【战略前沿】美国全球变化研究计划主要成就(摘要)
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2017-06-27

 

根据美国1990年《全球变化研究法案》(GCRA),美国全球变化研究计划(USGCRP)得以建立,由国会授权该计划“协助国家和世界了解、评估、预测、以及应对人为和自然过程引起的全球变化”(P.L.101-606)。该项目实施以来,对全球变化的科学认识不断增加,国家的信息需求产生了巨大变化。应USGCRP的请求,美国国家科学院的美国全球变化研究计划顾问委员会,通过多机构规划与协调,完成了本报告,对该项目在全球变化研究方面所取得的成就进行简要概述。

联邦机构对GCRA规定的响应,为USGCRP带来了两大主要增值活动:(1)在参与全球变化研究的诸多联邦机构之间,进行跨机构全球变化研究活动的战略规划与协调;以及(2)高层次综合全球变化研究的成果,并和决策者与美国公众分享。USGCRP的这两大主要活动——在全球变化研究分委员会、国家协调办公室以及众多跨部门工作组的共同指导下——已经完善了各个独立参与机构的优先项目安排,并在促进科学能力、提高认识、改进应用方面取得了很大进步。

USGCRP的研究规划与协调活动,最终推出几期十年战略计划,最近的一期涵盖2012-2021年。在该计划战略规划指导下,全球变化研究取得的成就,被综合整理到USGCRP计划给国会的年度报告和各种评估报告中,包括定期的国家气候评估报告,其核心焦点是观察到的和预估到的全球变化对美国带来的挑战。战略计划和评估报告都是参与本计划的13个机构与部门共同协作的成果。该计划还在国际合作中发挥了领导作用,包括参与合作研究计划、开发全球观测系统以及参与政府间评估活动。

通过跨部门与领军专家开展合作及协作,自成立以来,USGCRP一直致力于推进全球变化科学,提高全球环境变化如何对当今社会以及未来社会产生影响的认识。该计划取得的这些进展在大量现有文献中以不同方式记录下来,包括项目和参与机构的各种产品、国家层面和国际方面的各项评估、国家科学院之前出版的各种报告,以及来自科学社区的许多报告。本报告精选了一批科学成就案例,这些成果是由USGCRP支持的多机构共同协作完成的,包括:全球地球观测系统的发展,地球系统建模能力的改进以及对碳循环过程的理解。通过直接在USGCRP的评估,并通过对其成员单位及部门进行培训学习过程,USGCRP项目始终起着领导作用,把对社会和社会动力学的理解带入全球变化研究方面,尽管这方面的发展过程有时并不平衡。

这些努力以及其他许多方面,USGCRP项目为合作机构提供了一个平台,用于开展全球变化协作研究并共享信息。这样做有助于向社会各层面的决策者提供信息,这种方式为国家层面提供了巨大的价值。除了上文提到的突出成就之外,本报告还包括一系列原理图,展示了USGCRP项目在开展研究与应用并由此提供价值时所发挥的重要作用。例如,USGCRP的活动指导农民在使用肥料增产的同时保持环境质量,指导社区官员、应急管理人员和公民在发生酷热事件时减少发病率和死亡率。

尽管在全球变化研究方面取得了一定进展,USGCRP仍然并已经面临挑战。该计划是一个跨不同机构的协调组织,没有权限管理个别机构的任务或预算,这就限制了整个计划的规划与支持研究能力。此外,尽管之前已经认识到有必要把社会科学的研究整合到本计划的全球变化研究组合之中,而且早先也提议过,但这一努力仍然存在障碍,比如缺乏持续资金和对数据资源的承诺,还需要积极地与参与机构之外的大型环境社会科学团体合作。

一系列重大成就标志着USGCRP第一个25年所取得的贡献。项目为观察自然、建成环境以及记录变化付出了前所未有的努力。同样重要的是,在对全球变化了解及其建模能力方面取得了令人瞩目的进展。此外,科学知识对于决策者的支持也得到了显著改善。在未来几十年间,全球变化的影响将变得越来越显著,本计划需要扩充知识基础,探索在全球变化加速的情况下保护国家利益的有效选择。本计划应当在已取得成就的基础上,通过维持、扩展和协调地球系统观测,维持在创新驱动和应用激励研究之间的平衡,来支持国家在地方、区域、国家及全球范围内的需求。本计划能够很好地完成这一任务。

 

第一章:引言

美国全球变化研究计划(USGCRP)是美国为了解我们正在变化的星球以及这些变化对美国和世界人民的影响而付出努力中的主要贡献。它是根据《全球变化研究法案》(GCRA)建立的跨机构项目,旨在“协助国家和世界了解、评估、预测以及应对人为因素和自然过程引起的全球变化”(P.L. 101-606)。

全球变化意味着地球环境的变化(包括在气候、土地生产力、海洋或其他水资源、大气化学和生态系统等方面的改变),全球变化有可能改变地球维持生命的能力(NRC,2012a)。全球变化的过程包括气候变异与变化,还包括生态系统的一些其他变化,会对自然资源供给、经济、人类福祉产生重大影响(NASEM,2016)。GCRA中定义的全球变化研究意味着研究、监测、评估、预测以及信息管理活动,用来描述和了解:

  • 调节整个地球系统的自然、化学及生物过程的相互作用;
  • 地球为生命提供的独特环境;
  • 地球系统中正在发生的变化;
  • 这些受人类活动影响产生的系统变化的途径。

更好地了解正在发生的变化及其原因,将有助于公共及私营部门的决策者应对正在发生的变化。比如,本计划记录了过去50年美国大部分地区大暴雨大幅增加的情况(见图1)。这些强降水事件可以造成洪水泛滥、淹没下水道以及那些设计时未具有应对如此程度极端事件功能的道路等基础设施。通过意识到这一趋势,政府和企业可以设计出足够应对当前和未来极端事件的设施。

图1:此图显示,自1958-2012年间,美国大陆各地区在极端事件中暴雨降雨量增加的百分比。极端降雨事件(暴雨)被定义为所有日常事件中最严重的1%降雨过程。在美国东北、中西部地区、波多黎各、东南、大平原以及阿拉斯加地区极端降雨事件增加的趋势大于自然变化的趋势。在西南、夏威夷和西北地区极端降雨事件增加的趋势小于自然变化的趋势。

来源:Melillo等,2014。

 

自1990年建立以来,作为对人类影响――包括经济全球化、高速城市化以及温室气体排放增加等的回应,尽管应对全球变化的步伐在不断加速,本计划对全球环境变化的科学认识做出了显著贡献。在这段时间里,有关变化的速率及原因的重大问题得到了解答。该计划扩展了研究范围,以解决对人类和自然系统以及社会响应的多种影响,并在为社会各层面决策者提供可行性信息方面――从家庭到全球范围也包括当地、州、国家政府等的协作方面,进行了重大投资。在综合各机构、办公室提供的不同结果,为决策者和公众提供相关的及时信息时,该计划的协调功能发挥了关键作用。

除了通过协同研究产生新的科学知识以外,USGCRP项目还利用这些信息,为国家带来了一系列利益。本报告用一些案例对此价值链进行了展示。其中一个案例是对碳、氮、磷以及其他关键元素的循环研究。除其他方面之外,这些循环研究的结果能够指导农民如何优化使用化肥,在保持高产的同时,减少其投入成本,而且减少因化肥过量使用注入河流而对生态产生破坏(见图2)。另一个案例是关于极端天气和气候事件发生的频率、强度和持续时间变化方面的认知,这些知识能够用来减少这些极端事件的人力与经济损失。关于气候变异和气候变化对水循环影响的研究,已促使干旱早期预警系统及其他辅助设备的发展应用于实际决策成为可能(见图4,原文第20页)。还有一个案例是关于热浪对人类健康影响的研究如何促使“国家综合热健康信息系统”诞生,诸如热浪早期预警系统等决策支持工具降低了发病率和死亡率(Ebi等,2004;见图5,原文第30页)。

USGCRP为实现这些以及其他许多结果所做出的贡献,在研究、开发及应用全过程的不同阶段展现出来,如图2、4、5(图4、5见原文)所示。USGCRP协调各机构开展研究,以解决科学界和利益相关者所确定的关键问题。它在其报告和评估中综合了我们从这项研究中所获得的知识,将这些信息提供给决策人员。这些报告为各级决策者提供信息,同时支持资源开发以保护生命财产、促进经济繁荣、提高环境质量。这些互动将有助于指导新研究朝最有效的方向发展。

本报告强调了在过去四分之一世纪也就是USFCRP成立以来关于全球变化科学研究的成长,记载了本计划通过其主要的整合规划及协作、合成研究与实践服务于决策制定者的功能,对于全球变化科学研究成长所付出的努力。本报告从委员会的任务与途径开始,包括项目简史。然后,该计划的主要成就从两个功能展开讨论:(1)在参与全球变化研究的多家联邦机构间,开展全球变化研究活动的战略规划与协调;(2)对全球变化研究成果的高层次综合,并将其与决策者和美国公众分享。在结尾部分,本报告基于这些成就,对该计划未来发展方向进行了评论。(译者按:结尾部分见本期第2篇战略译文)

 

历史背景

在罗纳德·里根总统领导的越来越多的跨部门活动与规划期间,1990年,国会基于《全球变化研究法案》(GCRA,法案的全文见原文附录A),正式建立了美国全球变化研究计划(USGCRP)[1]。美国国会要求USGCRP以“协助国家和世界了解、评估、预测以及应对人为因素和自然过程引起全球变化”为任务(P.L.101-606)。在组织行政与政治资源,应对日益加剧的全球变化问题方面,这一创举是一个里程碑式的成就。

USGCRP建于20世纪80年代联邦政府各机构与部门最初开始着手研究当时新兴的地球系统科学领域的合作研究基础之上。历届政府持续对USGCRP提供支持,总统行政办公室从一开始就参与协调其活动,尽管其协调的行政结构随时间的推移而改变。在乔治·H.W.布什总统任期内,该计划由地球和环境科学委员会(CEES)协调。在威廉·克林顿总统的任期内,作为一项更大的科技重组工作内容之一,CEES被解散,在美国国家科学技术委员会(NSTC)下属的子委员会中,重组为美国全球变化研究计划。美国气候变化科学计划(CCSP)和气候变化技术计划是在乔治· W. 布什总统任期内建立的;CCSP与布什总统于2001年建立的气候变化研究倡议一起组合成立了USGCRP。在巴拉克·奥巴马总统的任期内,CCSP的工作持续以USGCRP向前推进。今天,USGCRP包括13个机构与部门(见栏1当前参加单位)。

 

 

1USGCRP现有参加机构与部门

 

现有参加机构与部门:

  • 美国国家科学基金会
  • 美国国家航空航天局
  • 美国国家海洋与大气管理局
  • 美国环境保护署
  • 美国能源部
  • 美国国务院
  • 美国国防部
  • 美国内政部
  • 美国农业部
  • 美国交通部
  • 美国卫生及公共服务部
  • 美国国际开发署
  • 史密斯索尼亚研究所

图2:该示意图展示了USGCRP在全球变化研究中促进科学进步的途径,以及这些信息在促进广泛应用方面所产生的价值,包括农业与生态保护。例如,解决人类活动如何影响营养循环的问题,已经为墨西哥湾沿岸自然保护区带来了地理空间工具的发展,也为农民使用氮肥提供了最优方案。橙色方框指出了USGCRP具体贡献点:研究与协调,综合这一过程的所有认识并确定新的研究重点。选定目标的引用见图释。

图释:

1、科学问题包括该领域科学界基本研究问题的案例。

2、USGCRP的研究与协调包括USGCRP研究与协调活动与机制案例。

a/b. 例如,在USGCRP向国会递交的年度报告和战略规划中(比如,CCSP,2002,2008a;全球变化研究组委会,1996;USGCRP,2012a,2015),可以找到美国农业部、国家海洋与大气管理局、能源部、内政部、环境保护署、国家航空航天局和国家科学基金会等部门开展的研究。

c. 更多部门间工作组的相关信息,请见链接:http://www.globalchange.gov/about/iwgs。另外,详见本报告原文第22页的示例3。

d. 美国生态学会(ESA)一份特殊开放获取期刊《生态学与环境前沿》(英文名称:Frontiers in Ecology and the Environment)中,关于北美陆地生态系统中生物温室气体的研究(2012),包括了得到碳循环跨部门研究组成员机构及其他机构资助的8篇论文(ESA,2012)。详见Suddick与Davidson的论文(2012)。

e. 2013年,ESA的特殊开放获取期刊《生态学与环境前沿》是第三次国家气候评估(NCA3)生态系统一章小组(ESA,2013)的成果。

f. 2013年5月29日,由21个机构和USGCRP代表组成的小组,在USGCRP办公室召开了为期一天的会议,以改进氮循环研究部门的协调,并确定跨部门合作机遇。

3、我们所学到的知识,见栏2,包括在研究与协调中的一些高层次成果。支持这些表述工作的引用信息可以参见原文中栏4的USGCRP综合产品内容。

4、USGCRP的综合内容包括由该计划开展的评估案例,以及向决策者和公众传达的评估结果。

a. 国家综合评估小组(2000,第72-88页);Karl等(2009,第74-88页,149页);Melillo等(2014,第350-368页)。

b. CCSP(2007)。

c. CCSP(2009)。

d. CCSP(2008e)。

5、如何使用这些结果,包括利用这些信息为国家提供利益的案例。

a. 参见Hong等(2007)。

b.密西西比河流域/海湾缺氧精准生态保护倡议蓝图是一个工具,包含大量地理空间产品包括水质层、农业系统层、地球物理层、鱼和野生动物重点领域以及其他内容。更多信息可访问:http://tallgrassprairielcc.org/resource/mississippi-river-basingulf-hypoxia-initiative-precision-conservation-blueprint

6、USGCRP确定的研究优先事项包括在USGCRP战略规划中重点强调的优先领域案例(USGCRP,2012b)。

 

 

2:《全球变化研究法案》的研究内容

 

《全球变化研究法案》(GCRA;§104(c))包括的5个研究内容为:

 

1、开展全球测量,获取全球观测数据,以了解对地球系统在所有相关空间和时间尺度上变化起作用的物理、化学与生物过程。

2、记载全球变化,包括记录未来几十年,将在地球系统中实际发生变化的发展机制。

3、开展地球系统早期变化研究,使用来自地质和化石记录的证据。

4、开展预测,使用地球系统定量模型来识别和模拟全球环境过程与趋势,以及这些过程与趋势的区域影响。

5、开展重点研究行动,以了解与全球变化相关的物理、化学、生物和社会进程的性质及相互作用。

 

GCRA的全文见附录A。

 

联邦机构对GCRA规定的响应,为USGCRP带来了两大主要增值活动:(1)制定战略规划和协调在参与全球变化研究的诸多联邦机构之间,进行全球变化研究活动与;以及(2)产生全球变化研究的高层次综合成果,在决策者与美国公众之间共享。以下关于本计划所做贡献的讨论,围绕这两个主题进行。我们主要利用回顾GCRA授权USGCRP开发的产品,特别是在13个机构合作的战略规划与评估,以及向国会提交的题为《我们的变化星球》报告,该文件每年出版,强调最近取得的成就并提供相关的预算信息。

 

我们的任务

应USGCRP的请求,委员会作为粗略审查撰写了本报告,在该计划任务与职责的背景下,确定USGCRP取得的最有效和最重要的科学研究成就,以及从这些成就中可以学到哪些关于该计划未来发展的经验教训(委员会的全部任务描述见原文附录B)。本报告并不是对该计划的全面评估,相反,委员会针对那些不熟悉该计划的人,以案例的方式来说明它对全球变化科学以及这些科学应用方面,所做出的最有价值的贡献。报告中提供的案例还说明了哪些机制对该计划具有较好的效果,以及计划在未来实施过程中还存在哪些挑战。

为了撰写这份报告,委员会审查了该计划出版的许多文件(参见原文附录C,提供了USGCRP扩展产品清单),以及对该计划各方面进行评论的国家科学研究院发表的报告(参见原文附录D,提供了相关报告清单)。委员会还就该计划所取得的成就、阻碍进步的壁垒,以及推动全球变化研究的机遇等方面,咨询了少数对USGCRP有深入了解的科学家、分析人士和前政府官员。委员会从一个外聘咨询机构获得了审查该计划产品的研究支持。我们对在本报告致谢中列出的这些专家的贡献,表示极大的肯定。在这一背景下,委员会利用其成员在全球变化科学与政策方面的广泛专业知识,以及对USGCRP及其历史的了解,自其成立以来,根据其使命及任务,选出了最重要的成就。

委员会采用GCRA法定框架的方式,在一项大型联邦研究工作的活动与成果中选择其中一小部分,便于非专业读者能够快速获得该计划的概述。GCRA(见原文附录A)为USGCRP提供了授权和优先事项,委员会选取一些案例来说明该计划如何响应这些职责。具体来说,本报告讨论了该计划如何进行战略规划与协调,提供了与GCRA和战略规划相关研究要素所获成就的案例,并描述了该计划在评估知识状态并将知识与决策者联系起来等方面所付出的努力。

该计划在其主要工作领域,以明智而富有成效的方式,横跨GCRA的一些要素。本报告讨论了跨越这些要素所取得的成就:(1)全球观测系统,相对于研究要素1和2(§104(c);参见栏2)以及信息管理需求(§104 d);(2)地球系统建模,对应于研究要素3和4(§104(c));以及(3)碳循环科学,提供了该计划响应研究要素5(§104(c))的直接案例。这些案例也讨论了该计划国际与评估功能的交叉(分别见原文§102(e)和§106)。本报告的第4个案例,将人文维度整合到全球变化研究中,讨论了随着全球变化不断发展和扩大,向该计划推荐的一个领域,有必要把全球变化人文维度纳入国家研究组合中,并且该计划在其后续的战略规划中对选定此领域进行了认可(§104(e))。最后,本报告对该计划的评估工作和评估进展进行了讨论(§106)。

这些案例与上述图表(图2、4、5)(图4、5见原文)一起,展示了一种不同形式的成就,这些成就是各政府机构与部门通过该计划的协调与领导取得的,同时也展示了该计划如何不断发展以满足国家需求。展示该计划的全部成就超出了向本委员会提出的任务范畴;因此,我们的选择是为了展示成就,而不代表分析意义。

本报告展示了科学进步的亮点,强调了获得信息的价值,强调了USGCRP通过其规划与协调联邦机构在全球变化研究过程中所发挥的作用。像USGCRP这样涉及那么广泛领域的项目,本来还可以确定很多其他方面的成就案例,但在本报告中,委员会强调的是在过去25年里,该计划在推动全球变化科学所发挥的作用中特别具有影响力和代表性的案例。

 

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] 有关项目管理发展的更多信息,请参阅Pielke(2000a,2000b)。