空間觀測全球變化敏感因子的機理與方法＊

文/郭華東 朱嵐巍

中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所北京100094

空間觀測全球變化敏感因子的機理與方法＊

文/郭華東 朱嵐巍

中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所北京100094

空間對地觀測技術(shù)可快速、實時、動態(tài)、準確地監(jiān)測全球和區(qū)域尺度的環(huán)境變化現(xiàn)象，“973”計劃“空間觀測全球變化敏感因子的機理與方法”是針對全球空間技術(shù)研究的項目。項目開展了全球變化敏感因子分析及空間響應模式研究；進行了遙感物理模型與大氣、陸氣、海氣因子變化的地學過程研究，并研究全球變化對地觀測敏感信息精確反演機理和方法；研究了多平臺空間觀測的模式優(yōu)化和多遙感器聯(lián)動觀測理論與方法；開展了星-機-地多平臺綜合遙感實驗，建立了全球變化區(qū)域影響研究的空間信息模擬平臺，提出了全球變化科學衛(wèi)星方案，取得系列全球變化空間研究的發(fā)現(xiàn)與認識。

空間觀測，全球變化，敏感因子，機理，方法

DOI 10.3969/j.issn.1000-3045.2013.04.014

1 前言

人類正面臨全球環(huán)境變化的巨大挑戰(zhàn)，空間對地觀測技術(shù)的宏觀、客觀、準確觀測特點，使之成為研究全球變化的有利手段。但是，面對復雜的地球表面現(xiàn)象和動態(tài)變化過程，空間對地觀測技術(shù)如何進行有效的觀測，是尚未解決的科學難題。需凝練科學問題，凝聚科學目標，開展并解決系列理論與方法問題，以使空間對地觀測技術(shù)為全球變化研究做出更大貢獻。

國家“973”計劃“空間觀測全球變化敏感因子的機理與方法”就是針對全球變化空間技術(shù)研究的項目。項目由中科院對地觀測與數(shù)字地球科學中心、青藏高原所、大氣物理所、上海技術(shù)物理所，武漢大學，中國海洋大學，北京航空航天大學聯(lián)合開展研究。項目的總體目標為，通過多學科交叉研究，突破空間觀測全球變化環(huán)境敏感因子存在的關鍵問題；利用多平臺多波段對地觀測數(shù)據(jù)，進行陸地、海洋和大氣中對全球變化敏感因子的空間探測新理論、新技術(shù)和新方法的多學科綜合研究，建立面向全球變化科學命題的陸面、海洋和大氣復雜因子的遙感理論基礎和方法論，提出空間探測全球變化現(xiàn)象的前沿技術(shù)模式。圖1為項目的總體學術(shù)思路。

圖1 “空間觀測全球變化敏感因子的機理與方法”項目總體學術(shù)思路框架

2 全球變化敏感因子遙感探測

2.1 遙感可探測性

當前，關于“全球變化敏感因子”一詞未見于文獻，更無明確的概念。該項目將全球變化研究中涉及的主要變量按大氣、海洋和陸地劃分為三類，按照各變量對環(huán)境作用的大小，可將其分為敏感因子和一般因子。將那些對人類活動極為敏感或者具有決定性制約作用的環(huán)境變量（或因子）稱為敏感因子，即“全球變化敏感因子”，英文名稱為“Global Change Sensitive Variables”，縮寫為GCSVs。通過文獻調(diào)研分析、歸納和總結(jié)，創(chuàng)新性地提出了全球變化遙感可探測敏感因子。

大氣敏感因子：可探測因子包括空氣溫度、降雨量、風速和風向；云/水汽；太陽輻射、氣溶膠光學厚度；溫室氣體（CO2、CH4）、臭氧、陸氣碳交換。

海洋敏感因子：遙感可探測的敏感因子包括海表溫度、海面風速、降水強度；海平面高度、海浪、海冰；海表鹽度；海岸線、海岸侵蝕等。遙感間接探測或待發(fā)展的探測敏感因子包括表層海流、洋流、渦旋和內(nèi)部波浪、海洋熱容量；二氧化碳分壓、海水養(yǎng)分、碳物質(zhì)、海洋示蹤物、海水質(zhì)量、海洋污染物。

陸地敏感因子：遙感可探測敏感因子包括地表反照率、地表覆被、生物量、野火分布；河流、湖泊水面、徑流量；土壤濕度、土壤侵蝕；在冰凍圈探測中，可探測因子包括積雪、冰川和冰帽、冰川融化、凍土凍融等。

在上述敏感因子中，大氣可探測敏感因子中的氣溫、降雨量、大氣濕度、云的特點、溫室氣體（CO2、CH4）、臭氧、水蒸氣、風速和風向以及地球輻射平衡、氣溶膠等和海洋遙感可探測因子中的海平面、海浪、海冰、海面風速、海表溫度、海洋狀態(tài)等主要依靠遙感探測的基本全球變化敏感因子。陸地遙感可探測敏感因子中的地表反照率、地表覆被、河流、湖泊水面、生物量、土壤濕度、積雪、冰川和冰帽主要依靠遙感觀測。

2.2 遙感探測方法

通過分析20世紀80年代以來有關全球變化研究的大量文獻資料及國際研究計劃，提出了大氣、海洋和陸地三大類全球變化敏感因子的內(nèi)容，分析了當前的遙感探測能力，為我國全球變化對地觀測研究及其技術(shù)的需求與發(fā)展提供了借鑒。

在大氣敏感因子遙感探測方面，發(fā)展了對氣候變化有重要貢獻的輻射平衡、陸面溫度、水汽、降水量和大氣氣溶膠等的關鍵性因子的空間觀測技術(shù)和機理；探索了采用現(xiàn)有地基觀測資料和空基觀測手段對多傳感器多尺度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行校驗和反演的關鍵性技術(shù)。

在海洋敏感因子遙感探測方面，建立并完善了海洋-大氣耦合系統(tǒng)固有模態(tài)提取的3D-HEM新方法，實現(xiàn)了對全球海平面高度、海洋降雨、海表溫度等固有模態(tài)（全球、區(qū)域或局地顯著的周期性振蕩）的研究。發(fā)展了針對近?；鞚崴w的大氣校正算法，將紅外波段引入到傳統(tǒng)的利用近紅外波段的大氣校正算法中，反演結(jié)果與實測數(shù)據(jù)比較表明，本算法對中國近海二類水體具有較好的適用性。

在陸地敏感因子遙感探測方面，發(fā)展了基于全極化SAR數(shù)據(jù)的積雪分類方法、基于SAR干涉失相干冰川邊界提取方法、基于雷達干涉測量和影像算法的冰川運動速度提取方法、基于雷達干涉凍土形變測量方法、基于高光譜遙感的植被光能利用率探測方法以及湖冰識別的反射率閾值法、溫度閾值法、歸一化差分積雪指數(shù)法和改進的歸一化差分積雪指數(shù)法等。譜、輻射以及理化屬性數(shù)據(jù)的采集等，形成了衛(wèi)星、航空數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)的同步配套成果。

圖2 青藏高原星機地同步觀測實驗示意圖

圖3 環(huán)渤海星機地同步觀測實驗示意圖

在環(huán)渤海綜合觀測實驗區(qū)涉及城市群和海岸帶，獲得了海陸交互帶和人類活動密集區(qū)的衛(wèi)星、航空數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)配套成果。參加實驗的航空傳感器有高分辨率光學-近紅外成像儀、高光譜成像儀、孔徑雷達、差分吸收成像光譜儀和大氣化學柱濃度分析儀、熱紅外成像儀；同步獲取的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)包括ALOS、Aster、Landsat、Radarsat、Hyperion、Meris、ASAR、MISR、AATSR、FY、Calipso、MLS、TES等；地面同步實驗分為定位觀測站的加密觀測和地面樣帶觀測實驗。

3 綜合觀測科學實驗

3.1 星機地立體同步遙感實驗

項目在青藏高原、環(huán)渤海地區(qū)共開展了3次星機地同步觀測實驗，獲得有效數(shù)據(jù)約100TB。獲取了全球變化敏感因子機理和方法研究所需的多平臺、多波段和多尺度陸、海、氣實驗與驗證數(shù)據(jù)（圖2、圖3）。

在青藏高原綜合實驗區(qū)，觀測內(nèi)容涉及冰川、積雪、凍土、高原草甸、冰川湖等。地面觀測項目有角反射器靜態(tài)GPS冰川運動測量、角反射器靜態(tài)GPS和全站儀凍土沉降測量、高精度GPS冰川湖測量以及長江源和黃河源區(qū)的種質(zhì)資源調(diào)查；典型地物光

3.2 全球變暖效應信息模擬系統(tǒng)

完成了全球變暖效應環(huán)境信息模擬科學框架的構(gòu)建及環(huán)境信息模擬原型系統(tǒng)的研發(fā)，開展了全球變化相關因子模擬表達和全球變化現(xiàn)象過程信息模擬的模擬實驗。該系統(tǒng)的科學框架主要有：全球變化效應環(huán)境信息模擬平臺構(gòu)建；全球變化相關因子模擬表達；全球變化表現(xiàn)與影響過程信息模擬；基于全球變化參數(shù)模型的原理與趨勢預測信息模擬。

基于環(huán)境信息模擬原型系統(tǒng)，進行了全球水蒸發(fā)量、全球雪覆蓋、全球陸地表面溫度和全球海面溫度等因子的模擬表達實驗；以黃河三角洲地區(qū)為實驗區(qū)，初步完成了三角洲地區(qū)的海平面上升過程的信息模擬；以青藏高原納木錯地區(qū)為實驗區(qū)，初步完成了青藏高原典型區(qū)冰川-湖泊變化過程模擬。

4 基于空間技術(shù)的若干全球變化認識

本項目的研究結(jié)果顯示，過去幾十年來全球變化敏感因子的時空特征發(fā)生了顯著的變化，并主要表現(xiàn)在人類活動的影響因素和氣候環(huán)境的響應因素兩方面，且充分體現(xiàn)在區(qū)域尺度和全球尺度上。

4.1 南亞黑碳的影響

在區(qū)域尺度上，南亞黑碳的排放及其對大氣增溫和青藏高原冰川加速融化的影響是當前全球變化研究的難點和熱點。項目以長年受西風帶影響的慕士塔格和典型受印度季風影響的藏東南作為關鍵研究區(qū)，發(fā)現(xiàn)來自歐洲—中亞排放的黑碳與來自南亞排放的黑碳在含量變化上存在顯著的季節(jié)差異，前者夏秋季高、冬春季低，而后者冬春季高、夏秋季低，藏東南黑碳含量的季節(jié)變化明顯受南亞大氣棕色云的影響。據(jù)此確定了南亞與歐洲—中亞為青藏高原黑碳的兩大來源貢獻區(qū)，并表明，過去20多年來冬春季節(jié)爆發(fā)的南亞大氣棕色云中的黑碳對加劇冰川的融化有重要影響，并且這種影響隨著冰川表面積雪的融化得到幾倍甚至幾十倍的加強。這為青藏高原冰川加速融化及其區(qū)域差異提供了佐證。

4.2 城市化過程的影響

快速的城市化過程中土地利用格局的變化是人類活動對區(qū)域氣候環(huán)境影響的重要方面。研究顯示，在我國東部城市群過去10—30年快速的城市化過程中土地利用格局，綠色植被分覆蓋度，與城市熱島的時空分布有很強的相關性。特別是在城鄉(xiāng)結(jié)合部，地表溫度的升高明顯強于市中心和遠郊區(qū)。星地集成觀測表明，氣象臺站周邊的城市化足跡可能會使地表溫度觀測的城鄉(xiāng)差值達2.5°C；引入城市模塊的區(qū)域氣候數(shù)值模擬顯示，大規(guī)模城市化具有區(qū)域增溫作用。

4.3 青藏高原冰雪變化

近期的增溫過程引起了區(qū)域尺度的快速響應。以青藏高原為例，研究顯示2000—2009年納木錯湖面開始凍結(jié)的時間越來越晚，平均每年推遲5.5天，湖泊凍結(jié)期縮短；同樣，喜馬拉雅冰川發(fā)生了顯著的退縮，自20世紀70年代以來抗污熱冰川處于大幅度的物質(zhì)虧損狀態(tài)，其中冰川面積減少34.2%，冰面高程平均降低7.5 m，冰儲量（體積）減少48.2%，這表明喜馬拉雅地區(qū)冰川儲量的減小遠比預想的要嚴重得多。相應地，隨著冰川的快速消融，受冰川融水補給的湖泊如納木錯湖自1976—2009年出現(xiàn)了擴張趨勢。

虱長老的宅院在村子里是最好的，院墻下面是粗石砌的，上面是用土夯成，堂屋也是這樣，左右兩側(cè)有廂房。堂屋后面雜草叢生，有半人高，比雜草更高的是榆樹、槐樹和臭椿，到了夏天，樹蔭濃得陽光都融化不了。

4.4 全球物侯變化

在全球尺度上，利用GIMSS AVHRR NDVI數(shù)據(jù)，計算了1982—2006年歐亞大陸的植被返青期、生長盛期、枯萎期、生長季長度等物候參數(shù)。通過時序分析，計算了最近25年的物候變化趨勢，結(jié)果顯示，全球尺度大部分區(qū)域的返青期呈現(xiàn)提前趨勢，但俄羅斯遠東區(qū)域呈推遲趨勢；全球尺度的植被枯黃期呈推遲趨勢；高緯度區(qū)域植被峰值期呈推遲趨勢，而中低緯度區(qū)域呈提前趨勢；全球尺度的植被生長季長度都表現(xiàn)了延長趨勢。此外，還發(fā)現(xiàn)不同植被類型的返青期對5月份溫度變化響應有較大差異。

5 全球變化科學衛(wèi)星和多平臺組網(wǎng)觀測方案研究

5.1 全球變化科學衛(wèi)星

考慮到全球變化觀測的重大需求，提出了全球變化科學衛(wèi)星方案。對衛(wèi)星平臺、傳感器、觀測模式、數(shù)據(jù)產(chǎn)品特點進行分析，同時分析軌道及發(fā)射系統(tǒng)、科學數(shù)據(jù)總量、平臺總功率、平臺GNC精度、設計壽命等。形成包括碳衛(wèi)星、森林生物量衛(wèi)星、氣溶膠衛(wèi)星、森林蓄積量衛(wèi)星、冰川衛(wèi)星、海洋鹽度衛(wèi)星6顆衛(wèi)星子方案和總體方案。

5.2 多平臺組網(wǎng)觀測

基于大氣、海洋與陸地三大類全球變化敏感因子的分析結(jié)果，完成了美國OCO衛(wèi)星及日本GOSAT衛(wèi)星的分析；開展了全球變化科學衛(wèi)星的總體方案和關鍵技術(shù)研究，構(gòu)建了組網(wǎng)觀測方案的演示系統(tǒng)；針對多圈Lambert問題，提出了一種新的基于橫向偏心率矢量的多圈Lambert問題求解算法。提出基于單GPS天線同時實現(xiàn)定軌和定姿的新方法，大大提高了對地觀測衛(wèi)星平臺GNC系統(tǒng)的壽命和可靠性。

提出把月球作為衛(wèi)星平臺觀測全球變化現(xiàn)象的設想。研究基于月球的對地觀測關鍵問題，分析了適于月基觀測的全球變化因子，認為月基觀測可以在地球全球變化現(xiàn)象研究方面具有重要作用；根據(jù)提取的敏感因子，確定出月基對地觀測的最佳波段；確定了月基儀器布設的最佳地點為月球南極；完成月基對地觀測模擬系統(tǒng)的建設，并基于模擬系統(tǒng)開展了月基對地觀測技術(shù)能力的分析，結(jié)果表明利用月基對地觀測可以實施機載、星載傳感器所不能達到的觀測能力，是進行全球變化觀測的有力手段。

6 發(fā)起“全球環(huán)境變化遙感對比研究（ABCC）科學計劃”

在項目研究的同時，拓展了全球變化的研究范圍。選擇澳大利亞、巴西、中國、加拿大4個國家，發(fā)起了以“全球環(huán)境變化遙感對比研究”為題的科學計劃，取4個國家英語名稱第一個字母，簡稱ABCC計劃。主要利用多時相、多尺度、多模式遙感數(shù)據(jù)開展冰雪、植被、氣溶膠和森林碳等全球環(huán)境變化敏感因子的遙感信息提取方法和分析方法，進行典型全球變化現(xiàn)象的南北半球、東西半球的遙感對比研究，用以揭示不同區(qū)域敏感因子的全球變化響應規(guī)律，發(fā)展全球環(huán)境變化遙感方法論?？茖W計劃已取得很好的成效，主題研究內(nèi)容被吸收進全球綜合對地觀測計劃（GEOSS）。

項目針對全球變化敏感因子開展了大量的實驗觀測、機理與方法研究。前4年已發(fā)表論文319篇，其中SCI論文153篇，EI論文98篇，出版專著6部，國際特邀學術(shù)報告33人次，已授權(quán)專利11項，獲得國家自然科學獎1項，發(fā)起國際合作項目1項，培養(yǎng)優(yōu)秀中青年人才4人，博士后5人，博士54人，碩士85人。

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（轉(zhuǎn)至434頁）

Earth Observation for Global Change Sensitive Variables:Mechanisms and Methodologies

Guo Huadong Zhu Langwei
（Institute of Remote Sensing and Digital Earth,ChineseAcademy of Sciences Beijing 100094,China）

Earth observation from space has incomparable advantages for monitoring global change factors if compared with conventional methods.It allows the monitoring at global and regional scale of environmental changes.This is done fast,in real-time and accurately.This paper will present some achievements about the"Earth observation for sensitive factors of global change:mechanisms and methodologies"programme.By far,we have conducted researches on the analysis of global change sensitive factors and their response to spatial-temporal models.Based on spatial observation data,we research on reversion atmospheric model and soil model.Integrated experiences on space-air-ground observation were carried out,and a simulation

*修改稿收到日期：2013年6月26日