用科技改善地球環境

徐芳芳

霧霾是霧和霾的組合詞，霧霾天氣不僅制約了社會經濟的可持續發展，也威脅到民眾的身體健康和正常生活。正當人們在尋找防治霧霾的良方時，中科院資源與環境國家重點實驗室和加拿大Eco-Logic Systems Inc.股份有限公司開展聯合攻關，研發空氣質量預報預警與污染源追蹤同化系統軟件（PollutantsTracker）。這是一個具有環境空氣質量預報功能以及大氣化學成分分析功能的系統軟件，不僅能精準預報分辨率達1公里、小時步長未來7天空氣質量狀況，而且能診斷二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、PM2.5、PM10等國家要求監測的6種大氣污染物污染來源和二次大氣化學反應對大氣灰霾的貢獻率，為政府治理大氣污染、提升環境空氣質量的決策制定提供科學支撐，也為廣大市民出行提供參考。

提到空氣質量多模式集合預報預警系統，不得不了解這個項目的負責人——中國科學院地理科學與資源研究所創新基地研究員陳報章。陳報章研發團隊還研發并維護一個能夠預報未來一周全國空氣質量的模型系統，實時發布覆蓋全國所有地級市以上城市的未來7天的空氣質量預報結果（網址為：h t t p：//w w w .pollutantstracker.com/introduction.htmlnet）。

礪煉鑄就成功

1981年，陳報章考取李四光任第一任院長的長春地質學院（現吉林大學），4年的學習鍛煉不僅豐富了陳報章的學識，而且在李四光精神的浸染下，勇于吃苦耐勞深深植根于心。1985年，陳報章憑借扎實的基礎、以優異的成績被同濟大學錄取，開啟了他的研究生涯。8年的歷練使他由“素材型”人才轉型為專業人才，他采用植硅體分析技術，發現了河南舞陽賈湖8000年前人工栽培梗稻。這一發現比之前學術界公認的浙江河姆渡最早人類栽培稻提前了1000余年，并把稻作起源地向北推進了一個維度，同時他也因此對農作物與環境的關系研究產生了濃厚的興趣。1999年他獲得中國礦業大學理學博士學位，憑著對事業的更高追求他決定到更加廣闊的空間去學習。

2000年，陳報章來到加拿大自然資源部太平洋地球科學研究中心。他最初的想法是“研究北美洲的農業起源、環境考古”，在研究中他發現玉米起源于中美洲，是北美歷史中唯一記載完整的農作物，但單一的研究對象和簡短的農耕歷史并不是開展農業起源和環境考古研究的理想之地。放棄？開弓哪有回頭箭。在學生時養成的堅毅、不服輸的性格讓他選擇了挑戰“恐懼”。在探索中他發現北美洲復雜的氣候環境不僅對農作物，而且對整個生態環境都有影響，他從古生態學開始，一步步走向全球變化生態學，一路走來，視野的轉變令他走上了一條從未觸及的嶄新的探索之路。

近幾年全球溫室效應加劇，其中二氧化碳是地球溫室效應的主要元兇，敏銳地捕捉到這一變化的陳報章正與北美、歐洲等發達國家及地區的研究熱點不謀而合。從碳循環與下墊面變化的定量關系研究上開始，他構建一個基于遙感資料的陸面過程模型（EASS），耦合陸面生態過程與大氣傳輸過程，從不同的植被類型變化、植被生長狀況變化、地表能量水分平衡變化等多個層面研究陸表碳交換及其在大氣循環中的運移規律，基于大氣二氧化碳濃度數據反演陸表碳交換量。他直接參與了北美高塔和通量網的建設、TRANSCOM大氣反演與北美碳同化系統（即碳示蹤器）的研發工作，作為骨干成員他參與完成了加拿大NSERC、CFCAS資助的多項重大科研項目，2007年受聘為加拿大昆特蘭理工大學地理地質系教授。

破釜沉舟的選擇

10多年的不懈努力與奮斗，讓陳報章收獲了碩果。在加拿大昆特蘭理工大學的課堂上有他傳授知識的身影，在他獨立的實驗室內他指導學生進行研究探索，所取得的驕人成績讓他贏得了來自多方的贊譽，進入了當地主流社會。在別人眼里他是一名成功的學者，然而成功的背后總伴著淡淡的鄉愁，思鄉之情無時無刻不縈繞在他的腦海里。“參與國家的科技發展，為自己的國家做些事”成為他心中最強音。在加拿大一所大學工作的妻子首先反對，回國不是一句話，這意味著放棄10多年的所有努力，一切又將從頭開始，面對妻子的反對，陳報章陷入兩難的境地。一邊是祖國的愛，一邊是家庭的情，哪一邊他都無法割舍，這讓他夜不能寐，食不知味。默默看著這一切的妻子終于堅持不住，主動提出回國。2009年的一天，陳報章把車子鎖進車庫，匆忙請朋友臨時照看房子，就悄然回到了祖國，因為他怕稍有遲疑會被各種原由說服而改變主意。

陳報章是幸運的，2010年中科院啟動了“戰略性先導科技專項”。陳報章參與的“應對氣候變化的碳收支認證及相關問題”專項（A類）是首期啟動4個A類專項中的一個，加之中科院開放的研究平臺和寬松的科研環境，令帶著研究想法回國的陳報章更加信心百倍。他迅速組建了以青年科學家為主體的科研團隊，并全身心投入模型算法測試、實驗驗證等核心研究工作中，一天工作17個小時，對他來說是常態。在中國已經超過美國而成為世界碳排放第一大國、承受巨大減排壓力的嚴峻形勢下，他清楚“碳循環”研究關乎國家利益。如何施展自己在這方面的研究長項，盡快研究出與國際同步的“碳”同化監測系統，為國家應對氣候變化決策和政府間談判提供科學支撐，并通過國際學術界讓世界認識到中國在研究“碳”排放控制方面的不懈努力是陳報章的目標，他要盡快出成果不負祖國的期待。

4年結出碩果

實現與全球同步的碳源匯動態模擬分析與監測系統平臺是陳報章的目標，要與國際接軌，在研究過程中就要向世界看齊，面對我國“碳”研究起步晚的現狀，陳報章清楚前方還有很長的路要走，他必須快馬加鞭。4年來，他圍繞地球表層系統模型構建與優化、數據—模型同化、定量遙感和碳循環等方面積極展開研究，構建了多個數值模型，改變了以往從靜態、單一的定量方法研究地球表層系統，轉為用動態、系統集成的研究方法和技術，并有效地應用于陸地生態系統碳循環和全球變化的研究中，特別是碳循環中關鍵過程的研究。在不懈的努力下，團隊取得了一系列屬國際國內前沿的研究成果，基本達到了預期目標，嘗到成功的喜悅，收獲了碩果：

首先，進一步完善了集成動態陸面過程模型。這是國際上最新一代多尺度、多源數據融合的集成陸面過程模型。“在區域和全球尺度上直接、精細地模擬生態系統的‘碳循環過程。”陳報章在他留學加拿大期間研發的基于遙感的陸面過程模型（EASS）的基礎上，進一步吸納國際上一些著名陸面模型的先進模塊算法，比如CLASS-CN的碳氮模塊、CLM的城市模塊和CTEM和LPJ的動態植被模塊等先進模擬技術和方法，進一步發展成集成動態陸面過程模型（DLM）。首次把樹冠簇團指數引入陸面過程模型中，提高了陸地表層與大氣之間的能量、物質（包括水、碳、氮等）交換過程的模擬精度。目前這個模型已被加拿大、美國和歐洲許多研究人員用于陸地生態系統碳、水、能量循環、陸面格局與變化規律以及定量估算各種尺度的陸地表層碳源匯分布的研究中。

其次，研發出我國首個高時空分辨率碳同化反演系統——中科院碳追蹤同化系統（CarbonTraker-China，CAS）。這是繼美國航空航天局和歐盟之后全球第3個完整的全球尺度嵌套式碳同化系統。在研發過程中，陳報章發現已有的碳同化模型沒有實現與陸面生態系統模型的耦合，這樣不能把同化反演的碳通量同步反饋到陸地生態系統模型中，進而無法對陸地生態系統模型中的關鍵參數進行優化。陳報章開始嘗試將生態系統模型中的光合和呼吸過程與大氣反演模型間實現耦合。改進后的中國碳同化反演系統，具備分析我國區域陸地生態系統在每個網格單元上碳源匯時空動態分布情況、探討其變化趨勢和驅動機制的能力。“中國碳追蹤器已經實現了在國家衛星氣象中心準業務化運行，我國于2016年12月成功發射了碳衛星（TanSAT），目前，我們正在與國家衛星氣象中心科研人員一道，協同攻關，實現該系統的業務化運行；此外，我所撰寫的我國第一部碳同化方面的專著《中國碳同化系統及其應用研究》由科學出版社納入國家出版基金資助，已于2015年11月出版發行。”陳報章欣喜地告訴記者。

第三，構建了溫室氣體通量和濃度足跡（footprint）模型。這個模型在空間異質性分析、評估、尺度擴展和如何合理解釋全球通量網觀測資料等方面的研究中發揮了重要作用。這方面的成果在remote sensing of environment、agriculture and forest meteorology等國外著名雜志上發表后，受到廣泛關注，該方法被加拿大碳項目（CCP：Canadian Carbon Program）確定為各觀測站的常規評估方法。

第四，研發出我國第一臺多角度自動光譜監測儀，并應用于“黑河綜合遙感聯合試驗（HiWATER）”的研究中。這個自動多角度光譜系統可以實現不間斷獲取高光譜觀測數據，并可以根據研究需要，設置與不同衛星一致的觀測角度，以達到地面連續觀測數據與間斷過境的衛星影像數據的高度一致，達到星—地一體的協同觀測，為地表過程的尺度擴展研究提供了有效手段。在國際上，首次把改造的多角度自動光譜觀測系統應用于農作物的研究中。目前，這套自動觀測儀被應用于我國森林、城市綠地等不同生態系統的研究中。

第五，研發出我國灰霾預報預警系統——空氣質量預報預警與污染源追蹤同化軟件系統。霧霾多發生在冬季靜穩的天氣條件下，如果把霧霾作為一種污染物來追蹤預測是否可行？陳報章吸取了國際通用的氣候與大氣污染模式（WRF/CMAQ模式）和大氣化學模式（WRF/Chem模式）中先進的理念，以此為框架把大氣聯網監測數據通過多源衛星遙感反演模式推送到大氣化學多模式傳輸系統進行快速數據同化分析，實現對霧霾72小時的實時預報與污染源追蹤。但是陳報章仍覺得不完善，為實現高精度的污染物和排放源強度預報，他要把誤差縮小到20%？15%范圍內，于是追蹤技術和二次化學反應分析技術被引入其中，對污染物排放和分布情況進行實時監測、追蹤和預報分析，以此來揭示當地空氣質量問題發生的原因及其變化規律，最終實現能及時發現污染物分布情況，精準追蹤污染物排放源頭，為政府治理污染和大氣環境質量控制決策提供科學依據。

承上啟下的責任

“我回國就是想能做一點實事。”樸素簡短的一句話體現了陳報章的心聲。聞其言，知其人，回國后的陳報章靜心做事，集中精力研究。雖然不善言辭表達，但對于下一步研究目標陳報章卻早已心有定數。如果說建立達到與全球頂尖實驗室相當水平的碳源匯動態模擬分析監測系統平臺是中心，那么圍繞這個中心構建全球二氧化碳數據同化系統就是“承上”，如何應用全球二氧化碳數據同化系統進行協同攻關，構建、改善同化系統軟件和模擬分析計算機平臺，使其具備區分人為碳排放與自然碳交換的能力，最終實現在國家衛星氣象中心的針對我國碳衛星TanSAT業務化運行則是“啟下”。

怎樣實施完成這個工程呢？陳報章說：“這其中最大的挑戰是實現具備計算人為碳排放能力的基于衛星、地基觀測資料的二氧化碳同化反演系統的業務化運行。之前沒有任何現成素材，我們唯一能做的就是做好每一步，并不斷改善。首先我們將搜集和整理盡可能多的地基與衛星觀測的二氧化碳濃度數據，解決不同衛星觀測與地基數據時空尺度不相匹配的問題，然后通過過濾處理，獲取具有代表性的大氣二氧化碳濃度觀測數據，再將處理后的地基與衛星觀測資料一起組成多源觀測算子，輸入到全球二氧化碳同化系統，通過研發集合卡爾曼濾波與4維變分聯合性技術來有效最小化二氧化碳濃度與模擬值之間的差異，最終獲取最優化的大氣二氧化碳濃度/通量時空分布圖，實現多源觀測數據的數據同化。”實現業務化運行的衛星—地基聯合同化系統將彌補我國在這一方面的空白，為我國的氣候變化研究以及參加國家氣候履約談判提供獨立自主的系統與數據。

如果把科技的發展比作一列飛奔的列車，那么科技人才是促使列車前進的動力，培養勇于探索，敢于創新具有前沿科學眼光的科技人材不僅是社會教育的任務，也是科技學界的義務，“科技傳承對于科技發展十分重要”，陳報章始終這樣認為。為彌補國內教育的不足，作為博士生導師，他一面鼓勵學生從各種方面最大限度去接觸國際前沿科技，另一方面不遺余力想辦法激勵學生去嘗試、去探索，以此來開拓學生的視野，提高他們獨立開展創新性研究的能力。在他的科研專項中，陳報章要求學生都要參與其中，他引導、激勵學生們獨立完成研究方案設計、算法優化、模型結果分析、科學認知凝練提升等科研過程的不同環節。對基礎薄弱的學生，他專門抽時間、開小灶幫助他們彌補不足，提高能力，并在實際研究工作中給他們更多的機會，鼓勵他們學會從自己的思維出發查找問題、解決問題。7年來，在他的悉心培育下已有8名博士研究生能夠獨立完成研究項目。

在與學生的交流中，他敏銳地捕捉到有的學生只是為學業或學位而學習，而缺乏對未知探索的興趣，究其原因，他發現許多學生因對所學專業知之不多，甚至根本不了解從而失去研究的興趣，這深深刺痛了他。人生本就短暫，特別是一個人出成績的時間就短短二三十年，如果因缺乏知識積淀、沒有興趣而渾渾噩噩浪費時間，這是人才的浪費，也是國家的損失。正是這個原因啟發了他，他常問自己：“為什么不把自己的知識傳播到社會上，讓許多需要的人去學習，去了解呢？”作為這方面權威的陳報章決定承擔起“宣傳員”的義務。每天的研究已占用了他三分之二的時間，剩下的三分之一怎么去擠？用什么方法去宣傳？無數的方案呈現在陳報章腦海里？？在他完成我國首個高時空分辨率碳同化反演系統研發工作后，中科院領導希望他能就此出一本書，這時他突然意識到書可以幫助他完成心愿。于是他夜以繼日地查找、整理資料，草擬提綱，希望把自己的所有知識都奉獻給讀者，為在此方面有愛好的學生提供技術上的輔助指導。

他編撰了《中國碳同化系統及其應用研究》和《陸地表層系統模型模擬與分析》兩本專著，分別于2015和2017年由科學出版社出版發行。按照人的認知過程，通過淺顯易懂的故事或知識引導讀者對陸地表層系統和“碳”的現狀和發展產生興趣，進而對這一研究領域形成總體認識。為讓讀者逐漸加深印象，他運用實例，詳細、深入地介紹構建模型的重要過程和算法，引領讀者從數學角度深入理解陸地表層系統模型和全球碳同化系統。

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。盡管陳報章做了許多事，取得了不少成績，但對他來說，這些只是萬里征程中的一跬步。面對浩瀚的天際、廣袤的地球、多樣的生態，還有許許多多新課題等待他去探索研究，他將不斷更新視角，不斷創意，他要去迎接新的挑戰。