【战略前沿】美国全球变化研究计划主要成就(第2章、第4章摘译)
来源: http://www.nap.edu/24670
被阅读 451 次
2017-06-27

2章摘译――案例1:全球观测系统

地球系统科学不能在实验室里做实验,它是一门观察科学,而实验室就是这个星球。如果没有连续的、为长时间序列分析而进行质量控制的全球观测,就不可能在记载和了解全球环境变化方面取得进展。自USGCRP启动以来,满足空间和地面观测需求,始终是一项首要任务。观测为了解地球如何运转提供了新的视角和科学洞见。观测数据使科学家能够提出新想法并对其进行测试,从而使新的认识以数学形式表达出来,并结合到模型之中。模型是认知的集成工具,但它们也可以用来进行实验,以探索基于各种未来合理情景的不同结果。自USGCRP启动以来,这种观测、数据分析与综合、模型与模拟之间的持续协同合作得到了极大扩展。全球变化的许多方面,包括气候变化,都属于最具挑战性的科学问题,同时也与最紧迫的社会问题有关。在过去的10年里,我们为决策者提供科学知识和开发信息产品的能力显著增长。

自USGCRP成立之初以来,全球变化研究的一项重要挑战是发展并确保有一套全面的全球变化观测系统(例如,CES[1],1989)。那时,有把从一个地点获取的数据集来代表全球过程,最有名的案例是来自莫纳罗亚的二氧化碳记录。然而,那时很少有数据集是真正具有全球尺度的,或者已经进行长期观测足以提供时间序列来对变化进行测量。在20世纪80年代,科学界已经开始了全球变化研究的国际规划,并在WCRP[2]协调的各项目中寻找联系。在美国,美国国家航空航天局(NASA)的科学咨询委员会制定了一项研究与观测议程,以了解全球变化(NASA,1986)。这一议程的基础是建立在以下论断上:即有可能构建一个全球性的、基于空间的对地观测系统,致力于了解并记载全球变化的任务。

当时拥有的全球太空观测计划主要是由美国国家海洋与大气管理局(NOAA)管理的气象卫星(包括极轨卫星和地球静止卫星),其主要任务是为数值天气预测模型提供数据。总的来说,这些测量方法缺乏全球变化研究需要的长期数据的准确性和精确性。NASA于上世纪80年代开始制定地球观测系统(EOS)计划,并于1990年10月获得国会批准“启动”。EOS是USGCRP整体组成的一部分,其目标及相关的关键测量,均被设计用于解决本计划制定的许多优先事项(King,1999a)。EOS陈述的目的是产生30年时间序列的全球范围地球系统各种关键要素的观测数据,包括陆地覆盖变化、海洋颜色、气溶胶浓度、平流层臭氧浓度、海平面以及许多其他重要的化学和物理属性。1996年,国家空间政策(1996年9月19日修订)要求NASA继续通过EOS进行地球观测,并将相关角色分配给国防部、能源部(DOE)和美国地质调查局(USGS)。这些机构及其他机构与NASA合作,共同开展USGCRP计划。Landsat-7[3],提供由USGS存档的土地覆盖全球图像,是EOS 1997年推出的首批设备之一(King,1999b)。

对土地覆盖变化了解的极大提高,是全球观测系统取得的一项早期成功。例如,首次关于亚马逊盆地潮湿热带雨林损失的一致和可复制观测数据,都是USGCRP投资的数据(Landsat卫星)和分析方法直接产生的结果(Skole和Tucker,1993)。今天,计算全球陆地生态系统过程的能力,如净初级生产力(比如,Verma等,2014),或测量生长季节长度变化以及陆地生产力(比如,Mao等,2016),只有通过USGCRP开发的全球卫星数据记录才有可能实现。这些关于土地利用和生物生产力的全球调查,为广泛的决策领域提供了信息,包括:从经济情报到饥荒预警,到有关亚马逊河流域森林砍伐的外交,以及对鱼类捕获的商业价值估计等。

现在,USGCRP成立25年了,受助于本计划的持续协调机制,如跨部门综合观测工作组(ObsIWG),来自太空的全球观测数据量和种类正在变得越来越多。目前,在近地轨道有8个任务正在运行,有超过30种仪器正在进行观测或正在支持计算一系列广泛的环境条件要素,包括风速与环流模式,二氧化碳和其他重要化学成分的大气浓度、土地覆盖变化、冰原、云特性、海洋盐度、海冰以及生物圈在陆地和海洋的净初级生产力[4]。通过满足气候数据要求以及适当气候数据管理方法的气候数据不断增加,NOAA提供了额外的全球观测数据,以满足评估全球变化影响准确性的需要[5]。NOAA在其投资仍围绕提供数值天气预报信息这一主要目标的同时,它仍然是美国全球变化研究及观测所做出贡献的关键部分。国际社会也不断向前迈进,通过在诸如地球观测卫星委员会这样的平行国际组织内开展工作,欧盟(以及欧盟内的个别国家)、中国、印度、巴西、日本、韩国及其他国家提供了重要观测数据,做出了应有的贡献。

随着全球空间观测的范围不断扩大,一些与USGCRP类似的机构以及其他机构逐渐开始计划并实施机载、地面和基于海洋的观测系统。主要案例包括:在西太平洋部署的热带海洋-全球大气(TOGA)热带大气海洋阵列[6](由USGCRP资助的WCRP(世界气候研究计划)计划之一;全球变化研究小组委员会,1994),包括Bio-Argo浮标(通过国际协调努力的结果)在内的海洋Argo浮标[7]观测活动不断扩展,AmeriFlux[8](从以前未经协调的陆地二氧化碳通量观测活动中,能源部协调部署的一个观测网络)的发展,以及创建一个全国范围协调一致的温度与大气化学观测数据存档中心。一个重要成就是美国在发展和实施世界海洋环流实验(WOCE)方面的领导作用,USGCRP为其提供了对海洋采样与分析的主要支持,得以提供了全球首个关于全球海洋关键物理特征的科学结构化数据集(全球变化研究小组委员会,1999)。在WOCE之前,只有一些地区开展了全球海洋的部分描述工作。

这些在地面区域和全球观测网络中产生的观测数据,已经在观测数据一致性的政策辩论中提出了一些问题,正如在地表和在卫星上测量温度的情况一样(见栏3)。解决这些问题是通过提供需要的数据供科学团体分析、解释并解决问题,同时也通过USGCRP跨部门协调机制,为科学界研究方向提供便利。

大多数来自地面和卫星平台的民用观测数据,不仅提供给所有联邦机构,而且广泛地为科学界和公众所获取。值得注意的是,其他国家采集的数据也在可以在全球范围内获取,这是开放数据政策国际合作的成果。USGCRP通过Data.gov[9]以及美国气候恢复性工具包[10]等支持数据免费开放共享,这一做法提升了科学家及其用户群体发现地球系统中重要关系的能力。例如,土地利用变化和地方/地区干旱及降雨量变化之间的关系。或地球系统在不同纬度对反射率变化的不同敏感性,或在格陵兰岛海洋洋流、冰盖以及大气变暖之间的复杂相互作用。此外,正如国际社会从美国开展各类活动产生的数据中获益一样,美国科学也受益于可获取许多其他国家的关键数据。

陆地、海洋和空气间各种交换过程中的联系,反过来又编织出一幅更精确、更全面的全球环境图景,展示了全球环境如何因自然与人类影响而变化。诸如“指纹鉴定”这样的新技术,已可以在观测到的全球环境变化中探测并归因人类的影响。拥有一个我们这个不断变化星球的更完整的图像,具有激发敏锐的科学兴趣,同时还给人类社会带来众多红利,例如对流行病进行更好的预报(Monaghan等,2016)。

 

 

3:协调地表和上层大气温度趋势

 

25年前USGCRP创建伊始时,在全球变化中最明显、最具争议的要点之一就是全球变暖――观测到的全球大气平均升温以及预测数据。在上世纪90年代初,对NOAA极地轨道卫星数据的分析显示了在观测到的地表变暖以及高层大气变暖之间存在差异。这些出乎意料的结果对气候模型来说似乎是个问题,气候模型预计地表附近和高层大气中的变暖情况相同,这些结果为质疑人类活动产生气候变化的有效性提供了一个科学理由。

USGCRP认识到这一矛盾并采取措施发展科学予以解决。首先,它于1990年代末期通过国家科学院的一项委托研究,检查了观测到的地表附近以及对流层低到中部温度变化趋势,评估了数据的偏差和不确定性,描述了趋势中的主要矛盾,并确定了减少不确定性和偏差所需采取的行动(NRC,2000)。报告明确指出“过去20年,在全球平均地表温度观测中体现出的变暖趋势无疑是真实的,明显超过20世纪的平均升温速率”(NRC,2000)。也就是说,在人们最直接受影响的地面上,观测到地球正在变暖。第二年,政府间气候变化专门委员会(IPCC)得出了类似的结论(IPCC,2001)。

国家科学院报告也提出了一些建议,以便更好地定量化估算全球平均温度并减少测量误差。国家科学院和IPCC的报告为以后6年的研究提供了帮助和指导。在此期间,由于基础科学的进步以及对观测数据的严密检查,地表附近正在变暖的结论得到增强。对科学界这次激烈辩论的成果作以下概括,现在我们对大气动力学的理解更透彻了,包括大气不同层次和区域对环境胁迫力有不同反应的方式。此外,原始数据系列差异性的问题也已得到解决,表明卫星和气球的观测结果实际上与气候模型一致。例如,有报告称,在对流层,不同版本数据集之间明显趋势差异的主要原因,是来自不同卫星数据如何融合而造成的结果差异(CCSP,2006)。这一分析报告可见于本计划2006年综合评估报告:《低层大气中的温度趋势:了解和协调差异的步骤》(CCSP,2006)。随后10年的观察结果证实了现在使用的气候模型的准确性。

 

 

4章摘译――建立在USGCRP成就上,面向未来25

 

美国全球变化研究项目(USGCRP)的前25年,在对全球变化的了解上取得了显著的进步,包括以前所未有的努力来观测并记载自然环境和建成环境的变化,以及将科学知识用于决策制定方面作出了重大改进。受篇幅所限,本报告仅描述了这些成就的若干亮点。

展望未来,本计划应该基于这一宝贵传统,为应对当今和未来几十年出现的挑战与需求做好准备。在过去30年间,USGCRP及其成员机构支持的研究团体专注于在自然变化背景下发现气候变化的信号,然后分析更重要的影响将如何以及何时会变得更明显。根据这项研究,可以预期气候变化的影响将越来越明显。因此,本计划需要加强知识基础,以保护国家在应对不断加速的全球环境变化方面的利益,并与用户合作,向各级公民、企业和政府提供及时的警告。

 

持续、扩大以及协调对地观测

目前的全球观测系统已由USGCRP机构实施,这一进程得益于本计划开展的正式与非正式协调工作。这些观测系统的数据与信息,构成了在美国以及全球范围内开展全球变化科学研究的基础。USGCRP的一个重要责任是确保这些数据的连续性,同时也希望扩展观测数据存档,以解决新的科学问题和用户需求。随着各种各样的观测数据的开放和获取,需求也越来越多,USGCRP的协调作用将变得更加重要。例如,对从更多样化的平台与来源进行协调观测,包括由其他国家运营的、由私营部门或非典型气候科学相关的学科领域的平台和来源,将会带来新的挑战与机遇。

维持和扩大地球观测,是提高对相互联系的行星系统的科学认识、为决策者提供信息产品等能力的核心。地球系统建模很复杂,需要了解大气-海洋-陆地-冰之间相互作用的过程并纳入到模型中,这就需要越来越多不同卫星以及地面观测数据集。迄今为止,美国已经极大地得益于在地球观测方面的投资,包括加强对极端天气和气候异常影响的预测,使城市与社区能够根据需要制定气候适应计划。几乎所有经济部门、国家安全以及为人类提供可持续生态系统服务,都依赖于对综合全球地球观测(包括卫星和地面)的了解和使用。USGCRP一直是规划这一观测系统的关键协调组,而且必须继续承担此核心责任。

 

应用激励型研究

全球环境变化,包括气候变化,正在改变人类的生存条件以及我们赖以生存的生态系统。全球变化研究有很大的贡献——确定脆弱性及威胁,评估不同可供选择的政策与计划,并为个人、组织及包括国家政府在内的机构提供信息作判断或决策。与许多研究一样,全球变化科学投资的回报主要是公共产品(见图2、4、5)(图4、5见原文),使政府有责任支持这项研究。这类研究的使用者包括决策制定者,比如应对干旱的农民、制定海平面上升应对计划的政府机构,以及在全球变化调查中使用数据、模型并开展评估的科学团体。

为了增加国家对全球变化研究投资的回报,委员会支持在本计划内部开展应用激励型研究(Clark等,2016;Stokes,1997)。这项研究需要接触广泛的用户,以便开展研究为决策制定者提供信息,充分利用科学发现驱动型研究的价值包括对地球系统的长期观测。考虑到对生态系统的依赖,应用激励型研究对自然资源管理至关重要,例如,告知有关部门,将森林间伐作为管理工具来预防大规模森林火灾的措施。应用激励型研究需要熟练地把来自社会和生物自然科学的知识集成起来,与已达到的现实情况相比,目前这还是一种对综合的渴望。然而,第三次国家气候评估(NCA3)的广泛采用表明,清楚地阐明国家的知识状态,有助于继续就气候变化及其潜在灾害、利益及解决方案进行对话。这一充满希望的迹象,也是本计划所取得的一项重大成就。

该委员会认为,作为当前战略计划的一部分,应用激励型研究有很多机遇为USGCRP及其成员机构的工作取得进一步提高作出重大贡献。例如,将目前收集的数据综合到特定区域脆弱性指标中(Janetos、Kenney,2015)。在开展NCA3过程中,一个工作组准备了广泛的分析,确定了一些潜在的脆弱性指标(Kenney等,2016)。Kenney等人(2016)建议,可以将指标分成领先组和滞后组。测试一组指标能否提供关于特定地区突然变化的可靠警告,可能是一个在未来5年内可实现的目标。

 

国际参与

在全球变化科学中,美国政府机构对必要的全球研究、数据开发和分析机构做出了重大贡献。美国所付出的这些努力,通过与其他国家的对话和协调得以加强,促进了对科学的了解,同时减少重复性工作。对美国各种不同的气候研究活动具有独特视野的USGCRP,在以下3个应用领域中扮演着重要角色:联合研究、全球观测以及国际评估。

对地球过程的数据进行获取与分析属于国际任务,对于了解当前和未来潜在的变化至关重要。高效利用资源需要各国之间有效合作,从而才能开展这项工作。为此,USGCRP通过参与地球观测工作组,积极支持全球观测和数据管理。该小组协调对地球系统观测的投资,并通过其全球地球观测系统体系促进信息获取。这些数据,可以用来监测当前影响,并预测未来在一系列气候和发展路径下产生的风险。而且,不论未来如何发展,这些数据还可以用于评估适应和减排政策与计划的潜力,以增加社区和地区的恢复力。

USGCRP是美国参与全球变化国际评估活动的一个联系结点。例如,它参与招募、协调并支持美国参加撰写政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告各章节的作者和评审者。USGCRP为国家和国际评估管理审查过程,包括协调美国的机构开展全面评审,确保科学发现的准确性和鲁棒性。USGCRP维护一个评审门户,用于主持和协调美国国家对国际和其他报告的评审事务。

未来,有效协调美国相关机构与国际活动之间合作的需求很可能会增加。除了刚好正在开始的第6次评估报告外,IPCC正在组织3份特别报告。《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)要求在2018年前递交一份关于全球升温1.5度产生的影响报告。而且,承诺发表其他两份特别报告:一份关于海洋与冰冻圈,另一份关于荒漠化、土地退化、土地管理、粮食安全以及温室气体通量。美国可以为这些活动提供很多贡献,也可以从这些全球评估中学到很多,但这些都需要协调,以确保其最优秀的科学家参与其中。

此外,《巴黎协定》(于2015年12月12日,在UNFCCC第21届缔约方会议上协商一致通过)可能会对美国机构提出更多要求,从而产生更大的协调需求。例如,根据协议第十一条款,发达国家缔约方应“加强对发展中国家缔约方能力建设行动提供支持。”这一职责包括适应和减排,因此需要协调跨美国数个机构的能力。《巴黎协定》第8条款纳入了《华沙国际机制》中《气候变化影响的损失和损害相关机制》(COP19,2013年11月)。华沙文本承诺,各方应努力增进了解与气候有关的现象,以支持采取行动来补偿或援助受损方。要实现这一目标,需要解决与特定气候事件归因有关的具有挑战性的科学问题,还需要了解潜在的脆弱性可能造成影响的程度;这些问题的解决都跨越了美国各参与气候研究机构的能力。

尽管这些条款的执行细节,正在《巴黎协定》各缔约国进行的谈判中被制定出来,美国仍可能对这些采取的行动呼吁,以来自美国机构的项目做出贡献。重要的研究问题需要基础科学和长期观测来获得满意的答案,需要在全球范围内开展几十年的协作努力。

 

满足不同的需求

解决全球环境变化问题,需要不断提高基础科学知识,并将这些知识应用于各个层次的决策制定者,包括政府和非政府组织、私营部门及家庭。这种多样化的信息需求,体现在参与USGCRP多样化任务的各个机构之中。一些机构主要致力于为推进公共利益进行科学研究。一些机构是在特定任务的背景下考虑全球变化和气候变化,无论是促进农业生产力,管理国家公共土地和渔业,或是确定气象灾害。许多支撑研究为资源管理和其他决策提供信息。USGCRP的一个特别优势是它促进了这些机构之间的对话,使不同的任务之间便于互相提供信息(NASEM,2016)。该计划的协调功能,在《我们不断变化的星球》、各战略规划、历次国家气候评估以及其他知识与活动的概述内容中体现的最为明显。此外,USGCRP正在进行的对话,促进相互了解并分享知识与资源。比如,它允许以聚焦研究的机构,了解聚焦行动机构对信息的需求。反过来,它有助于聚焦行动的机构了解当前科学的优势和局限性,并了解随着时间的推移,研究可能会产生什么结果。

 

结论

通过跨部门伙伴关系以及与领军专家的通力合作,USGCRP自成立以来,已成功推动了全球变化科学的发展,增进了对全球变化如何影响当今社会以及可能如何影响未来社会的认识。展望未来的几十年,气候变化和其他全球变化的影响将日益明显。为确保国家利益,USGCRP应该继续开展两项主要增值活动:(1)跨联邦机构的全球变化研究活动战略规划与协调,以及(2)高层次综合全球变化研究成果,并与决策者和美国公众共享。为实现其为美国和世界人民提供科学的目标,至关重要的举措是,USGCRP应继续建立一个平衡方案,包括对地球系统的长期观测、发现驱动型研究、支持未来决策的应用激励型研究,减排,以及适应。这些工作应该在本地、区域和全球范围等不同层次进行。

1989年,地球科学委员会将以下作为美国全球变化研究计划的基本依据:

“在未来几十年里,全球变化可能是这个国家和世界所面临的最重大的社会、环境和经济挑战。

发展对全球变化预测性认识的国家目标是,在最真实的意义上,科学服务于人类”(CES,1989)。

尽管我们对全球变化的了解能力、观测能力、建模和预测能力都有了重大的进步,但仍有很多事情要做,今天,让我们使这一理论依据成为现实,正如前辈们之前所做的一样。

 

原文题目:

Accomplishments of the U.S. Global Change Research Program

资料来源:

http://www.nap.edu/24670

 

(黄铭瑞、王化编译,殷永元审核)

 


[1] 地球科学委员会(CES)

[2] 世界气候研究计划(WCRP)

[3] Landsat是NASA/USGS联合项目,提供地球表面最长的连续空间记录。更多信息请见http://landsat.gsfc.nasa.gov/。

 

[4] NASA地球观测系统的当前任务和已完成的任务见网站:https://eospso.nasa.gov/mission-category/3。

[5] 案例请见NOAA国家环境信息中心在线气候数据集:https://www.ncdc.noaa.gov/cdo-web/datasets。

[6] 见网站:http://www.pmel.noaa.gov/tao/。

[7] 见网站:http://www-argo.ucsd.edu/。

[8] 见网站:http://ameriflux.lbl.gov/。

[9] 获取沿海洪灾、食品恢复力、水、生态系统脆弱性、人类健康、能源基础设施、运输及北极地区相关数据与资源的网站,见网站:https://www.data.gov/climate/。

[10] 见网站:https://toolkit.climate.gov/。