值。人類的活動已經改變了這些服務。生態學家研究原始景觀的興趣變得愈來愈少，而對造成環境變化的人類活動，及其對氣候、生物地球化學循環、水文循環和土地覆蓋的影響的研究興趣越來越增加。
農業的興起帶來了森林覆蓋的顯著破壞和生態系統功能的濫用。人類活動導致的土地利用和土地覆蓋的變化對氣候帶來了顯著的影響，這在行星尺度是非常引人關注的，在量級上並不比其他的氣候動力因素(例如溫室氣體的增加)小。另外，大氣、海洋和陸地中的碳、氮和水的循環已經被改變。在陸地和水生生態系統有效氮的增加被認為是土地、河流和湖泊的酸化，生物多樣性加速喪失，和引起些生態系統組成和功能的變化的原因，尤其是河流輸送到海洋的氮量已經比農業發展前大幅增加。全球區域內，人類活動擠占了54%可更新淡水資源，這些水一部分被再利用，但仍有18%在生產過程中被消耗。水的挪用可以在河流的流動中得到見證。139個占全球1/3的北方大河的年徑流量中大約有77%用於大壩、水力調節、跨流域調度和灌溉(Dynesius和Nilsson，1994)。這些河流中只有39%能保持自由流動。
②土地利用規劃
像全球氣候變化一樣，變化著的土地利用就像是一個會給社會和環境帶來無法估量後果的大規模的無計畫的實驗。與全球氣候變化不同的是，土地利用發生在我們身邊。它使抽象的不同空間和時間尺度上的地球環境問題變成了我們能察覺和反應的具體實例。
人類通過對社區進行設計、建造和景觀管理會對我們的物理和生物環境產生巨大影響。實際上，這種影響比所預估全球氣候變化的影響還要大。
景觀規劃設計的傳統方法，尤其是在家居、辦公樓、公園設計中，強調的是景觀的整齊和視覺美觀而不是它們的環境價值。這在景觀中樹木的使用上尤其明顯(Arnold 1993；Thomas1997)。城市規劃要考慮到經濟成長、社會需求和相鄰區域的關切。當認為很可能是約束而不是機會時，自然景觀與城市的分離就是典型的考慮方法。對生態系統的產品和服務日益增多的認識為景觀在環境中的作用提供了另一視角：景觀並不只是我們生活的地方，它還能調節氣候，大氣化學，水資源，及承載維持健康的生態系統功能的動植物和其他類生物。
在景觀規劃和設計領域中強調地球是一個系統，而生物圈通過能量，水，營養物和生物量的流動成為地球健康的關鍵調節者。生態設計倡導一種新的美學設計原則，強調通過生態功能和服務來實現，而不是依靠形狀、組成、顏色和質地等傳統的設計元素。生態系統帶來的產品和服務提供了一個城市環境問題的自然解決方案。個性、形式和美觀來自於土地的自然過程和特色。另外，生態設計認識到不同的生物氣候區和不同的生態環境區域存在不同的環境問題，需要不同的環境解決辦法。
③生態系統功能
長久以來，人們一直嘗試用精神的和物質的手段改變天氣以滿足自身生理和精神的需求。隨著對全球氣候變化的關注，人們現在已經能通過有目的地調製地球物理過程來改變天氣和氣候，例如海水施鐵被建議作為一種通過海洋生物增加碳吸收量的方法，來緩解大氣中CO2的增加。這種在公海施鐵已經開始在赤道太平洋和南極洲的南部海域實施。
技術固然能夠用來解決問題，只是這些解決方法經常會帶來預料不到的後果，又會引起新的問題。具有諷刺意味的是，在不斷發展的技術世界，陸地生態系統和水生生態系統——自然的技術——在改進環境質量方面變得越來越重要。人們對生態系統提供的產品和服務的認識越來越清晰，植被能提供一個解決環境問題更自然的方法。人們日益意識到綠化帶和樹木在娛樂、精神和審美質量，以及遮陰、減輕城市熱島氣候、洪水調節和保護棲息地方面的作用。森林和濕地正被用於自然過濾的來自城市污水和徑流中的過量營養、污染物及沉積物(DeLaney 1995；Dickey 1997)。某些植物能夠吸收和耐受像鋅、鎘、鉛那樣的有毒金屬，由此興起了通過稱為植修復過程的方法來恢復受污染的土地。人們也逐漸認識到花園和公園的修復作用。醫療設施的戶外花園提供治療和精神康復，能使病人更快地痊癒(Marcus和Barnes 1995；C．Lewis 1996；Tyson 1998；Thompson1998a)。這顯示了人類對待植被尤其是森林的認識上的深刻變化。森林既被認為是生存所需的無限的資源，同時也是需要被開化的蠻野荒地現在，公園和森林已經被提升為躲避現代生活的緊張和壓力、存儲碳、改進環境的方法。
④生物氣候生態區
氣候和植被密切對應是生物氣候生態區劃的核心原則之一，這就提供了一個更加自然的框架來處理環境問題，而不是依靠行政管理上的界限。行政單元如市，縣，州，國家，他們有太多的社會經濟方面的決策以此為依據，而未考慮與自然環境單元，例如土壤類型、氣候區、生態系統和流域的統一。生物區域主義，即基於生物區域（而非政治或經濟邊界所確定的區域）把人類、商業和土地集成為一個區域單元，長期以來是土地利用規劃中的焦點問題。
在20世紀早期，歐洲和美國的規劃家們發動了一次大規模的運動來把土地利用和區域環境相統一。這些規劃家們意識到由於不同的區域具有獨特的氣候、植被和土壤，它們會發展不同的工業和文化。自然資源以及人類對這些自然資源的回響將社會、文化和經濟、建築與物理景觀聯繫到一起。這些規劃家們以蘇格蘭的派屈克蓋迪斯(Patrick Geddes)和美國的劉易斯馬姆福德(Lewis Mumford)最為著名，他們提倡基於生態平衡和恢復進行區域土地利用的規劃。他們把區域構想為具有一致的氣候、土壤、植被、工業、農業的地理地區。這些區域可通過與自然和諧一致的農業、工業、商業和建築業達到自給自足。現在，生物區域主義又有了新的動向，其區域定義基礎是生態系統或者流域而非行政邊界，以此作為兼顧自然資源保護和促進環境友好型發展的規劃管理戰略。
影響
隨著社會經濟的快速發展和人口的不斷增加，人類面臨的生態環境問題日益突出：耕地減少且質量下降、水土流失嚴重、荒漠化加重、水域生態失衡、森林覆被率低、濕地破壞、草地退化、城市污染、海洋生物資源退化、酸雨增加、沙塵暴和地質災害頻發、生物多樣性下降等。其次，在全球變暖背景下，氣候災害和極端氣候事件(如洪澇、乾旱、熱浪、沙塵暴、暴風雪等)頻繁發生，對生態安全、糧食安全、水安全、碳安全等造成了重大影響，直接威脅到人類生存與可持續發展，已經引起了各國政府和科學家的高度關注。氣候、氣候變化及其影響問題，不僅僅是科學問題，也是關係人類生存、資源與環境保護、可持續發展以及國際環境外交中的熱點問題。可以預見，隨著國民經濟的進一步發展，人類社會面臨的生態環境問題將會更加突出，生態與環境的保護、修復和改善任務將會更加繁重。這對現有農業氣象觀測網、研究內容與服務範圍提出了更高的要求，傳統的氣象與農業氣象業務服務需要進一步向生態環境領域拓展，生態氣象研究與業務服務工作也就應運而生。
2004年，《中國氣象事業發展戰略》明確指出:“氣象部門以國家糧食安全和生態安全氣象保障服務為重點，積極拓展農業生態系統監測和信息服務領域，為我國農業防災減災，農業高產、高效和優質提供氣象保障服務，為我國農業生態系統保護和建設提供科學支持”，由此提出了開展生態氣象業務的要求。
在2005年中國氣象局業務技術體制改革中，又明確將“生態與農業氣象”作為一條氣象業務軌道提出，擬通過對有關生態因子監測，研究氣象條件與生態系統、環境之間的相互關係和作用機理，實時發布監測與評估報告，為生態建設與環境保護提供科學支撐。
生態氣象學是一門剛剛誕生並正在迅速發展的學科，其科學研究與技術開發亟待加強，未來研究的重點將集中在以下幾個方面:生態系統與氣象條件相互作用的理論和方法基礎性研究，生態氣象衛星遙感反演技術研究，自然生態系統綜合監測預測與評估技術研究，重大生態環境問題氣象監測預測與評估技術研究，典型生態脆弱區、災害氣象監測預測與評估技術研究，生態氣象觀測標準體系研究等。在生態氣象業務中，要重點研究生態氣象觀測技術、模擬技術、監測與評估技術、產品展示方法以及業務平台的開發等。
