遥感与地球系统科学

地球本身是一个系统,地球科学的各领域并不是独立的,而是相辅相成的,而遥感技术为我们提供了更广阔的视角来观测地球…

遥感与地球系统科学
来源:中国数字科技馆
(文/施建成、雷永荟 中科院遥感地球所)

地球作为一个高度复杂的非线性系统,大气海洋陆地、生物、冰雪圈、固体地球以及人类活动等任何地球系统组成成份的变化,都会引起地球系统的变化。人类可持续发展面临的巨大科学挑战之一是认识人类赖以生存的、复杂变化的地球系统,认识地球系统如何变化及主要驱动因素,认识地球系统未来变化趋势及如何提高对全球变化的适应过程。

卫星独特的全球覆盖和日尺度的观测改变了地球科学的研究方法,在全球范围应对气候变化、能源和环境挑战具有重要作用。地球系统科学(全球变化)研究,核心是认识驱动地球系统的关键循环过程(如能量、水、生物化学循环)。卫星观测能够探测多时空尺度上的动力过程,然而地球系统科学(全球变化)研究强调长期稳定、准确性较高的卫星观测数据。以水循环为例,卫星遥感具备获取全球范围水循环关键参数能力,但是整体精确性受到综合化的可靠空间数据集的限制,存在系统性综合观测能力不足的问题。目前我国正在积极研制发展新型水循环卫星(WCOM),并寄希望以此为核心传感器发起全球分布式水循环观测星座系统,进一步提高我国在国际水循环观测与地球系统科学研究方面的话语权与领先能力。

地球系统科学的概念

地球系统指相互作用的大气、海洋、陆地、生物(包括人类)、冰雪圈、固体地球,是一个复杂的、不断变化的系统。地球系统科学是一门既古老又年轻的学科。地球科学从人类探索居住的空间开始,直到19世纪形成以气象学、海洋学、地质学等分支学科体系。到20世纪30年代专业分支越加精细(如气象、水文、地质、地貌、植物、土壤、环境、城市与人文地理等)。随着定量化研究的深入,到60年代人们发现细分的学科有紧密的联系,需要用综合的方式研究地学。到80年代中期地球系统科学作为传统地学的衍生学科应运而生。地球科学家逐渐意识到地球作为一个高度复杂的非线性系统,各圈层尤其是人类活动等任何组成成份的变化,都会引起地球系统的变化。

地球系统科学的核心科学问题

地球系统科学的研究内容围绕回答地球系统将怎样发展演化这一核心科学问题(Mackenzie and Mackenzie 1998)。人类可持续发展面临的巨大科学挑战之一是认识人类赖以生存的、复杂变化的地球系统,认识地球系统变化对生物的影响,以及人类活动如何改变地球系统对生物的影响。

当前最热门的地球系统科学问题是全球变化(Myhre, Shindell et al. 2013),准确量化来自自然和人类的地球系统变化驱动力,由此来研究、发现气候和生态系统的变化趋势,并识别其变化模式。在全球变化背景下,以地球系统科学的视野,抓住驱动地球系统的关键循环过程(三大循环系统:水循环、能量循环、碳循环)是当前地球科学研究中一个全新的发展思路。

关注地球系统中的关键循环过程,例如以水循环为例,它是综合和联系大气、水文、生态等各种传统学科的桥梁,有望实现正确地球系统模拟、改进地球系统各组份模型(如天气、气候、水文、生态等)的预测和预报能力,促进地球系统科学和全球变化研究有突破性进展的关键步骤。地球系统科学创新在于机制探索,从原始数据到科学解释,揭示地球系统演化、运行的机制,探索机理成为了主线。

遥感与对地观测系统的发展及展望

地球系统科学以及全球变化问题的研究和应用与日俱增,对地球系统开展地面和卫星观测发挥着至关重要的作用。美国20世纪80年代中期首先提出并实施了对地观测系统(Earth Observing System, EOS)计划,对陆地、海洋、大气层、冰以及生物间的相互作用进行系统化的综合观测。NASA于2000年公布了“地球科学事业战略计划”(ESE),旨在观测、描述、了解和预测地球系统变化,以提高人类对天气、气候、灾害的预测和预报能力。欧洲空间局则以地球遥感卫星(ERS-1/2)以及环境卫星(Envisat)占据对地观测先进技术行列,以生存行星计划(The Living Planet Programme)促进地球科学进步。发展中国家如印度,也非常重视对地观测技术的发展,随着其资源和气象卫星的发射并稳定地提供数据,其对地观测技术发展和应用水平得到了相当高程度的认可。国际地球观测组织(GEO)也发起了全球综合地球观测系统计划(GEOSS),在未来十到二十年,各国空间地球科学任务的核心仍然围绕气候变化研究和监测。

最早的卫星观测主要用于改进天气预报。在1960和1970年代,预报员利用卫星可见光和红外云图做短期预报。在1980和1990年代直到今天,随着资料同化技术的发展,卫星数据在数值模式中的应用数据类型和数据量越来越多。由于卫星观测使得我们对大气的理解显著提高,观测数据大量应用于天气预报模式,这些使得天气预报大为改善(Hollingsworth, Uppala et al. 2005, Bauer, Thorpe et al. 2015)。

天气预报是地球系统科学和应用的成功范例,揭示了现有的观测和信息系统中包括的三个关键要素:1)观测系统生产信息;2)及时和连续的信息分析、模拟和预测;3)根据信息分析和预测结果制定应对措施的决策过程。

我国在对地观测领域已拥有气象、海洋、环境和灾害监测卫星(系列)、高分(系列)以及中长期发展规划,已建成我国自主的陆地、大气、海洋先进对地观测系统。根据发展规划,到2020年我国空间地球观测与其他观测手段相结合,将形成全天候、全天时、全球覆盖的对地观测能力,为现代农业、防灾减灾、资源环境、公共安全等重大领域提供服务和决策支持,确保信息资源自主权,形成空间信息产业链。依托地球观测卫星委员会(CEOS)和世界气象组织(WMO)等国际合作的框架,对科学计划和任务进行优化,完善地球观测和模拟系统,包括发展新的观测手段、数据分析和模拟方法,是我国地球系统科学研究的一项长期和艰巨的挑战。

中国科学院遥感与数字地球所遥感科学国家重点实验室施建成主任作为我国第一颗对地观测科学卫星的首席科学家,带领团队正在积极研制发展新型水循环卫星(WCOM),并寄希望以此为核心传感器发起全球分布式水循环观测星座系统,进一步提高我国在国际水循环观测与研究方面的话语权与领先能力。

论文链接:遥感学报

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