为什么要建全球对地观测网?

来源:《自然》   编辑:环境生态气象中心   发布时间:2018-02-28

不同观测领域“各自为政”

  气候变化、水和粮食安全、城市空气污染等这些对环境产生巨大影响的挑战密不可分,但是对它们的研究却各自分开进行。

  地球表面与大气之间的相互作用影响气候、空气质量和水循环。例如,二氧化碳浓度上升会增强光合作用,植物从大气中吸收温室气体,但它们也释放如单萜这样的挥发性有机化合物。这会加速气溶胶颗粒的形成,而这些颗粒会进一步将太阳光反射回太空。此外,人类的活动,比如控制排放政策、城市化和林业等,也会影响大气、陆地和海洋。

  卫星和地面大气站相对独立地对温室气体、生态系统、颗粒物或臭氧进行监测,偶尔集中进行联合观测。但在非洲、东欧、南美洲等全球广大地区,这种联合观测并不常见。

  这就产生了一些毫无意义的杂乱信息,就像试图使用6月份观测到的参差不齐的降水、风、温度、气压等信息,去预测11月份的天气。

  寻找应对策略

  应对之策是建立全球性的对地观测站。

  在全球范围内建立1000个或更多设备齐全的地面站,这些台站的数据将与卫星遥感、实验室实验和计算机模型数据相结合,最终能够全面持续地对环境和关键生态系统进行监测追踪。

  研究人员可以在这些连贯一致的数据集中发现新的机理和反馈回路;决策者可以对政策和其效果进行检验;公司可以进一步开发环境服务业务;这一办法还可以为极端天气、化学事故发生期间以及之后迅速应对提供及时预警。

  专家对建立全球观测站的讨论已持续了十几年,但到目前才变得可行。因为目前设备仪器已经成熟,例如,如今的大气质谱仪可以一次测量数千种大气中的化学物质。马尔库教授的团队及其合作者已经展示了一套生态系统大气关系测量站(SMEAR II)是如何在芬兰北方森林中对环境进行监测的。

  综合并扩大空间-地面监测的区域性举措已足以在全球推广类似台站,如PEEX(泛欧亚科学实验计划)、DBAR(数字丝路国际科学计划)等。世界气象组织(WMO)正在采取措施建立一个全球观象台。目前,紧迫的任务是,2020年以后的碳排放量必须要降下来,这项任务十分艰巨,要求大规模转变环境数据的收集和分发方式。

  建立一个综合观测网

  地面站覆盖不全是全球观测的主要障碍。卫星可以连续监测几乎整个地球范围的大气化合物,如二氧化碳、臭氧和气溶胶等。但卫星不能解决这些化合物的通量观测问题,不能更有针对性地监测数百或更多化合物。卫星数据必须通过地面实况和模式来检验其精确性。

  虽然现在的地面站网络已经建立,但是没有整体布局。每个学科或团队均以自身目的为出发点设计和建立地面站;温室气体、大气化学物、生态系统等可在不同地点进行监测;出资机构更关注各自国家的利益。

  而SMEAR II站采取更加综合的方法,使用最先进的大气质谱仪、云雷达和激光雷达(光探测和测距仪),对温室气体、痕量气体气溶胶以及光合作用、土壤温度、湿度和养分梯度的指标等1000多个变量进行监测。

  目前,面临的挑战是如何吸收当地的专业技术,在全球建立类似的观测站。初期,最好在全球三个覆盖范围稀少的地区以及大城市选址建站。

  在热点地区建站

  俄罗斯和哈萨克斯坦等国家是全球气候变化的关键“实验室”。这些国家的矿产、石油和天然气储量丰富:西伯利亚含有的天然气潜在储量占俄罗斯总量的85%,煤炭储量占75%,石油储量占65%。

  气候变化正在快速改变这些地区的环境,许多问题我们依然不知。例如,永冻土消失的速率有多快?北极绿化(冰雪融化所致)会固碳还是产生气溶胶?甲烷排放量急剧增加是否会加剧全球变暖?

  在这个区域,研究者需要测量气溶胶、温室气体(二氧化碳和甲烷等)以及其他微量气体(挥发性有机化合物、氮氧化合物、臭氧、二氧化硫、一氧化碳和氨气等)。目前,有两个气象站已经开始扩大观测范围,一个是俄罗斯东部勒拿河区域的季克西水文气象观测站,一个是西伯利亚西南部的佐提诺高塔观测站。在理想状态下,覆盖此区域大约需要30个综合气象站,相互间隔1000公里。

  非洲——

  非洲大陆的人口正在迅速增加,自1987年以来已经翻倍,在2015年达到12亿。同时,曾经肥沃的区域已经变得干旱,对水和食物的供应提出挑战,这就需要新的对策来储蓄雨水,维持土壤水分。因此,需要更好地理解水和其他的生物地球化学循环。但是,非洲的气象监测站主要用于短期碳汇和碳源观测以及空气质量监测。

  在非洲至少需要建立30个观测站,在雨林、热带草原和半荒漠化地区等与食物和水源相关的主要生态系统至少需要各建立一个观测站。最佳地点的选择应该得到当地机构和科学家的认可。在非洲设立分支机构的联合国组织、开发银行和私人基金会也应提供支持。

  南美洲——

  亚马逊流域幅员辽阔,对全球碳循环和水循环具有重要作用,是气象监测的一个关键位置。该区域形成了一套自己的气候系统,并且由于农业扩张和森林砍伐等影响在不断变化。气候变化加上人类活动的扰动将影响碳储量和水循环。但现在没有什么可用的资料,也没有综合观测数据。只有巴西马瑙斯东北150公里处的亚马逊高塔观测站正在扩大观测范围,持续收集数据。

  南美洲至少需要20个观测站,其中7个位于巴西亚马逊州区域。

  城市——

  在全球范围内,城市区域正在不断扩大。1970年后城市人口增加了两倍,55%以上的人口生活在城市。获取更好的空气质量数据迫在眉睫。目前,在城市的观测站点一般可获取15种大气观测要素,但数据质量往往很差。

  世界上有30座以上的大城市人口已超过千万,数百座城市人口超过百万。每一个大城市都应该配备至少一个综合观象台和一套地方观测站点。全球市长论坛和G20国家应该把建立全球观象台列入日程。

  成本效益

  全球观象台网络应该由1000个超级观测站组成,并且在10年至15年内建成。每个超级观测站的建造成本大约在1000万至2000万欧元,总共需要100亿至200亿欧元。这个成本大致与在瑞士日内瓦附近建造大型强子对撞机或美国总统特朗普提议建造的墨西哥墙的成本相当。

  观测站应采取模块化方法进行建造或升级。例如,不同模块监测的对象可以瞄准大气化学、微气象学和土壤化学等。每个模块将花费50万至200万欧元的建造和安装费用,而每年的维护费用将在此基础上增加3%到6%。

  此外,气象相关的仪器设备需要调节、校准和标准化,并且随着技术进步而不断升级。信息必须可靠并保持开放,因此需要将数据共享考虑进来。科学家需要分析数据、开发产品,并最终交到用户手中。

  现有的观测网络和机构要起到协调作用,包括泛欧亚科学实验计划(PEEX),“数字丝路”国际科学计划(DBAR)和全球通量观测研究网络(FLUXNET)等科学项目;WMO和未来地球等全球性组织;全球私人基金会和公司;政府和联合国机构等。

  与此同时,要打通综合碳观测系统(ICOS),WMO的全球大气观测网,气溶胶、云与微量气体研究基础设施网络(ACTRIS),欧洲长期生态系统研究(LTER)等辅助基础设施之间的数据交换通道,目前,欧洲已开始做这项工作。此外,观测网应该在其他大陆建立联合站点,特别是在前面提到的热点地区。

  一旦建立了全球观测网络,就锻造出了一把利器,借此可以理解地球系统的运作机制。

  作者为国际大气科学领域著名科学家、赫尔辛基大学大气和环境物理实验室主任马尔库.库尔玛拉教授。