怎样从空间观测全球变化

从国际空间站拍摄的埃及纳塞尔湖。

美国宇航局为了纪念地球日，发布了具有代表性的一组地球图片。图为亚洲尘暴弥漫在太平洋海面上。

    全球变化是由于自然和人为因素而造成的全球尺度上的地球系统变化，主要包括全球气候变化、全球环境变化等方面。全球变化对社会经济发展、生态环境的影响是显著的，正越来越成为包括我国在内的世界各国关注的重大议题。

    上世纪60年代以来，全球共发射了320余颗对地观测卫星，其中只有约25颗是针对观测全球变化而规划的，目前在轨运行约13颗，且3年后大部分将超期服役。而我国在这方面更还是一个空白。

    中国科学院遥感与数字地球研究所郭华东院士团队，在全球变化敏感因子空间观测机理分析基础上，研究了全球变化科学卫星概念，提出了全球变化系列科学卫星构想，包括大气碳卫星、气溶胶卫星、夜间光卫星、森林生物量卫星、冰川卫星和海洋盐度卫星等。这些卫星的观测将涵盖大气、陆地和海洋最重要的全球变化因子。其科学目标是要解决一些全球变化的规律及影响问题，提高全球变化要素的探测、模拟与预测能力。

    短波红外波段反演二氧化碳含量

    大气碳卫星的主要观测因子为大气中的二氧化碳。作为一种重要的温室气体，大气二氧化碳含量的增加，极有可能是造成全球气候变暖的主要原因。然而，被陆地生物圈和海洋吸收大气碳的精确分布以及变化规律等，至今仍不清楚，准确观测二氧化碳显得尤为重要。

    二氧化碳对特定波长的光线具有选择吸收性，光线通过大气层并返回太空后，便包含了大气二氧化碳含量等信息，据此可以得到大气二氧化碳浓度等。利用大气二氧化碳在短波红外的吸收特性，同时将由地表气压、云、地形等引起的误差最小化，即可精确获取二氧化碳的浓度等参数。

    面向全球变化研究的需求，大气碳卫星需要优先发展每1至2天覆盖全球一次、2千米以上空间分辨率的观测技术。

    可见光等波段监测气溶胶信息

    气溶胶在全球气候变化中扮演着重要的角色，通过散射和吸收太阳辐射及地面反射，直接影响地气系统的辐射收支平衡，从而对气候产生影响。气溶胶还与环境问题密切相关，与PM2.5具有强相关性，严重损害人类的健康。

    目前，人们对于大气气溶胶在全球变化中所起作用的认知程度还比较低，其对全球变化贡献的定量表达仍不精确。而在轨运行具有大气气溶胶探测能力的卫星对气溶胶组分类型探测能力弱，对一些山地、城市等特殊地区探测能力不足，且在部分低纬度地区监测频次低。

    不同浓度的气溶胶在大气中的光谱吸收和散射特性不同，这些信息都包含在传感器所获得的图像中，对图像进行综合分析即可得到气溶胶的含量。可见光、近红外和红外波段是大气气溶胶反演的经典波段，同时还要设置观测水汽的波段，用以消除水汽对反演精度的影响。

    夜间灯光数据城市化程度最直接表征

    夜间灯光数据是人类活动的重要标志，是表征当前人类社会城市化程度的一个最直接的特征，在全球尺度的城市化分析方面具有无可比拟的优势。

    目前，用于全球夜间灯光观测的卫星比较少，且存在空间分辨率过低、信号易饱和、波段单一等不足，不能完全满足定量化分析的需要。灯光在可见光近红外波段具有不同的光谱特征，是夜间光探测器波段选择的依据，并可以实现对城市温度的同步观测，满足城市化过程中热环境的研究需求。利用太阳同步近极轨飞行模式，可实现每天覆盖全球一次能力。

    激光雷达等测定森林生物量信息

    森林在调节全球碳平衡、减缓二氧化碳等温室气体浓度上升方面具有不可替代的作用。然而，由于森林总面积的下降，全球森林碳储量正在下降，而关于森林在陆地碳吸收中所起的作用，至今没有形成一致的观点。

    森林生物量是指森林单位面积上长期积累的全部活有机体的总量，直接反映了森林碳储量的多寡。激光雷达和合成孔径雷达卫星信号对森林具有一定的穿透能力，接收的回波包含了森林的三维结构信息，能定量连续地获取区域乃至全球尺度高精度的森林生物量。但目前没有在轨的可用于森林生物量观测的激光雷达和长波雷达卫星，国际上虽已提出了相关的卫星计划，但对全球大范围森林生物量的观测能力不足，而

    且也难以满足对我国森林重点观测的需求。

    全波形、高重复周期、高密度扫描的激光雷达能对全球森林精细观测，P波段的合成孔径雷达卫星能获得50米×50米以内的高空间分辨率森林生物量产品。同时，二者协同观测优势互补，既可以提高激光雷达的空间分辨率，也可以提高雷达的反演精度。

    雷达卫星擅长监测冰川变化

    冰川变化是全球气候变化极好的代用指标和依据，气温、降水与冰川进退、物质平衡密切相关。冰川在全球变暖的环境下正在不断地消融，致使海平面不断上升，成为威胁人类生存的潜在因素。我国是第四大冰川资源国。最新研究表明，过去30年来青藏高原及其周边地区的冰川呈现不同程度的萎缩，尤其在喜马拉雅山脉地区。

    雷达卫星在区分冰川和非冰川区、探测冰川移动、高度变化分析、冰川雪线提取等方面有着巨大优势。目前国际上可用的雷达卫星都是商业卫星，数据费用昂贵，数据获取控制权在国外，限制了我们的应用。L波段雷达卫

    星信号穿透云雨、积雪的能力强，在采用干涉技术监测冰川时具有更高的相关性，可以获得更高的监测精度。多星星座组网观测的模式可以有效地减小观测误差。

    微波辐射对海水盐度变化敏感

    海洋盐度是海洋环境动力学重要参数，也是全球变化的指示参数之一。盐度的变化与海洋环境及全球气候变化息息相关，是研究环流、全球海平面变化等海洋现象中必不可少的环境变量，盐度测量为估计海洋吸收释放二氧化碳提供可靠的参量依据。

    L波段微波辐射计被认为是进行海水盐度遥感的最佳传感器。L波段微波辐射亮度温度对海水盐度变化比较敏感。国际上现行的海洋盐度卫星，其反演精度距离要求都有不少的差距，未能满足全球变化与海洋循环研究的需要。我国目前关于海洋循环的高精度卫星数据稀少，随着经济的发展和科技投入，中国未来5到10年完全有能力研发更高辐射精度和分辨率的微波辐射计传感器。

    □据《北京日报》傅文学/文

    ■延伸阅读

    月球是观测地球的天然大平台

    全球变化月基观测是一个创新的思想，也将是全球变化空间观测的新方向。目前，基于卫星-航空-地面的观测平台仍然只能同时对地球上有限区域的科学现象进行短暂观测，而对于大尺度科学现象观测数据获取周期长，难以满足全球尺度上周期性动态变化的宏观地球科学现象观测的需求。月球是一个自然的稳定的永不失效的观测平台，其微重力环境、月表的高真空状态、稳定的地质构造等特点保证了它作为对地观测平台的优越性。

    月球有一面总是朝向地球，在月球上布设传感器，可以对地球上的同一地区进行长时段、可变视角的快速观测，可同时观测到地球半球的全景。分析表明，月基传感器可对地球上发生的大尺度、动态变化等宏观地球

    科学问题在全球尺度进行时间连续、空间同步对比观测，获得更为丰富的全球变化信息，在全球大气、全球反照率、冰川运动、热点监测、水灾监测、海洋监测等诸多方面发挥重要作用，尤其对于地球的陆地、海洋、大气作为一个整体进行研究，月基观测具有极大优势。

    从月球观测地球最早可以追溯到1972年，当时阿波罗16号宇宙飞船第五次将人类送上月球，宇航员们使用远紫外线望远镜和光谱仪，获取了地球大气和地冕的图像和光谱，但由于当时技术能力限制，并没有获得连续的长时间的对地观测数据。本世纪初期，陆续有专家提出了月基可见光/近红外仪器对地观测科学思路，提出利用热红外传感器从月球监视地球的热点目标及自然灾害等。