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气候行动前线,气象卫星在忠实记录

随着在阿拉伯联合酋长国迪拜举行的第二十八届联合国气候变化大会(COP28)结束,如何在全球范围内找到最佳的气候变化解决方案越来越受到国际社会高度关注。

本文通过梳理卫星依靠本身不断提高的技术展现出的高(站得高)、精(高时间空间分辨率)、尖(现代高新科技)能力,从它们站在气候行动的前线对气候变化的持续记录、推动人们对全球气候变化现状的了解、为延缓气候变化提供科学决策依据的角度,分析卫星在气候行动前线参与全球气候监测的作用,指出目前太空大小卫星群体在政府、学术机构、民间企业及社会组织的推动下,除利用卫星这一共同身份之外,还根据每种卫星的特长与专业领域,扮演包括大气、海洋、陆地表面、冰雪覆盖层和生物圈气候监测的专业角色,积极有效地参与到全球应对气候变化的行动之中,对促进气候行动在保护全球气候变化中发挥着不可替代的重要作用。

从人眼到“天眼”的变迁

气候系统由大气、海洋、陆地表面、冰雪覆盖层和生物圈这5个部分组成。太阳辐射是气候系统的主要能源。其中:大气是气候系统中最容易变化的部分;海洋是气候系统中一个巨大的能量贮存库;陆地表面不同的海拔高度、地形、岩石、沉积物和土壤,发生变化的时间尺度,在气候系统的所有组成部分中是最长的,河、湖、江、地下水等在气候系统中容易变化;冰雪覆盖层包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面积雪等,积雪和海冰有很明显的季节变化,冰川和冰原的变化缓慢;生物圈中的植物可以随着温度、辐射和降水变化而发生不同尺度的变化,动物群体随着食物和栖息地改变而发生的变化也反映着气候的改变。

对气候变化进行监测,遥感是最常用的手段。所谓遥感即“遥远的感知”,是相隔一定距离,感知目标物的“信息”,并通过对信息的分析研究,确定目标物属性。最早的遥感器就是人类的眼睛,它通过长期观察一个地区复杂的自然、地理现象来判定气候是否发生变化。然而,不同人的眼观测存在精准度和时空局限。随着现代科技发展,作为全球气候监测的重要参与者、贡献者、引领者,卫星监测越来越受到关注。借助带着遥感器的人造卫星这双“天眼”,近几十年的海量监测数据使得人们对天气变化动态和气候演变趋势变得越来越清楚。如今,卫星遥感已行动在气候变化监测前线,为推动全球气候治理贡献智慧和力量。

气象卫星扮演的角色与作用

在气候变化监测方面,观察地球的“天眼”卫星为我们了解气候变化带来了哪些帮助,提供了哪些有用的信息?让我们一起来看看。

行动一:监测大气,诊断气候脉动  大气在空间分布上是三维的,其温度、湿度和压强等要素会随时间而变化,大气的运动和变化是天气现象的本质。作为气候系统中最易变化的部分,动态获取大气垂直运动的“脉搏”数据就如同把一幅病人

24小时动态心电图摆在医生面前,动态大气三维全息影像为数值预报提供强有力的诊断依据,天气“医生”──预报员根据此影像和数据及时出具应急响应(应对灾害和气候变化)的“处方”。

气象卫星利用干涉式垂直探测仪,时时刻刻地为大气做着“超级CT”,把大气从地面开始进行“切片”“横扫”“竖扫”,测出每一层每一点的温度、湿度等气象要素数值。不仅如此,我国的风云二号和四号气象卫星对我国显著的季风气候也进行记录,通过实时接收的大气资料,有效地监测和掌控季风动向,进而做好防灾减灾应对。而风云三号系列气象卫星从D星开始搭载的红外高光谱大气探测仪,还可以捕捉全球氨气高值区,并在反演氨气时进行二氧化碳、水汽、地表温度等干扰参数的同步反演。最精彩的是,卫星还如同太空“火眼金睛”,似一面“照妖镜”,帮助我们看到空气里的污染物,获得臭氧、气溶胶等信息,实现全球大气臭氧浓度、气溶胶污染、霾以及区域秸秆焚烧烟雾强度和分布等的实时监测。

行动二:监测海洋,助力气候研究  海洋观测非常重要,因为地球表面的70%被浩瀚的海洋覆盖,海洋对气候和天气起重要作用。风云气象卫星是我国最早用于海洋遥感的国产卫星,在它诞生之初就用于海洋遥感观测,而且一直应用得很不错。

风云气象卫星搭载先进的微波和光学仪器,可获取海洋水色、海表温度、海面风速、海冰、海洋气溶胶和海上大气可降水等相关信息,利用浒苔、赤潮、溢油等与海水之间存在光谱特征差异,使卫星监测海洋环境灾害事件成为可能。风云卫星搭载的光学仪器,如VIRR、MERSI、MERSI-2、AGRI等,可以接收到海面水体的离水辐射信号,获取海洋水色;利用光学仪器红外波段或者微波成像仪,接收海洋表面的红外或微波辐射,反演出海表温度,对天气预报、气候研究、航海安全、海上捕捞等具有重要意义;借助于微波成像仪MWRI不同通道接收的亮温变化,可以反演出海面风速(海面风速调节着大气海洋之间的热量、水汽和物质交换,维持着区域与全球的气候)。

行动三:监测陆表,开展气候评估  除了看大气看海洋,风云卫星还可以进行陆地生态环境监测、农业林业遥感监测,山、河、湖、江、田、水、火等监测都不在话下。比如喜马拉雅山脉上积雪变化、山河洪涝现象、江河水涨水落、森林草原火情、内陆湖的水体富营养化等,很好地解决了传统的逐点监测在时效性与空间覆盖度等方面的缺陷。

我国从20世纪80年代就开始利用气象卫星监测森林火灾。1987年,通过接收美国NOAA卫星资料监测大兴安岭火灾信息,为指挥决策提供了重要支撑。风云气象卫星的中红外通道在监测森林草原火灾时,可谓“火眼金睛”:风云三号极轨气象卫星的中红外通道可以捕捉面积达到100米2的火点,风云四号气象卫星可实现最快5分钟获得一次全国森林草原火情监测信息。几十年的风云卫星全球森林草原火点形成长时间序列数据集,除了监测林火,气象卫星还可以对森林覆盖度、森林长势、土壤湿度、地表温度等进行监测,可以对森林生态系统开展监测评估工作。气象卫星在指挥森林草原灭火工作中发挥的关键作用使其不愧“森林卫士”的美称,不但为生态文明建设提供数据和技术支持,还为气候变化评估等发挥重要作用。

行动四:探测冰融,解读气候告警  气象卫星具有冰覆盖的监测能力,对于监测人迹罕至的极区冰雪覆盖具有特别的意义。利用极轨卫星搭载的光学和微波传感器,每天都能够获取极区冰雪覆盖产品。随着气候变化不断加剧,全球的冰盖和海平面正在发生显著的变化,全球气温不断上升,极地的冰盖在迅速消失,海平面也在上升,这对于全球的生态和环境都产生了极大的影响,如果我们不能及时采取措施,很可能会带来更加灾难性的后果。全球变暖对地球的影响是复杂和广泛的,海平面上升、极端气候事件增加、生物多样性下降和人类健康风险等一系列问题日益凸显,卫星监测在解读气候告警的同时可以让我们更好地了解全球气候变化的情况,并采取相应的预防措施,减缓气候变化的速度。

行动五:监测生物圈,守护地球家园  地球系统是一个整体,大气圈、水圈、生物圈、地球圈都是相互关联的。利用卫星遥感技术采集数据、分析数据,正成为保护生物圈的新途径。多国生物圈保护领域专家都在探讨卫星遥感技术对生物圈保护的作用,他们收集生物圈保护区的卫星遥感数据,结合地理信息系统开发生物圈即时监测系统,连续地观测大气状态(成分、运动规律)、海洋状态(海面风、海面生物、碳输送、海面温度、海冰融化及漂流)、陆地状态(植被状态、人类活动迁徙),将信息产品及时提供给用户和决策机关,更好地造福人类。随着空间遥感技术的进步,气象卫星应用水平再上新台阶:更高空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率,以及更高辐射测量精度和越来越强大的主动探测手段,可以为农业、林业、水利、海洋、环保、交通、航空航天、教育以及公众服务等领域提供更加有力的支撑。气象卫星帮助我们客观了解所生存的地球环境正在发生的变化,甚或预知未来会有什么变化,对于人类的生存和发展具有重要的意义。

行动六:监测空间天气,了解太阳影响  太阳辐射是气候系统的主要能源,太阳上出现的耀斑和日冕物质的抛射等剧烈活动,给地球磁层、电离层和中高层大气、卫星运行和安全,以及人类健康带来严重影响和危害。太阳活动的突然增强和地球空间能量的积蓄与释放,往往会使卫星失效乃至陨落,通信中断,导航、跟踪失误,电力系统损坏。在轨的风云二号、三号和四号系列气象卫星均搭载有空间环境监测器,用于监测太阳活动和静止轨道高能带电粒子辐射环境,对太阳耀斑、太阳质子事件和高能电子暴等进行预警和预报,为气候变化的研究提供数据支撑。其中风云三号系列极轨气象卫星2008年开始就对太阳总辐照度进行连续观测,积累的观测记录构建了我国自主的太阳总辐照度数据集,也为国际太阳总辐照度气候数据集建立提供了可靠的数据补充,为太阳活动监测和气候变化定量应用等研究贡献了力量。风云三号E星(晨昏轨道卫星)搭载了X射线和极紫外成像仪,实现了不同波长、不同温度、不同高度条件下对太阳进行成像观测,使卫星气候应用水平再上新台阶。

卫星遥感如何发挥更大作用

气候变化成为全球学术研究热点问题的时间并不长。关于气候变化成因与对策的研究,大都发生于近百年内。气候变化是一个复杂的、跨领域的全球性议题,需要跨学科的、全球合作的解决方案,需要更多的政策、技术和人类行为改变来应对全球气候变化问题,才能保护我们的星球和未来世代的生存。在这个过程中,整体观、全局观很重要,而观测整体、全局谁最好?当然是卫星。在气候行动前线,卫星遥感需有效破圈:需要增底气(数量、质量提高)、聚人气(更多人使用)、接地气(走下“神坛”,走向公众)、有生气(无限应用潜力)。

卫星数量及质量的快速发展为气候环境监测带来革命性的改变。随着卫星数量、质量的快速提升,我们现在可以综合利用各种卫星来监测和跟踪发生在地球上的一切变化,增加了其在应对气候变化行动中的专业底气;而如何更好地监测气候变化,则需要聚人气,聚集更多的科技工作者和卫星用户能更快捷、更便捷地获取更高时间和空间分辨率的遥感数据。

随着商业卫星快速发展,可以相信未来的气象卫星会更接地气,数据获取会越来越便捷,便宜甚至免费的海量实时卫星数据必将更多。届时,有需要的人可以免费访问和使用气象卫星数据。也就是说,气象卫星可以为每个人提供有关大气、海洋、陆表等有用的气候信息。决策者、技术专家、救援人员,农业、林业、渔业和感兴趣的大众都可从中受益。气象卫星提供的日常各类公共服务将使地球观测变得像天气预报和卫星导航一样普遍。超级计算机和人工智能的发展也为气候行动中的诸多问题提供了解决方案,随着人工智能的进步和模型变得更加强大,人类能够更好地了解气候变化。

气象卫星群体作为未来全球气候行动的主要实施者,是未来几十年社会变迁的中流砥柱,承担着加强气候行动、推动气候监测的重要责任。大小气象卫星群体都会根据自身的特长,扮演包括气候资料收集、分析、传播等不同专业角色,凭借这一群体所共有的宏观、快捷等特点,更有效、更有生气地参与到全球应对气候变化的行动之中。而其所具备的高科技属性和多学科综合知识特点,使得其在气候监测、气候挑战、气候解决方案等领域有广泛的讨论话题,可以引出无数轻松、愉快且易被人接受的关于气候变化方面的表达方式与活动形式,起到更好的气候知识传播效果。

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