全球變化敏感因子的空間觀測(cè)與認(rèn)知*

郭華東

（中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心 北京 100190）

全球變化正在對(duì)人類環(huán)境帶來(lái)巨大的影響，日益成為世界各國(guó)關(guān)注的重大問(wèn)題。我國(guó)是受全球變化影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一，也是影響全球變化過(guò)程的重要國(guó)家之一，而且也具有世界上比較典型和獨(dú)一無(wú)二的全球變化響應(yīng)敏感區(qū)，如高海拔地區(qū)、干旱螄半干旱區(qū)、綿長(zhǎng)的海岸帶、人類活動(dòng)密集區(qū)等。由于全球變化是一種大尺度長(zhǎng)周期變化過(guò)程，空間技術(shù)成為觀測(cè)其現(xiàn)象的一種有效手段，特別是可以客觀地觀測(cè)全球變化敏感因子特征與變化。

1 空間觀測(cè)全球變化現(xiàn)象的重要作用

全球變化敏感因子主要包括表現(xiàn)因子（如溫度、降水等）、響應(yīng)因子（如生態(tài)系統(tǒng)、災(zāi)害、水資源、冰雪變化等）、驅(qū)動(dòng)因子（如溫室氣體、反照率等）。空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)在監(jiān)測(cè)這些因子方面具有常規(guī)方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)。 它不但可以快速、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)全球和區(qū)域尺度的環(huán)境變化，還可以實(shí)時(shí)、快速跟蹤和監(jiān)測(cè)突發(fā)性極端環(huán)境事件的發(fā)生。無(wú)論在微觀尺度還是在宏觀尺度，對(duì)地觀測(cè)技術(shù)都可為人類提供全球重要的動(dòng)態(tài)變化信息，為決策提供快速、準(zhǔn)確的空間科技支持。理解全球變化因子與空間觀測(cè)電磁波的相互作用機(jī)理與模式，提高變化敏感因子的空間遙感監(jiān)測(cè)水平，以掌握地球變化敏感因子的時(shí)空變化規(guī)律，提高全球變化研究中模式與分析的準(zhǔn)確性，有效驅(qū)動(dòng)環(huán)境變化系統(tǒng)各種過(guò)程的模擬是國(guó)際前沿科學(xué)問(wèn)題，也是國(guó)家的急需。

我們7個(gè)單位于2009年開(kāi)始共同承擔(dān)了國(guó)家“973”項(xiàng)目——“空間觀測(cè)全球變化敏感因子的機(jī)理與方法”。項(xiàng)目將圍繞關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展全球變化敏感因子分析及空間響應(yīng)模式研究；發(fā)揮多學(xué)科交叉綜合優(yōu)勢(shì)，將遙感物理模型與大氣、陸氣、海氣因子變化的地學(xué)過(guò)程相結(jié)合，探索基于對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的全球變化敏感信息精確反演機(jī)理和方法；研究多平臺(tái)空間觀測(cè)的模式優(yōu)化和多遙感器聯(lián)動(dòng)觀測(cè)理論與方法；研究基于全球變化敏感因子時(shí)空尺度轉(zhuǎn)換及因子之間耦合效應(yīng)的綜合信息提取理論與方法；開(kāi)展星螄機(jī)螄地多平臺(tái)綜合遙感實(shí)驗(yàn)，建立全球變化區(qū)域影響研究的空間信息模擬平臺(tái)。

2 取得的初步結(jié)果

項(xiàng)目擬在全球尺度和我國(guó)典型試驗(yàn)區(qū)開(kāi)展工作，典型實(shí)驗(yàn)區(qū)包括青藏高原區(qū)和環(huán)渤海區(qū)兩個(gè)區(qū)域。在項(xiàng)目第一執(zhí)行年度中，完成了青藏高原江河源星螄機(jī)螄地遙感綜合試驗(yàn)，有關(guān)科學(xué)研究全面展開(kāi)。通過(guò)研究與實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)：

（1）20世紀(jì)50—60年代的歐洲黑碳高排放對(duì)青藏高原西部、北部的冰川融化有重要貢獻(xiàn)；90年代以來(lái)南亞地區(qū)的黑碳排放在青藏高原冰川中的積累占主導(dǎo)作用；進(jìn)一步的計(jì)算表明，過(guò)去20多年來(lái)冬春季節(jié)爆發(fā)的南亞大氣棕色云將黑碳物質(zhì)帶至青藏高原東南部，對(duì)加劇冰川的融化有重要影響。這種影響將隨著冰川表面積雪的融化，黑碳在冰川表面的進(jìn)一步積累，得到幾倍甚至幾十倍的加強(qiáng)。

（2）揭示通榆PM2.5中黑碳BC的4個(gè)主要潛在貢獻(xiàn)源區(qū)，即長(zhǎng)江三角洲、華北平原及遼寧省，蒙古與中國(guó)、俄羅斯接壤地區(qū)，中亞及新疆北部的部分地區(qū)，俄羅斯遠(yuǎn)東的部分地區(qū)。通榆高污染BC事件的污染物主要來(lái)自俄羅斯接壤我國(guó)東北地區(qū)的東部邊境、長(zhǎng)三角部分地區(qū)。

（3）在過(guò)去20—30年我國(guó)東部城市群快速城市化過(guò)程中，土地利用格局、綠色植被覆蓋度，與城市熱島的時(shí)空分布有很強(qiáng)的相關(guān)性。特別是在城鄉(xiāng)結(jié)合部，地表溫度的升高明顯強(qiáng)于市中心和遠(yuǎn)郊區(qū)。

（4）近10年來(lái)，青藏高原納木錯(cuò)湖面湖冰受溫度升高的影響，湖面開(kāi)始凍結(jié)的時(shí)間越來(lái)越晚，平均每年推遲5.5天，湖泊凍結(jié)期縮短。

3 全球環(huán)境變化遙感對(duì)比研究（ABCC）計(jì)劃

依托“973”項(xiàng)目，與中科院重點(diǎn)國(guó)際合作項(xiàng)目結(jié)合，發(fā)起并開(kāi)展全球環(huán)境變化遙感對(duì)比研究（ABCC）計(jì)劃。該計(jì)劃為澳大利亞（A）、巴西（B）、加拿大（C）和中國(guó)（C）4國(guó)合作計(jì)劃，故稱“ABCC計(jì)劃”。其內(nèi)涵是利用空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，選擇4國(guó)全球變化敏感地區(qū)，開(kāi)展全球環(huán)境變化要素對(duì)比研究，進(jìn)行全球變暖效應(yīng)的遙感預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警，揭示空間遙感技術(shù)在全球環(huán)境變化監(jiān)測(cè)中的作用。選擇典型干旱區(qū)、冰雪覆蓋和高寒區(qū)、植被覆蓋區(qū)、海岸帶等不同地物景觀的試驗(yàn)區(qū)，利用多源對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星進(jìn)行環(huán)境變化監(jiān)測(cè)對(duì)比研究。

中、澳、巴、加分別為亞洲、大洋洲、南美洲、北美洲面積最大的國(guó)家，4國(guó)面積之和達(dá)到3580萬(wàn)平方公里，占全球陸地總面積的1/4，分別分布在東西半球和南北半球、發(fā)達(dá)和發(fā)展中國(guó)家，地表景觀具有多樣性，4國(guó)在環(huán)境變化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的合作具有代表性和全球性。

4 面向全球變化的月基對(duì)地觀測(cè)方法探索

“973”項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目聯(lián)合開(kāi)展研究。將對(duì)地觀測(cè)從地基、機(jī)載、星載提高到月基高度，把月球作為一個(gè)永恒的平臺(tái)實(shí)施對(duì)地球的大尺度、周期性觀測(cè)。通過(guò)研究關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)未來(lái)月基對(duì)地觀測(cè)與星機(jī)地對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的結(jié)合；通過(guò)研究日、地、月運(yùn)行規(guī)律，建立運(yùn)行規(guī)律模擬系統(tǒng)，以確定月基儀器對(duì)地觀測(cè)太陽(yáng)角、觀測(cè)視角、觀測(cè)高度等參數(shù)隨天體運(yùn)行的變化規(guī)律；提取適于月基對(duì)地觀測(cè)的科學(xué)現(xiàn)象，確定相應(yīng)的遙感器及其最佳波段、分辨率等參數(shù)選擇；分析星載、機(jī)載及地基的對(duì)地觀測(cè)特點(diǎn)，探索月螄星螄機(jī)螄地多平臺(tái)的對(duì)地觀測(cè)體系，發(fā)揮月基對(duì)地觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，為研究全球變化等科學(xué)現(xiàn)象提供理想、系統(tǒng)的觀測(cè)手段。

5 建議我國(guó)研制發(fā)射全球變化科學(xué)衛(wèi)星

利用空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)研究全球環(huán)境變化是一項(xiàng)十分有效的技術(shù)。近年來(lái)我國(guó)發(fā)射了若干對(duì)地觀測(cè)遙感衛(wèi)星，但主要為行業(yè)應(yīng)用衛(wèi)星，對(duì)科學(xué)衛(wèi)星的考慮較少，更沒(méi)有面向全球變化的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃。全球變化研究的需要和國(guó)內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢(shì)對(duì)全球變化空間監(jiān)測(cè)平臺(tái)正在提出強(qiáng)烈的需求，我們建議國(guó)家和有關(guān)部門盡早考慮部署研制發(fā)射全球變化監(jiān)測(cè)系列科學(xué)衛(wèi)星，并將機(jī)載對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)與之互補(bǔ)。

正在開(kāi)展的“973”項(xiàng)目擬通過(guò)空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)全球變化敏感因子機(jī)理的研究，試圖闡明探測(cè)不同敏感因子的最佳電磁波段、最佳時(shí)間分辨率、最佳空間分辨率和最佳光譜分辨率，從而提出我國(guó)全球變化衛(wèi)星科學(xué)方案和組網(wǎng)模式，研究全球變化的空間尺度時(shí)間尺度分布特點(diǎn)，研究多平臺(tái)觀測(cè)技術(shù)，為我國(guó)研制全球變化衛(wèi)星做好基礎(chǔ)性工作，滿足全球變化環(huán)境敏感因子的空間觀測(cè)需求，為全球變化研究做出科學(xué)貢獻(xiàn)。