空间观测全球变化敏感因子的机理与方法＊

文/郭华东 朱岚巍

中国科学院遥感与数字地球研究所北京100094

空间观测全球变化敏感因子的机理与方法＊

文/郭华东 朱岚巍

中国科学院遥感与数字地球研究所北京100094

空间对地观测技术可快速、实时、动态、准确地监测全球和区域尺度的环境变化现象，“973”计划“空间观测全球变化敏感因子的机理与方法”是针对全球空间技术研究的项目。项目开展了全球变化敏感因子分析及空间响应模式研究；进行了遥感物理模型与大气、陆气、海气因子变化的地学过程研究，并研究全球变化对地观测敏感信息精确反演机理和方法；研究了多平台空间观测的模式优化和多遥感器联动观测理论与方法；开展了星-机-地多平台综合遥感实验，建立了全球变化区域影响研究的空间信息模拟平台，提出了全球变化科学卫星方案，取得系列全球变化空间研究的发现与认识。

空间观测，全球变化，敏感因子，机理，方法

DOI 10.3969/j.issn.1000-3045.2013.04.014

1 前言

人类正面临全球环境变化的巨大挑战，空间对地观测技术的宏观、客观、准确观测特点，使之成为研究全球变化的有利手段。但是，面对复杂的地球表面现象和动态变化过程，空间对地观测技术如何进行有效的观测，是尚未解决的科学难题。需凝练科学问题，凝聚科学目标，开展并解决系列理论与方法问题，以使空间对地观测技术为全球变化研究做出更大贡献。

国家“973”计划“空间观测全球变化敏感因子的机理与方法”就是针对全球变化空间技术研究的项目。项目由中科院对地观测与数字地球科学中心、青藏高原所、大气物理所、上海技术物理所，武汉大学，中国海洋大学，北京航空航天大学联合开展研究。项目的总体目标为，通过多学科交叉研究，突破空间观测全球变化环境敏感因子存在的关键问题；利用多平台多波段对地观测数据，进行陆地、海洋和大气中对全球变化敏感因子的空间探测新理论、新技术和新方法的多学科综合研究，建立面向全球变化科学命题的陆面、海洋和大气复杂因子的遥感理论基础和方法论，提出空间探测全球变化现象的前沿技术模式。图1为项目的总体学术思路。

图1 “空间观测全球变化敏感因子的机理与方法”项目总体学术思路框架

2 全球变化敏感因子遥感探测

2.1 遥感可探测性

当前，关于“全球变化敏感因子”一词未见于文献，更无明确的概念。该项目将全球变化研究中涉及的主要变量按大气、海洋和陆地划分为三类，按照各变量对环境作用的大小，可将其分为敏感因子和一般因子。将那些对人类活动极为敏感或者具有决定性制约作用的环境变量（或因子）称为敏感因子，即“全球变化敏感因子”，英文名称为“Global Change Sensitive Variables”，缩写为GCSVs。通过文献调研分析、归纳和总结，创新性地提出了全球变化遥感可探测敏感因子。

大气敏感因子：可探测因子包括空气温度、降雨量、风速和风向；云/水汽；太阳辐射、气溶胶光学厚度；温室气体（CO2、CH4）、臭氧、陆气碳交换。

海洋敏感因子：遥感可探测的敏感因子包括海表温度、海面风速、降水强度；海平面高度、海浪、海冰；海表盐度；海岸线、海岸侵蚀等。遥感间接探测或待发展的探测敏感因子包括表层海流、洋流、涡旋和内部波浪、海洋热容量；二氧化碳分压、海水养分、碳物质、海洋示踪物、海水质量、海洋污染物。

陆地敏感因子：遥感可探测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、径流量；土壤湿度、土壤侵蚀；在冰冻圈探测中，可探测因子包括积雪、冰川和冰帽、冰川融化、冻土冻融等。

在上述敏感因子中，大气可探测敏感因子中的气温、降雨量、大气湿度、云的特点、温室气体（CO2、CH4）、臭氧、水蒸气、风速和风向以及地球辐射平衡、气溶胶等和海洋遥感可探测因子中的海平面、海浪、海冰、海面风速、海表温度、海洋状态等主要依靠遥感探测的基本全球变化敏感因子。陆地遥感可探测敏感因子中的地表反照率、地表覆被、河流、湖泊水面、生物量、土壤湿度、积雪、冰川和冰帽主要依靠遥感观测。

2.2 遥感探测方法

通过分析20世纪80年代以来有关全球变化研究的大量文献资料及国际研究计划，提出了大气、海洋和陆地三大类全球变化敏感因子的内容，分析了当前的遥感探测能力，为我国全球变化对地观测研究及其技术的需求与发展提供了借鉴。

在大气敏感因子遥感探测方面，发展了对气候变化有重要贡献的辐射平衡、陆面温度、水汽、降水量和大气气溶胶等的关键性因子的空间观测技术和机理；探索了采用现有地基观测资料和空基观测手段对多传感器多尺度卫星遥感数据进行校验和反演的关键性技术。

在海洋敏感因子遥感探测方面，建立并完善了海洋-大气耦合系统固有模态提取的3D-HEM新方法，实现了对全球海平面高度、海洋降雨、海表温度等固有模态（全球、区域或局地显著的周期性振荡）的研究。发展了针对近海混浊水体的大气校正算法，将红外波段引入到传统的利用近红外波段的大气校正算法中，反演结果与实测数据比较表明，本算法对中国近海二类水体具有较好的适用性。

在陆地敏感因子遥感探测方面，发展了基于全极化SAR数据的积雪分类方法、基于SAR干涉失相干冰川边界提取方法、基于雷达干涉测量和影像算法的冰川运动速度提取方法、基于雷达干涉冻土形变测量方法、基于高光谱遥感的植被光能利用率探测方法以及湖冰识别的反射率阈值法、温度阈值法、归一化差分积雪指数法和改进的归一化差分积雪指数法等。谱、辐射以及理化属性数据的采集等，形成了卫星、航空数据和地面数据的同步配套成果。

图2 青藏高原星机地同步观测实验示意图

图3 环渤海星机地同步观测实验示意图

在环渤海综合观测实验区涉及城市群和海岸带，获得了海陆交互带和人类活动密集区的卫星、航空数据和地面数据配套成果。参加实验的航空传感器有高分辨率光学-近红外成像仪、高光谱成像仪、孔径雷达、差分吸收成像光谱仪和大气化学柱浓度分析仪、热红外成像仪；同步获取的卫星遥感数据包括ALOS、Aster、Landsat、Radarsat、Hyperion、Meris、ASAR、MISR、AATSR、FY、Calipso、MLS、TES等；地面同步实验分为定位观测站的加密观测和地面样带观测实验。

3 综合观测科学实验

3.1 星机地立体同步遥感实验

项目在青藏高原、环渤海地区共开展了3次星机地同步观测实验，获得有效数据约100TB。获取了全球变化敏感因子机理和方法研究所需的多平台、多波段和多尺度陆、海、气实验与验证数据（图2、图3）。

在青藏高原综合实验区，观测内容涉及冰川、积雪、冻土、高原草甸、冰川湖等。地面观测项目有角反射器静态GPS冰川运动测量、角反射器静态GPS和全站仪冻土沉降测量、高精度GPS冰川湖测量以及长江源和黄河源区的种质资源调查；典型地物光

3.2 全球变暖效应信息模拟系统

完成了全球变暖效应环境信息模拟科学框架的构建及环境信息模拟原型系统的研发，开展了全球变化相关因子模拟表达和全球变化现象过程信息模拟的模拟实验。该系统的科学框架主要有：全球变化效应环境信息模拟平台构建；全球变化相关因子模拟表达；全球变化表现与影响过程信息模拟；基于全球变化参数模型的原理与趋势预测信息模拟。

基于环境信息模拟原型系统，进行了全球水蒸发量、全球雪覆盖、全球陆地表面温度和全球海面温度等因子的模拟表达实验；以黄河三角洲地区为实验区，初步完成了三角洲地区的海平面上升过程的信息模拟；以青藏高原纳木错地区为实验区，初步完成了青藏高原典型区冰川-湖泊变化过程模拟。

4 基于空间技术的若干全球变化认识

本项目的研究结果显示，过去几十年来全球变化敏感因子的时空特征发生了显著的变化，并主要表现在人类活动的影响因素和气候环境的响应因素两方面，且充分体现在区域尺度和全球尺度上。

4.1 南亚黑碳的影响

在区域尺度上，南亚黑碳的排放及其对大气增温和青藏高原冰川加速融化的影响是当前全球变化研究的难点和热点。项目以长年受西风带影响的慕士塔格和典型受印度季风影响的藏东南作为关键研究区，发现来自欧洲—中亚排放的黑碳与来自南亚排放的黑碳在含量变化上存在显著的季节差异，前者夏秋季高、冬春季低，而后者冬春季高、夏秋季低，藏东南黑碳含量的季节变化明显受南亚大气棕色云的影响。据此确定了南亚与欧洲—中亚为青藏高原黑碳的两大来源贡献区，并表明，过去20多年来冬春季节爆发的南亚大气棕色云中的黑碳对加剧冰川的融化有重要影响，并且这种影响随着冰川表面积雪的融化得到几倍甚至几十倍的加强。这为青藏高原冰川加速融化及其区域差异提供了佐证。

4.2 城市化过程的影响

快速的城市化过程中土地利用格局的变化是人类活动对区域气候环境影响的重要方面。研究显示，在我国东部城市群过去10—30年快速的城市化过程中土地利用格局，绿色植被分覆盖度，与城市热岛的时空分布有很强的相关性。特别是在城乡结合部，地表温度的升高明显强于市中心和远郊区。星地集成观测表明，气象台站周边的城市化足迹可能会使地表温度观测的城乡差值达2.5°C；引入城市模块的区域气候数值模拟显示，大规模城市化具有区域增温作用。

4.3 青藏高原冰雪变化

近期的增温过程引起了区域尺度的快速响应。以青藏高原为例，研究显示2000—2009年纳木错湖面开始冻结的时间越来越晚，平均每年推迟5.5天，湖泊冻结期缩短；同样，喜马拉雅冰川发生了显著的退缩，自20世纪70年代以来抗污热冰川处于大幅度的物质亏损状态，其中冰川面积减少34.2%，冰面高程平均降低7.5 m，冰储量（体积）减少48.2%，这表明喜马拉雅地区冰川储量的减小远比预想的要严重得多。相应地，随着冰川的快速消融，受冰川融水补给的湖泊如纳木错湖自1976—2009年出现了扩张趋势。

虱长老的宅院在村子里是最好的，院墙下面是粗石砌的，上面是用土夯成，堂屋也是这样，左右两侧有厢房。堂屋后面杂草丛生，有半人高，比杂草更高的是榆树、槐树和臭椿，到了夏天，树荫浓得阳光都融化不了。

4.4 全球物侯变化

在全球尺度上，利用GIMSS AVHRR NDVI数据，计算了1982—2006年欧亚大陆的植被返青期、生长盛期、枯萎期、生长季长度等物候参数。通过时序分析，计算了最近25年的物候变化趋势，结果显示，全球尺度大部分区域的返青期呈现提前趋势，但俄罗斯远东区域呈推迟趋势；全球尺度的植被枯黄期呈推迟趋势；高纬度区域植被峰值期呈推迟趋势，而中低纬度区域呈提前趋势；全球尺度的植被生长季长度都表现了延长趋势。此外，还发现不同植被类型的返青期对5月份温度变化响应有较大差异。

5 全球变化科学卫星和多平台组网观测方案研究

5.1 全球变化科学卫星

考虑到全球变化观测的重大需求，提出了全球变化科学卫星方案。对卫星平台、传感器、观测模式、数据产品特点进行分析，同时分析轨道及发射系统、科学数据总量、平台总功率、平台GNC精度、设计寿命等。形成包括碳卫星、森林生物量卫星、气溶胶卫星、森林蓄积量卫星、冰川卫星、海洋盐度卫星6颗卫星子方案和总体方案。

5.2 多平台组网观测

基于大气、海洋与陆地三大类全球变化敏感因子的分析结果，完成了美国OCO卫星及日本GOSAT卫星的分析；开展了全球变化科学卫星的总体方案和关键技术研究，构建了组网观测方案的演示系统；针对多圈Lambert问题，提出了一种新的基于横向偏心率矢量的多圈Lambert问题求解算法。提出基于单GPS天线同时实现定轨和定姿的新方法，大大提高了对地观测卫星平台GNC系统的寿命和可靠性。

提出把月球作为卫星平台观测全球变化现象的设想。研究基于月球的对地观测关键问题，分析了适于月基观测的全球变化因子，认为月基观测可以在地球全球变化现象研究方面具有重要作用；根据提取的敏感因子，确定出月基对地观测的最佳波段；确定了月基仪器布设的最佳地点为月球南极；完成月基对地观测模拟系统的建设，并基于模拟系统开展了月基对地观测技术能力的分析，结果表明利用月基对地观测可以实施机载、星载传感器所不能达到的观测能力，是进行全球变化观测的有力手段。

6 发起“全球环境变化遥感对比研究（ABCC）科学计划”

在项目研究的同时，拓展了全球变化的研究范围。选择澳大利亚、巴西、中国、加拿大4个国家，发起了以“全球环境变化遥感对比研究”为题的科学计划，取4个国家英语名称第一个字母，简称ABCC计划。主要利用多时相、多尺度、多模式遥感数据开展冰雪、植被、气溶胶和森林碳等全球环境变化敏感因子的遥感信息提取方法和分析方法，进行典型全球变化现象的南北半球、东西半球的遥感对比研究，用以揭示不同区域敏感因子的全球变化响应规律，发展全球环境变化遥感方法论。科学计划已取得很好的成效，主题研究内容被吸收进全球综合对地观测计划（GEOSS）。

项目针对全球变化敏感因子开展了大量的实验观测、机理与方法研究。前4年已发表论文319篇，其中SCI论文153篇，EI论文98篇，出版专著6部，国际特邀学术报告33人次，已授权专利11项，获得国家自然科学奖1项，发起国际合作项目1项，培养优秀中青年人才4人，博士后5人，博士54人，硕士85人。

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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