用科技改善地球环境

徐芳芳

雾霾是雾和霾的组合词，雾霾天气不仅制约了社会经济的可持续发展，也威胁到民众的身体健康和正常生活。正当人们在寻找防治雾霾的良方时，中科院资源与环境国家重点实验室和加拿大Eco-Logic Systems Inc.股份有限公司开展联合攻关，研发空气质量预报预警与污染源追踪同化系统软件（PollutantsTracker）。这是一个具有环境空气质量预报功能以及大气化学成分分析功能的系统软件，不仅能精准预报分辨率达1公里、小时步长未来7天空气质量状况，而且能诊断二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、PM2.5、PM10等国家要求监测的6种大气污染物污染来源和二次大气化学反应对大气灰霾的贡献率，为政府治理大气污染、提升环境空气质量的决策制定提供科学支撑，也为广大市民出行提供参考。

提到空气质量多模式集合预报预警系统，不得不了解这个项目的负责人——中国科学院地理科学与资源研究所创新基地研究员陈报章。陈报章研发团队还研发并维护一个能够预报未来一周全国空气质量的模型系统，实时发布覆盖全国所有地级市以上城市的未来7天的空气质量预报结果（网址为：h t t p：//w w w .pollutantstracker.com/introduction.htmlnet）。

砺炼铸就成功

1981年，陈报章考取李四光任第一任院长的长春地质学院（现吉林大学），4年的学习锻炼不仅丰富了陈报章的学识，而且在李四光精神的浸染下，勇于吃苦耐劳深深植根于心。1985年，陈报章凭借扎实的基础、以优异的成绩被同济大学录取，开启了他的研究生涯。8年的历练使他由“素材型”人才转型为专业人才，他采用植硅体分析技术，发现了河南舞阳贾湖8000年前人工栽培梗稻。这一发现比之前学术界公认的浙江河姆渡最早人类栽培稻提前了1000余年，并把稻作起源地向北推进了一个维度，同时他也因此对农作物与环境的关系研究产生了浓厚的兴趣。1999年他获得中国矿业大学理学博士学位，凭着对事业的更高追求他决定到更加广阔的空间去学习。

2000年，陈报章来到加拿大自然资源部太平洋地球科学研究中心。他最初的想法是“研究北美洲的农业起源、环境考古”，在研究中他发现玉米起源于中美洲，是北美历史中唯一记载完整的农作物，但单一的研究对象和简短的农耕历史并不是开展农业起源和环境考古研究的理想之地。放弃？开弓哪有回头箭。在学生时养成的坚毅、不服输的性格让他选择了挑战“恐惧”。在探索中他发现北美洲复杂的气候环境不仅对农作物，而且对整個生态环境都有影响，他从古生态学开始，一步步走向全球变化生态学，一路走来，视野的转变令他走上了一条从未触及的崭新的探索之路。

近几年全球温室效应加剧，其中二氧化碳是地球温室效应的主要元凶，敏锐地捕捉到这一变化的陈报章正与北美、欧洲等发达国家及地区的研究热点不谋而合。从碳循环与下垫面变化的定量关系研究上开始，他构建一个基于遥感资料的陆面过程模型（EASS），耦合陆面生态过程与大气传输过程，从不同的植被类型变化、植被生长状况变化、地表能量水分平衡变化等多个层面研究陆表碳交换及其在大气循环中的运移规律，基于大气二氧化碳浓度数据反演陆表碳交换量。他直接参与了北美高塔和通量网的建设、TRANSCOM大气反演与北美碳同化系统（即碳示踪器）的研发工作，作为骨干成员他参与完成了加拿大NSERC、CFCAS资助的多项重大科研项目，2007年受聘为加拿大昆特兰理工大学地理地质系教授。

破釜沉舟的选择

10多年的不懈努力与奋斗，让陈报章收获了硕果。在加拿大昆特兰理工大学的课堂上有他传授知识的身影，在他独立的实验室内他指导学生进行研究探索，所取得的骄人成绩让他赢得了来自多方的赞誉，进入了当地主流社会。在别人眼里他是一名成功的学者，然而成功的背后总伴着淡淡的乡愁，思乡之情无时无刻不萦绕在他的脑海里。“参与国家的科技发展，为自己的国家做些事”成为他心中最强音。在加拿大一所大学工作的妻子首先反对，回国不是一句话，这意味着放弃10多年的所有努力，一切又将从头开始，面对妻子的反对，陈报章陷入两难的境地。一边是祖国的爱，一边是家庭的情，哪一边他都无法割舍，这让他夜不能寐，食不知味。默默看着这一切的妻子终于坚持不住，主动提出回国。2009年的一天，陈报章把车子锁进车库，匆忙请朋友临时照看房子，就悄然回到了祖国，因为他怕稍有迟疑会被各种原由说服而改变主意。

陈报章是幸运的，2010年中科院启动了“战略性先导科技专项”。陈报章参与的“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”专项（A类）是首期启动4个A类专项中的一个，加之中科院开放的研究平台和宽松的科研环境，令带着研究想法回国的陈报章更加信心百倍。他迅速组建了以青年科学家为主体的科研团队，并全身心投入模型算法测试、实验验证等核心研究工作中，一天工作17个小时，对他来说是常态。在中国已经超过美国而成为世界碳排放第一大国、承受巨大减排压力的严峻形势下，他清楚“碳循环”研究关乎国家利益。如何施展自己在这方面的研究长项，尽快研究出与国际同步的“碳”同化监测系统，为国家应对气候变化决策和政府间谈判提供科学支撑，并通过国际学术界让世界认识到中国在研究“碳”排放控制方面的不懈努力是陈报章的目标，他要尽快出成果不负祖国的期待。

4年结出硕果

实现与全球同步的碳源汇动态模拟分析与监测系统平台是陈报章的目标，要与国际接轨，在研究过程中就要向世界看齐，面对我国“碳”研究起步晚的现状，陈报章清楚前方还有很长的路要走，他必须快马加鞭。4年来，他围绕地球表层系统模型构建与优化、数据—模型同化、定量遥感和碳循环等方面积极展开研究，构建了多个数值模型，改变了以往从静态、单一的定量方法研究地球表层系统，转为用动态、系统集成的研究方法和技术，并有效地应用于陆地生态系统碳循环和全球变化的研究中，特别是碳循环中关键过程的研究。在不懈的努力下，团队取得了一系列属国际国内前沿的研究成果，基本达到了预期目标，尝到成功的喜悦，收获了硕果：

首先，进一步完善了集成动态陆面过程模型。这是国际上最新一代多尺度、多源数据融合的集成陆面过程模型。“在区域和全球尺度上直接、精细地模拟生态系统的‘碳循环过程。”陈报章在他留学加拿大期间研发的基于遥感的陆面过程模型（EASS）的基础上，进一步吸纳国际上一些著名陆面模型的先进模块算法，比如CLASS-CN的碳氮模块、CLM的城市模块和CTEM和LPJ的动态植被模块等先进模拟技术和方法，进一步发展成集成动态陆面过程模型（DLM）。首次把树冠簇团指数引入陆面过程模型中，提高了陆地表层与大气之间的能量、物质（包括水、碳、氮等）交换过程的模拟精度。目前这个模型已被加拿大、美国和欧洲许多研究人员用于陆地生态系统碳、水、能量循环、陆面格局与变化规律以及定量估算各种尺度的陆地表层碳源汇分布的研究中。

其次，研发出我国首个高时空分辨率碳同化反演系统——中科院碳追踪同化系统（CarbonTraker-China，CAS）。这是继美国航空航天局和欧盟之后全球第3个完整的全球尺度嵌套式碳同化系统。在研发过程中，陈报章发现已有的碳同化模型没有实现与陆面生态系统模型的耦合，这样不能把同化反演的碳通量同步反馈到陆地生态系统模型中，进而无法对陆地生态系统模型中的关键参数进行优化。陈报章开始尝试将生态系统模型中的光合和呼吸过程与大气反演模型间实现耦合。改进后的中国碳同化反演系统，具备分析我国区域陆地生态系统在每个网格单元上碳源汇时空动态分布情况、探讨其变化趋势和驱动机制的能力。“中国碳追踪器已经实现了在国家卫星气象中心准业务化运行，我国于2016年12月成功发射了碳卫星（TanSAT），目前，我们正在与国家卫星气象中心科研人员一道，协同攻关，实现该系统的业务化运行；此外，我所撰写的我国第一部碳同化方面的专著《中国碳同化系统及其应用研究》由科学出版社纳入国家出版基金资助，已于2015年11月出版发行。”陈报章欣喜地告诉记者。

第三，构建了温室气体通量和浓度足迹（footprint）模型。这个模型在空间异质性分析、评估、尺度扩展和如何合理解释全球通量网观测资料等方面的研究中发挥了重要作用。这方面的成果在remote sensing of environment、agriculture and forest meteorology等国外著名杂志上发表后，受到广泛关注，该方法被加拿大碳项目（CCP：Canadian Carbon Program）确定为各观测站的常规评估方法。

第四，研发出我国第一台多角度自动光谱监测仪，并应用于“黑河综合遥感联合试验（HiWATER）”的研究中。这个自动多角度光谱系统可以实现不间断获取高光谱观测数据，并可以根据研究需要，设置与不同卫星一致的观测角度，以达到地面连续观测数据与间断过境的卫星影像数据的高度一致，达到星—地一体的协同观测，为地表过程的尺度扩展研究提供了有效手段。在国际上，首次把改造的多角度自动光谱观测系统应用于农作物的研究中。目前，这套自动观测仪被应用于我国森林、城市绿地等不同生态系统的研究中。

第五，研发出我国灰霾预报预警系统——空气质量预报预警与污染源追踪同化软件系统。雾霾多发生在冬季静稳的天气条件下，如果把雾霾作为一种污染物来追踪预测是否可行？陈报章吸取了国际通用的气候与大气污染模式（WRF/CMAQ模式）和大气化学模式（WRF/Chem模式）中先进的理念，以此为框架把大气联网监测数据通过多源卫星遥感反演模式推送到大气化学多模式传输系统进行快速数据同化分析，实现对雾霾72小时的实时预报与污染源追踪。但是陈报章仍觉得不完善，为实现高精度的污染物和排放源强度预报，他要把误差缩小到20%？15%范围内，于是追踪技术和二次化学反应分析技术被引入其中，对污染物排放和分布情况进行实时监测、追踪和预报分析，以此来揭示当地空气质量问题发生的原因及其变化规律，最终实现能及时发现污染物分布情况，精准追踪污染物排放源头，为政府治理污染和大气环境质量控制决策提供科学依据。

承上启下的责任

“我回国就是想能做一点实事。”朴素简短的一句话体现了陈报章的心声。闻其言，知其人，回国后的陈报章静心做事，集中精力研究。虽然不善言辞表达，但对于下一步研究目标陈报章却早已心有定数。如果说建立达到与全球顶尖实验室相当水平的碳源汇动态模拟分析监测系统平台是中心，那么围绕这个中心构建全球二氧化碳数据同化系统就是“承上”，如何应用全球二氧化碳数据同化系统进行协同攻关，构建、改善同化系统软件和模拟分析计算机平台，使其具备区分人为碳排放与自然碳交换的能力，最终实现在国家卫星气象中心的针对我国碳卫星TanSAT业务化运行则是“启下”。

怎样实施完成这个工程呢？陈报章说：“这其中最大的挑战是实现具备计算人为碳排放能力的基于卫星、地基观测资料的二氧化碳同化反演系统的业务化运行。之前没有任何现成素材，我们唯一能做的就是做好每一步，并不断改善。首先我们将搜集和整理尽可能多的地基与卫星观测的二氧化碳浓度数据，解决不同卫星观测与地基数据时空尺度不相匹配的问题，然后通过过滤处理，获取具有代表性的大气二氧化碳浓度观测数据，再将处理后的地基与卫星观测资料一起组成多源观测算子，输入到全球二氧化碳同化系统，通过研发集合卡尔曼滤波与4维变分联合性技术来有效最小化二氧化碳浓度与模拟值之间的差异，最终获取最优化的大气二氧化碳浓度/通量时空分布图，实现多源观测数据的数据同化。”实现业务化运行的卫星—地基联合同化系统将弥补我国在这一方面的空白，为我国的气候变化研究以及参加国家气候履约谈判提供独立自主的系统与数据。

如果把科技的发展比作一列飞奔的列车，那么科技人才是促使列车前进的动力，培养勇于探索，敢于创新具有前沿科学眼光的科技人材不仅是社会教育的任务，也是科技学界的义务，“科技传承对于科技发展十分重要”，陈报章始终这样认为。为弥补国内教育的不足，作为博士生导师，他一面鼓励学生从各种方面最大限度去接触国际前沿科技，另一方面不遗余力想办法激励学生去尝试、去探索，以此来开拓学生的视野，提高他们独立开展创新性研究的能力。在他的科研专项中，陈报章要求学生都要参与其中，他引导、激励学生们独立完成研究方案设计、算法优化、模型结果分析、科学认知凝练提升等科研过程的不同环节。对基础薄弱的学生，他专门抽时间、开小灶帮助他们弥补不足，提高能力，并在实际研究工作中给他们更多的机会，鼓励他们学会从自己的思维出发查找问题、解决问题。7年来，在他的悉心培育下已有8名博士研究生能夠独立完成研究项目。

在与学生的交流中，他敏锐地捕捉到有的学生只是为学业或学位而学习，而缺乏对未知探索的兴趣，究其原因，他发现许多学生因对所学专业知之不多，甚至根本不了解从而失去研究的兴趣，这深深刺痛了他。人生本就短暂，特别是一个人出成绩的时间就短短二三十年，如果因缺乏知识积淀、没有兴趣而浑浑噩噩浪费时间，这是人才的浪费，也是国家的损失。正是这个原因启发了他，他常问自己：“为什么不把自己的知识传播到社会上，让许多需要的人去学习，去了解呢？”作为这方面权威的陈报章决定承担起“宣传员”的义务。每天的研究已占用了他三分之二的时间，剩下的三分之一怎么去挤？用什么方法去宣传？无数的方案呈现在陈报章脑海里？？在他完成我国首个高时空分辨率碳同化反演系统研发工作后，中科院领导希望他能就此出一本书，这时他突然意识到书可以帮助他完成心愿。于是他夜以继日地查找、整理资料，草拟提纲，希望把自己的所有知识都奉献给读者，为在此方面有爱好的学生提供技术上的辅助指导。

他编撰了《中国碳同化系统及其应用研究》和《陆地表层系统模型模拟与分析》两本专著，分别于2015和2017年由科学出版社出版发行。按照人的认知过程，通过浅显易懂的故事或知识引导读者对陆地表层系统和“碳”的现状和发展产生兴趣，进而对这一研究领域形成总体认识。为让读者逐渐加深印象，他运用实例，详细、深入地介绍构建模型的重要过程和算法，引领读者从数学角度深入理解陆地表层系统模型和全球碳同化系统。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。尽管陈报章做了许多事，取得了不少成绩，但对他来说，这些只是万里征程中的一跬步。面对浩瀚的天际、广袤的地球、多样的生态，还有许许多多新课题等待他去探索研究，他将不断更新视角，不断创意，他要去迎接新的挑战。