從太空拍攝的意大利環(huán)形圈

從國(guó)際空間站拍攝的埃及納塞爾湖

　　不久前在北京召開(kāi)的2014亞太遙感國(guó)際會(huì)議上，為應(yīng)對(duì)全球變化等環(huán)境問(wèn)題給人類帶來(lái)的巨大挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)家郭華東院士提出，應(yīng)發(fā)展由6顆衛(wèi)星組成的全球變化系列科學(xué)衛(wèi)星，并建立月基對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)。

　　全球變化是由于自然和人為因素而造成的全球尺度上的地球系統(tǒng)變化，主要包括全球氣候變化、全球環(huán)境變化等方面。全球變化對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的影響是顯著的，正越來(lái)越成為包括我國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)關(guān)注的重大議題。

　　上世紀(jì)60年代以來(lái)，全球共發(fā)射了320余顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，其中只有約25顆是針對(duì)觀測(cè)全球變化而規(guī)劃的，目前在軌運(yùn)行約13顆，且3年后大部分將超期服役。而我國(guó)在這方面更還是一個(gè)空白。

　　中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所郭華東院士團(tuán)隊(duì)，在全球變化敏感因子空間觀測(cè)機(jī)理分析基礎(chǔ)上，研究了全球變化科學(xué)衛(wèi)星概念，提出了全球變化系列科學(xué)衛(wèi)星構(gòu)想，包括大氣碳衛(wèi)星、氣溶膠衛(wèi)星、夜間光衛(wèi)星、森林生物量衛(wèi)星、冰川衛(wèi)星和海洋鹽度衛(wèi)星等。這些衛(wèi)星的觀測(cè)將涵蓋大氣、陸地和海洋最重要的全球變化因子。其科學(xué)目標(biāo)是要解決一些全球變化的規(guī)律及影響問(wèn)題，提高全球變化要素的探測(cè)、模擬與預(yù)測(cè)能力。

　　短波紅外波段——反演二氧化碳含量

　　大氣碳衛(wèi)星的主要觀測(cè)因子為大氣中的二氧化碳。作為一種重要的溫室氣體，大氣二氧化碳含量的增加，極有可能是造成全球氣候變暖的主要原因。然而，被陸地生物圈和海洋吸收大氣碳的精確分布以及變化規(guī)律等，至今仍不清楚，準(zhǔn)確觀測(cè)二氧化碳顯得尤為重要。

　　二氧化碳對(duì)特定波長(zhǎng)的光線具有選擇吸收性，光線通過(guò)大氣層并返回太空后，便包含了大氣二氧化碳含量等信息，據(jù)此可以得到大氣二氧化碳濃度等。利用大氣二氧化碳在短波紅外的吸收特性，同時(shí)將由地表氣壓、云、地形等引起的誤差最小化，即可精確獲取二氧化碳的濃度等參數(shù)。

　　面向全球變化研究的需求，大氣碳衛(wèi)星需要優(yōu)先發(fā)展每1至2天覆蓋全球一次、2千米以上空間分辨率的觀測(cè)技術(shù)。

　　可見(jiàn)光等波段——監(jiān)測(cè)氣溶膠信息

　　氣溶膠在全球氣候變化中扮演著重要的角色，通過(guò)散射和吸收太陽(yáng)輻射及地面反射，直接影響地-氣系統(tǒng)的輻射收支平衡，從而對(duì)氣候產(chǎn)生影響。氣溶膠還與環(huán)境問(wèn)題密切相關(guān)，與PM2.5具有強(qiáng)相關(guān)性，嚴(yán)重?fù)p害人類的健康。

　　目前，人們對(duì)于大氣氣溶膠在全球變化中所起作用的認(rèn)知程度還比較低，其對(duì)全球變化貢獻(xiàn)的定量表達(dá)仍不精確。而在軌運(yùn)行具有大氣氣溶膠探測(cè)能力的衛(wèi)星對(duì)氣溶膠組分類型探測(cè)能力弱，對(duì)一些山地、城市等特殊地區(qū)探測(cè)能力不足，且在部分低緯度地區(qū)監(jiān)測(cè)頻次低。

　　不同濃度的氣溶膠在大氣中的光譜吸收和散射特性不同，這些信息都包含在傳感器所獲得的圖像中，對(duì)圖像進(jìn)行綜合分析即可得到氣溶膠的含量?？梢?jiàn)光、近紅外和紅外波段是大氣氣溶膠反演的經(jīng)典波段，同時(shí)還要設(shè)置觀測(cè)水汽的波段，用以消除水汽對(duì)反演精度的影響。[page]

　　夜間燈光數(shù)據(jù)——城市化程度最直接表征

　　夜間燈光數(shù)據(jù)是人類活動(dòng)的重要標(biāo)志，是表征當(dāng)前人類社會(huì)城市化程度的一個(gè)最直接的特征，在全球尺度的城市化分析方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　目前，用于全球夜間燈光觀測(cè)的衛(wèi)星比較少，且存在空間分辨率過(guò)低、信號(hào)易飽和、波段單一等不足，不能完全滿足定量化分析的需要。燈光在可見(jiàn)光近紅外波段具有不同的光譜特征，是夜間光探測(cè)器波段選擇的依據(jù)，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市溫度的同步觀測(cè)，滿足城市化過(guò)程中熱環(huán)境的研究需求。利用太陽(yáng)同步近極軌飛行模式，可實(shí)現(xiàn)每天覆蓋全球一次能力。

　　激光雷達(dá)等——測(cè)定森林生物量信息

　　森林在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩二氧化碳等溫室氣體濃度上升方面具有不可替代的作用。然而，由于森林總面積的下降，全球森林碳儲(chǔ)量正在下降，而關(guān)于森林在陸地碳吸收中所起的作用，至今沒(méi)有形成一致的觀點(diǎn)。

　　森林生物量是指森林單位面積上長(zhǎng)期積累的全部活有機(jī)體的總量，直接反映了森林碳儲(chǔ)量的多寡。激光雷達(dá)和合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星信號(hào)對(duì)森林具有一定的穿透能力，接收的回波包含了森林的三維結(jié)構(gòu)信息，能定量連續(xù)地獲取區(qū)域乃至全球尺度高精度的森林生物量。但目前沒(méi)有在軌的可用于森林生物量觀測(cè)的激光雷達(dá)和長(zhǎng)波雷達(dá)衛(wèi)星，國(guó)際上雖已提出了相關(guān)的衛(wèi)星計(jì)劃，但對(duì)全球大范圍森林生物量的觀測(cè)能力不足，而且也難以滿足對(duì)我國(guó)森林重點(diǎn)觀測(cè)的需求。

　　全波形、高重復(fù)周期、高密度掃描的激光雷達(dá)能對(duì)全球森林精細(xì)觀測(cè)，P波段的合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星能獲得50米×50米以內(nèi)的高空間分辨率森林生物量產(chǎn)品。同時(shí)，二者協(xié)同觀測(cè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既可以提高激光雷達(dá)的空間分辨率，也可以提高雷達(dá)的反演精度。

　　雷達(dá)衛(wèi)星——擅長(zhǎng)監(jiān)測(cè)冰川變化

　　冰川變化是全球氣候變化極好的代用指標(biāo)和依據(jù)，氣溫、降水與冰川進(jìn)退、物質(zhì)平衡密切相關(guān)。冰川在全球變暖的環(huán)境下正在不斷地消融，致使海平面不斷上升，成為威脅人類生存的潛在因素。我國(guó)是第四大冰川資源國(guó)。最新研究表明，過(guò)去30年來(lái)青藏高原及其周邊地區(qū)的冰川呈現(xiàn)不同程度的萎縮，尤其在喜馬拉雅山脈地區(qū)。

　　雷達(dá)衛(wèi)星在區(qū)分冰川和非冰川區(qū)、探測(cè)冰川移動(dòng)、高度變化分析、冰川雪線提取等方面有著巨大優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)際上可用的雷達(dá)衛(wèi)星都是商業(yè)衛(wèi)星，數(shù)據(jù)費(fèi)用昂貴，數(shù)據(jù)獲取控制權(quán)在國(guó)外，限制了我們的應(yīng)用。L波段雷達(dá)衛(wèi)星信號(hào)穿透云雨、積雪的能力強(qiáng)，在采用干涉技術(shù)監(jiān)測(cè)冰川時(shí)具有更高的相關(guān)性，可以獲得更高的監(jiān)測(cè)精度。多星星座組網(wǎng)觀測(cè)的模式可以有效地減小觀測(cè)誤差。

　　微波輻射——對(duì)海水鹽度變化敏感

　　海洋鹽度是海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)重要參數(shù)，也是全球變化的指示參數(shù)之一。鹽度的變化與海洋環(huán)境及全球氣候變化息息相關(guān)，是研究環(huán)流、全球海平面變化等海洋現(xiàn)象中必不可少的環(huán)境變量，鹽度測(cè)量為估計(jì)海洋吸收釋放二氧化碳提供可靠的參量依據(jù)。

　　L波段微波輻射計(jì)被認(rèn)為是進(jìn)行海水鹽度遙感的最佳傳感器。L波段微波輻射亮度溫度對(duì)海水鹽度變化比較敏感。國(guó)際上現(xiàn)行的海洋鹽度衛(wèi)星，其反演精度距離要求都有不少的差距，未能滿足全球變化與海洋循環(huán)研究的需要。我國(guó)目前關(guān)于海洋循環(huán)的高精度衛(wèi)星數(shù)據(jù)稀少，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技投入，中國(guó)未來(lái)5到10年完全有能力研發(fā)更高輻射精度和分辨率的微波輻射計(jì)傳感器。

　　延伸閱讀

　　月球是觀測(cè)地球的天然大平臺(tái)

　　全球變化月基觀測(cè)是一個(gè)創(chuàng)新的思想，也將是全球變化空間觀測(cè)的新方向。目前，基于衛(wèi)星-航空-地面的觀測(cè)平臺(tái)仍然只能同時(shí)對(duì)地球上有限區(qū)域的科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行短暫觀測(cè)，而對(duì)于大尺度科學(xué)現(xiàn)象觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取周期長(zhǎng)，難以滿足全球尺度上周期性動(dòng)態(tài)變化的宏觀地球科學(xué)現(xiàn)象觀測(cè)的需求。月球是一個(gè)自然的穩(wěn)定的永不失效的觀測(cè)平臺(tái)，其微重力環(huán)境、月表的高真空狀態(tài)、穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造等特點(diǎn)保證了它作為對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)的優(yōu)越性。

　　月球有一面總是朝向地球，在月球上布設(shè)傳感器，可以對(duì)地球上的同一地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)段、可變視角的快速觀測(cè)，可同時(shí)觀測(cè)到地球半球的全景。分析表明，月基傳感器可對(duì)地球上發(fā)生的大尺度、動(dòng)態(tài)變化等宏觀地球科學(xué)問(wèn)題在全球尺度進(jìn)行時(shí)間連續(xù)、空間同步對(duì)比觀測(cè)，獲得更為豐富的全球變化信息，在全球大氣、全球反照率、冰川運(yùn)動(dòng)、熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)、水災(zāi)監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)等諸多方面發(fā)揮重要作用，尤其對(duì)于地球的陸地、海洋、大氣作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，月基觀測(cè)具有極大優(yōu)勢(shì)。

　　從月球觀測(cè)地球最早可以追溯到1972年，當(dāng)時(shí)阿波羅16號(hào)宇宙飛船第五次將人類送上月球，宇航員們使用遠(yuǎn)紫外線望遠(yuǎn)鏡和光譜儀，獲取了地球大氣和地冕的圖像和光譜，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)能力限制，并沒(méi)有獲得連續(xù)的長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)。本世紀(jì)初期，陸續(xù)有專家提出了月基可見(jiàn)光/近紅外儀器對(duì)地觀測(cè)科學(xué)思路，提出利用熱紅外傳感器從月球監(jiān)視地球的熱點(diǎn)目標(biāo)及自然災(zāi)害等。(傅文學(xué) 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所副研究員)