全球變化敏感因子的空間觀測與認知*

郭華東

（中國科學院對地觀測與數字地球科學中心 北京 100190）

全球變化正在對人類環境帶來巨大的影響，日益成為世界各國關注的重大問題。我國是受全球變化影響最嚴重的國家之一，也是影響全球變化過程的重要國家之一，而且也具有世界上比較典型和獨一無二的全球變化響應敏感區，如高海拔地區、干旱螄半干旱區、綿長的海岸帶、人類活動密集區等。由于全球變化是一種大尺度長周期變化過程，空間技術成為觀測其現象的一種有效手段，特別是可以客觀地觀測全球變化敏感因子特征與變化。

1 空間觀測全球變化現象的重要作用

全球變化敏感因子主要包括表現因子（如溫度、降水等）、響應因子（如生態系統、災害、水資源、冰雪變化等）、驅動因子（如溫室氣體、反照率等）。空間對地觀測技術在監測這些因子方面具有常規方法難以比擬的優勢。 它不但可以快速、實時、動態、準確地監測全球和區域尺度的環境變化，還可以實時、快速跟蹤和監測突發性極端環境事件的發生。無論在微觀尺度還是在宏觀尺度，對地觀測技術都可為人類提供全球重要的動態變化信息，為決策提供快速、準確的空間科技支持。理解全球變化因子與空間觀測電磁波的相互作用機理與模式，提高變化敏感因子的空間遙感監測水平，以掌握地球變化敏感因子的時空變化規律，提高全球變化研究中模式與分析的準確性，有效驅動環境變化系統各種過程的模擬是國際前沿科學問題，也是國家的急需。

我們7個單位于2009年開始共同承擔了國家“973”項目——“空間觀測全球變化敏感因子的機理與方法”。項目將圍繞關鍵科學問題，開展全球變化敏感因子分析及空間響應模式研究；發揮多學科交叉綜合優勢，將遙感物理模型與大氣、陸氣、海氣因子變化的地學過程相結合，探索基于對地觀測數據的全球變化敏感信息精確反演機理和方法；研究多平臺空間觀測的模式優化和多遙感器聯動觀測理論與方法；研究基于全球變化敏感因子時空尺度轉換及因子之間耦合效應的綜合信息提取理論與方法；開展星螄機螄地多平臺綜合遙感實驗，建立全球變化區域影響研究的空間信息模擬平臺。

2 取得的初步結果

項目擬在全球尺度和我國典型試驗區開展工作，典型實驗區包括青藏高原區和環渤海區兩個區域。在項目第一執行年度中，完成了青藏高原江河源星螄機螄地遙感綜合試驗，有關科學研究全面展開。通過研究與實驗已發現：

（1）20世紀50—60年代的歐洲黑碳高排放對青藏高原西部、北部的冰川融化有重要貢獻；90年代以來南亞地區的黑碳排放在青藏高原冰川中的積累占主導作用；進一步的計算表明，過去20多年來冬春季節爆發的南亞大氣棕色云將黑碳物質帶至青藏高原東南部，對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一步積累，得到幾倍甚至幾十倍的加強。

（2）揭示通榆PM2.5中黑碳BC的4個主要潛在貢獻源區，即長江三角洲、華北平原及遼寧省，蒙古與中國、俄羅斯接壤地區，中亞及新疆北部的部分地區，俄羅斯遠東的部分地區。通榆高污染BC事件的污染物主要來自俄羅斯接壤我國東北地區的東部邊境、長三角部分地區。

（3）在過去20—30年我國東部城市群快速城市化過程中，土地利用格局、綠色植被覆蓋度，與城市熱島的時空分布有很強的相關性。特別是在城鄉結合部，地表溫度的升高明顯強于市中心和遠郊區。

（4）近10年來，青藏高原納木錯湖面湖冰受溫度升高的影響，湖面開始凍結的時間越來越晚，平均每年推遲5.5天，湖泊凍結期縮短。

3 全球環境變化遙感對比研究（ABCC）計劃

依托“973”項目，與中科院重點國際合作項目結合，發起并開展全球環境變化遙感對比研究（ABCC）計劃。該計劃為澳大利亞（A）、巴西（B）、加拿大（C）和中國（C）4國合作計劃，故稱“ABCC計劃”。其內涵是利用空間對地觀測技術，選擇4國全球變化敏感地區，開展全球環境變化要素對比研究，進行全球變暖效應的遙感預測、預報和預警，揭示空間遙感技術在全球環境變化監測中的作用。選擇典型干旱區、冰雪覆蓋和高寒區、植被覆蓋區、海岸帶等不同地物景觀的試驗區，利用多源對地觀測衛星進行環境變化監測對比研究。

中、澳、巴、加分別為亞洲、大洋洲、南美洲、北美洲面積最大的國家，4國面積之和達到3580萬平方公里，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、發達和發展中國家，地表景觀具有多樣性，4國在環境變化監測領域的合作具有代表性和全球性。

4 面向全球變化的月基對地觀測方法探索

“973”項目和國家自然科學基金項目聯合開展研究。將對地觀測從地基、機載、星載提高到月基高度，把月球作為一個永恒的平臺實施對地球的大尺度、周期性觀測。通過研究關鍵科學技術問題，實現未來月基對地觀測與星機地對地觀測技術的結合；通過研究日、地、月運行規律，建立運行規律模擬系統，以確定月基儀器對地觀測太陽角、觀測視角、觀測高度等參數隨天體運行的變化規律；提取適于月基對地觀測的科學現象，確定相應的遙感器及其最佳波段、分辨率等參數選擇；分析星載、機載及地基的對地觀測特點，探索月螄星螄機螄地多平臺的對地觀測體系，發揮月基對地觀測優勢，為研究全球變化等科學現象提供理想、系統的觀測手段。

5 建議我國研制發射全球變化科學衛星

利用空間對地觀測技術研究全球環境變化是一項十分有效的技術。近年來我國發射了若干對地觀測遙感衛星，但主要為行業應用衛星，對科學衛星的考慮較少，更沒有面向全球變化的對地觀測衛星計劃。全球變化研究的需要和國內外發展態勢對全球變化空間監測平臺正在提出強烈的需求，我們建議國家和有關部門盡早考慮部署研制發射全球變化監測系列科學衛星，并將機載對地觀測系統與之互補。

正在開展的“973”項目擬通過空間對地觀測技術監測全球變化敏感因子機理的研究，試圖闡明探測不同敏感因子的最佳電磁波段、最佳時間分辨率、最佳空間分辨率和最佳光譜分辨率，從而提出我國全球變化衛星科學方案和組網模式，研究全球變化的空間尺度時間尺度分布特點，研究多平臺觀測技術，為我國研制全球變化衛星做好基礎性工作，滿足全球變化環境敏感因子的空間觀測需求，為全球變化研究做出科學貢獻。