全球变化大数据的科学认知与云共享平台

本文是国家重点研发计划"全球变化及应对"专项之"全球变化大数据的科学认知与云共享平台"项目介绍。针对中国全球变化数据"数据海量、信息缺乏、知识难觅"的困局,项目力图通过联合中国对地观测领域、大气科学领域、气候变化研究领域的优势力量,建成具有中国特色的全球变化大数据共享平台,践行破除信息数据"深藏闺中"的壁垒。该平台将集大数据快速汇聚、大尺度产品快速生成、不确定性分析、大数据驱动的全球变化敏感因子认知于一体,一方面为中国全球变化研究提供中国区域最好的全球变化大数据集,另一方面为在国际相关活动中,掌握全球变化问题的主导权,发出中国的倡议与声音提供应有的支持。     

李志刚:地理国情监测成果将服务于专业部门

5月30日,由国家基础地理信息中心承担的地理国情监测试点项目——"地理国情监测重点要素统计分析"通过国家测绘地理信息局组织的项目验收. 该项目是地理国情监测大项目启动前的技术试点,项目组利用最新版的国家1∶50000基础地理信息数据库,通过要素分析、地理空间计算,生成了地形地势本底基础数据集和地级市以上城市分布本底数据集,在此基础上分析了基础地理信息数据在地理国情监测中的适用性,试验了针对重要地理要素统计分析的技术方法及流程,并开展了相关统计分析.     

基于遥感的植被年际变化及其与气候关系研究进展

植被具有明显的年际变化和季节变化特点,对植被的动态监测可以从一定程度上反映气候变化的趋势,因此监测植被动态变化以及分析这种变化与气候的关系已经成为全球变化研究的一个重要领域.随着遥感卫星获得长时间系列逐日观测数据,许多国际组织和机构制定了全球卫星数据接收、处理和生成数据集计划,所产生的标准数据集则极大地促进了该项研究.大量研究在全球尺度、洲际尺度（北美洲和欧亚大陆）以及区域尺度上广泛开展.在阅读国内外大量文献的基础上,比较分析了常用于植被监测的卫星传感器和主要数据集,汇总了植被年际变化及其与气候关系研究的主要研究方法和研究结果.结果表明近20年来全球植被活动明显增强,表现为北半球普遍存在增加的趋势,南半球干旱半干旱区出现降低的植被光合作用,但这些变化因空间位置不同和研究尺度不一样体现出不同的动态变化特征.气温和降水是影响植被变化的最主要的因素.     

中澳合作南极Amery冰架科学考察

日前 ,中国和澳大利亚合作南极Amery冰架科学考察项目开始 ,武汉大学测绘学院教师张小红博士作为中方队员参加。主要项目包括雷达测冰 ,测定冰架厚度 ,动态监测南极冰雪的变化 ,研究全球气候变化 ,以及海平面变化同南极冰雪变化的相互响应关系 ;高精度GPS观测 ,获得冰架运动状态及物质平衡等连续观测资料 ,研究冰架的运动态势 ,为确定冰架动力学状态提供关键参数 ,同时获得冰架高程变化 ;海洋观测 ,研究冰架和海水间的物质交换过程的机制。此次科考有望在获取Amery冰架表面降雪累计速率 ;高精度GPS定位的高程数据为卫星雷达测高和数字高…     

地球系统多尺度关键区域与关键过程的智能化测绘

作为地球系统中对全球气候变化最敏感的关键区域,冰冻圈的关键过程研究备受关注.同时,地球系统多尺度关键过程监测研究的必然趋势是从数字化测绘走向智能化测绘.本文针对冰川融化与海平面上升、极地冰盖稳定性及底部结构、南北极海冰变化与极端气候、冻土退化与地质灾害,以及地球系统下的宜居城市地下空间等5方面总结了智能化观测和智能化处理在地球系统关键过程方面的研究现状,进而展望了地球系统关键区域和关键过程的智能化测绘发展趋势,即健全智能化综合监测网络、建立关键区域大数据中心,以及搭建关键过程智能化模拟与预报系统等.     

基于网络复合架构的全球碳循环关键参数共享平台

在课题经费、软硬件环境受限的前提下,研究全球碳循环关键参数产品共享平台的关键技术.基于Java 2 Platform Enterprise Edition(J2EE)、百度网盘等相关计算机技术,搭建了基于网络复合架构的全球碳循环关键参数产品低成本共享原型系统,为"全球生态系统碳循环关键参数立体观测与反演"课题所生产的24种不涉密碳循环关键产品提供web共享平台,为全球科研学者在全球变化研究中提供科学数据集.     

地球资源环境动态监测技术的现状与未来

针对国家全球化战略和迫切需要解决的全球环境和资源问题,本文阐述了国内外地球资源环境动态监测技术主要研究进展,发现存在地球资源环境监测高精度产品缺乏、动态监测能力不完备、遥感信息服务及时性和便携不足等主要问题。在此基础上,提出中国迫切需要发展面向全球和重点区域的持续、动态观测能力,建立全球视野的资源环境动态监测产品和应用系统,突破全球资源环境研究的理论和关键技术,建立全球资源环境遥感监测指标和技术体系,形成全球立体协同观测、资源汇聚优化、信息智能处理、云平台业务应用的自主技术体系,完善支撑任务驱动的数据汇聚、模型调度、产品生成等在线遥感信息服务能力,发布全球、洲际和全国高质量空间要素遥感信息产品、专题应用系统、技术报告等成果。最终为全球资源环境研究提供知识发现的数据和服务,支撑中国在全球资源环境监测评估、重大灾害事件监测预警、应对国家安全与全球变化等领域的服务。     

全球气候变化背景下极地冰盖关键参数遥感观测验证EI北大核心CSCD

在当前全球气候变暖背景下,极地冰盖关键过程和重要参数研究对揭示极地冰盖对全球海平面变化的影响,提高海平面上升贡献的预测精度至关重要。极地科学考察的实地观测数据可以为遥感观测提供校准和验证,降低遥感反演的不确定性。本文基于同济大学全球变化研究团队近年来针对极地冰盖关键参数的测绘遥感与现场考察工作,重点阐述在极地科考观测验证和数据处理方面的研究,包括在南极冰盖的新型测高卫星的空-地协同验证、卫星角反射器布设、粒雪层内部温度观测与模型验证、多平台无人机海冰探测和雪冰环境调查,以及格陵兰冰盖质量变化评估等。最后,本文对未来的极地科考验证计划进行了展望。     

遥感与地球系统科学

地球作为一个高度复杂的非线性系统,各圈层(大气、海洋、陆地、生物、冰雪圈、固体地球)尤其是人类活动等任何组成成份的变化,都会引起地球系统的变化。人类可持续发展面临的巨大科学挑战之一是认识人类赖以生存的、复杂变化的地球系统,认识地球系统如何变化及主要驱动因素,认识地球系统未来变化趋势及如何提高对全球变化的适应能力。卫星独特的全球覆盖和日尺度的观测改变了地球科学的研究方法,它强调所能探测到的多时空尺度上的物理动力过程,在全球范围应对气候变化、能源和环境挑战具有重要作用,揭开了地球系统多学科交叉的新纪元。以地球系统的视野,抓住驱动地球系统的关键循环过程(如能量、水、生物化学循环),是当前地球系统科学的发展趋势。地球系统科学(全球变化)研究需要长期稳定、准确性较高的卫星观测数据,以水循环为例,卫星遥感具备获取全球范围水循环关键参数能力,但是系统性综合观测能力不足,整体精确性受到综合化的可靠空间数据集的限制。目前中国正在积极研制发展新型水循环卫星WCOM(Water Cycle Observation Misssion),并寄希望以此为核心传感器发起全球分布式水循环观测星座系统,进一步提高中国在国际水循环观测与地球系统科学研究方面的话语权与领先能力。     

空间地球科学视角下的全球水循环研究

空间地球科学是利用空间观测的手段,研究地球系统、各子系统之间以及各要素和过程之间的相互作用、变化机制及其发展演化的一门综合性、交叉性学科,为科学家开展地球系统科学研究提供新手段、新思路和全新视角。空间地球科学的发展推动航天技术、遥感和测绘科学、地球系统科学包括气象、海洋、水文、生态等一系列学科的发展,是全球变化背景下促进全球治理和"人类命运共同体"构建的重要基石。本文主要回顾空间地球科学的产生和发展历程,以全球水循环为例阐述空间观测在地球系统关键循环过程研究中的作用,并对中国未来空间地球观测进行展望,以期盼中国空间地球科学事业迈向新篇章。     

Climate Change Studies Using Space Based Observation

Climate change is associated with earth radiation budget that depends upon incoming solar radiation, surface albedo and radiative forcing by greenhouse gases. Human activities are contributing to climate change by causing changes in Earth’s atmosphere (greenhouse gases, aerosols) and biosphere (deforestation, urbanization, irrigation). Long term and precise measurements from calibrated global observation constellation is a vital component in climate system modelling. Space based records of biosphere, cryosphere, hydrosphere and atmosphere over more than three decades are providing important information on climate change. Space observations are an important source of climate variables due to multi scale simultaneous observation (local, regional, and global scales) capability with temporal revisit in tune with requirements of land, ocean and atmospheric processes. Essential climatic variables that can be measured from space include atmosphere (upper air temperature, water vapour, precipitation, clouds, aerosols, GHGs etc.), ocean (sea ice, sea level, SST, salinity, ocean colour etc.) and land (snow, glacier, albedo, biomass, LAI/fAPAR, soil moisture etc.). India’s Earth Observation Programme addresses various aspects of land, ocean and atmospheric applications. The present and planned missions such as Resourcesat-1, Oceansat-2, RISAT, Megha-Tropiques, INSAT-3D, SARAL, Resourcesat-2, Geo-HR Imager and series of Environmental satellites (I-STAG) would help in understanding the issues related to climate changes. The paper reviews observational needs, space observation systems and studies that have been carried out at ISRO (Indian Space Research Organization) towards mapping/detecting the indicators of climate change, monitoring the agents of climate change and understanding the impact of climate change, in national perspectives. Studies to assess glacier retreat, changes in polar ice cover, timberline change and coral bleaching are being carried out towards monitoring of climate change indicators. Spatial methane inventories from paddy rice, livestock and wetlands have been prepared and seasonal pattern of CO₂, and CO have been analysed. Future challenges in space observations include design and placement of adequate and accurate multi-platform observational systems to monitor all parameters related to various interaction processes and generation of long term calibrated climate data records pertaining to land ocean and atmosphere.     

陆地表层覆盖变化对地表反照率影响的四国对比

陆表覆盖变化影响地表特征从而改变地表能量平衡是理解人类活动对全球气候变化影响的关键环节。选择国际气候谈判主要国家的美国、印度和巴西作为中国的对比国，对比分析不同国别、不同气候带典型陆表覆盖类型的地表反照率时空差异，进而模拟开垦和城市化等陆表覆盖变化对反照率的影响差异。结果表明：(1) 2000年—2015年，中国、美国的地表反照率年际变化存在明显的气候带空间分异特征，中国干旱半干旱区和美国中低纬湿润区表现出降低趋势，而中国亚热带湿润和美国高纬与中部干旱区则表现出明显的升高趋势，印度的地表反照率年际变化呈微弱下降趋势，而巴西为微弱上升趋势。(2)无雪覆盖时，耕地、林地、草地和人造地表反照率具有夏高、冬低的时间变化特征，干旱半干旱区反照率明显高于湿润区。4种类型的国别差异体现在，中国亚热带湿润区地表反照率均以上升为主，干旱半干旱区则相反；美国除耕地在干旱区呈较强的升高趋势外，其余类型基本为降低趋势；印度均表现为降低趋势；巴西则表现为略微升高趋势。(3)与无雪覆盖相比，有雪覆盖时不同陆表覆盖类型地表反照率均有所提高，林地提高幅度最小，约0.06—0.26，耕地提高最大，约为0.17—0.38，且中国林地反照率提高幅度略高于美国。(4)原陆表覆盖为林地时，开垦和城镇化均导致地表反照率升高，且干旱区升高幅度高于湿润区，湿润区的升高幅度随纬度降低而减弱；为草地时，开垦主要在巴西、印度和中、美亚热带湿润区引起地表反照率升高。而城镇化引起的反照率变化则受到原有地表覆盖、季节和气候背景影响存在较复杂的国别和气候带差异。     

黄河三角洲Sentinel-3高精度时空连续海陆表面温度反演

海陆表面温度是理解全球变化与人类活动的关键参数。针对已有温度反演产品海陆边界时空不连续的问题,本文采用Sentinel-3海陆表面温度辐射计(SLSTR)光学与热红外影像,通过植被指数阈值法逐像元计算陆表与海表发射率,基于分裂窗算法反演得到黄河三角洲陆海表面时空连续温度产品。结合地面温度观测和欧洲中期天气预报中心提供的全球中等分辨率数值大气再分析产品,验证了本文陆海温度产品(均方根误差优于1.1K)反演精度高于现有公开的全球产品,可为全球时空连续温度产品反演提供参考。     

SBDART的参数化短波辐射传输模型

云层对地气系统辐射能量平衡有重要的调节作用,然而传统1维大气辐射传输模型仅能考虑晴空和全云两种情况。为了更好地研究云层对地表短波辐射的影响,以大气辐射传输模型SBDART(Santa Barbara Disort Atmospheric Radiative Transfer)为基础,在短波辐射传输基本方程中引入半球天空有效云覆盖度和区域真实云覆盖度两个关键云参数,考虑太阳方向和半球天空云层覆盖情况,对模型进行几何关系的修正。结合短波辐射的影响因素和SBDART模型的内置参数,选择13个参数,使用全局定量敏感性分析软件Sim Lab对修正后的模型进行参数敏感性分析及应用讨论。研究结果表明:该模型能够较好地描述云层对地表短波辐射的影响;对下行短波辐射和地表短波净辐射而言,太阳天顶角和地表反照率的影响最为显著;两个云覆盖参数在很大程度上也影响了地表短波辐射分量;在模型实际应用过程中,敏感性较强的6个参数均可以通过卫星遥感数据得到,模型具有较好的应用前景。由此可见,改进的短波辐射传输模型能够更好地考虑不同云层条件下、不同太阳–云–观测几何下的短波辐射传输问题,有利于提高短波辐射参量的遥感反演精度。     

近20年海平面变化成因研究进展及挑战

揭示海平面变化成因有助于深入认识当前的全球气候变化,并做出积极应对。空间大地测量技术及海洋浮标观测极大地促进了对全球及区域海平面变化成因的研究,有效弥补了海洋模式对长期趋势估计不准确的缺点,有助于理解海平面长期趋势及年际变化的驱动因素。本文系统回顾了近20年关于海平面上升成因的研究进展,分析了陆地质量迁移不同成分对海平面上升的贡献。多源观测数据表明,海水质量增加贡献了2/3的海平面上升,其余1/3由海水热膨胀引起。由于气候变暖趋势没有减弱,陆地冰川消融和海水热膨胀均伴随加速度变化。这些研究成果不仅极大地提升了对当前海平面变化的认识,而且有助于约束对未来海平面上升的预测。最后,讨论了海平面变化成因研究中面临的困难与挑战:①在局部尺度上,使用观测数据尚不能完全揭示海平面长期趋势变化成因;②2016年后,全球平均海平面平衡方程的闭合差显著增大。     

多源卫星观测的全球海洋次表层温度异常信息提取

基于表层卫星遥感观测的中深层海洋遥感对于了解海洋内部异常及其动力过程有重要意义。如何从现有的海洋表层遥感观测资料提取海洋内部关键动力环境信息场是具有挑战性的海洋遥感技术前沿。本文采用支持向量回归(SVR)方法,通过卫星遥感观测获取的多源海表参量(海表高度异常(SSHA)、海表温度异常(SSTA)、海表盐度异常(SSSA)和海表风场异常(SSWA)),选择最优参量输入组合,感知海洋次表层温度异常(STA),并用实测Argo数据作精度验证。结果表明SVR模型可准确估算全球尺度的STA(1000 m深度以浅);当SVR输入变量为2个(SSHA、SSTA)、3个(SSHA、SSTA、SSSA)、4个(SSHA、SSTA、SSSA、SSWA)时对应的平均均方差(MSE)分别为0.0090、0.0086、0.0087,平均决定系数(R2)分别为0.443、0.457、0.485。因此,除了SSHA和SSTA外,SSSA与SSWA的输入对SVR模型的估算有积极影响,有助于提高STA的估算精度。在全球增暖与减缓背景下,该研究可为从表层卫星遥感观测提取海洋内部热力异常信息研究提供重要技术支持,有利于拓展卫星对海观测范围。     

Verification of NCEP Reanalysis Shortwave Radiation With Mesoscale Remote Sensing Data

This letter contains a validation of the National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research 40-year reanalysis radiation data sets to evaluate their accuracy in the determination of radiation fluxes. Unlike other recent studies that operate on a global scale, this letter concentrates on the regional aspects of climate research using high-resolution remote sensing data as a reference. These data sets are derived from Meteosat Second Generation, and the focus lies in the area between 35^deg N to 60^deg N, 10 ^deg N to 25^deg E covering Central and Southern Europe and the surrounding sea. The examination of the incoming shortwave radiation, the surface albedo, and the solar radiation budget shows the influence of cloud cover parameterization and land-sea distribution as well as orographic and subgrid phenomena. The results lead to the conclusion that on a regional scale, the accuracy of the reanalysis products concerning solar radiation fluxes is limited.     

Seasonal global mean sea level change from satellite altimeter, GRACE, and geophysical models

We estimate seasonal global mean sea level changes using different data resources, including sea level anomalies from satellite radar altimetry, ocean temperature and salinity from the World Ocean Atlas 2001, time-variable gravity observations from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission, and terrestrial water storage and atmospheric water vapor changes from the NASA global land data assimilation system and National Centers for Environmental Prediction reanalysis atmospheric model. The results from all estimates are consistent in amplitude and phase at the annual period, in some cases with remarkably good agreement. The results provide a good measure of average annual variation of water stored within atmospheric, land, and ocean reservoirs. We examine how varied treatments of degree-2 and degree-1 spherical harmonics from GRACE, laser ranging, and Earth rotation variations affect GRACE mean sea level change estimates. We also show that correcting the standard equilibrium ocean pole tide correction for mass conservation is needed when using satellite altimeter data in global mean sea level studies. These encouraging results indicate that is reasonable to consider estimating longer-term time series of water storage in these reservoirs, as a way of tracking climate change.     

Global analysis of time-lag and -accumulation effects of climate on vegetation growth

Climate dominantly controls vegetation over most regions at most times, and vegetation responses to climate change are often asymmetric with temporal effects. However, systematic analysis of the time-lag and time-accumulation effects of climate on vegetation growth, has rarely been conducted, in particular for different vegetation growing phases. Thus, this study aimed to leverage normalized difference vegetation index (NDVI) to determine the spatiotemporal patterns of climatic effects on global vegetation growth considering various scenarios of time-lag and/or accumulation effects. The results showed that (i) climatic factors have time-lag and -accumulation effects as well as their combined effects on global vegetation growth for the whole growing season and its subphases (i.e., the growing and senescent phases). However, these effects vary with climatic factors, vegetation types, and regions. Compared with those of temperature, both precipitation and solar radiation display more significant time-accumulation effects in the whole growing season worldwide, but behave differently in the growing and senescent phases in the middle-high latitudes of the Northern Hemisphere; (ii) compared to the scenario without time effects, considering time-lag and -accumulation effects as well as their combined effects increased by 17 %, 15 %, and 19 % the overall explanatory power of vegetation growth by climate change for the whole growing season, the growing phase, and senescent phase, respectively; (iii) considering the time-lag and -accumulation effects as well as their combined effects, climate change controls 70 % of areas with a significant NDVI variation from 1982 to 2015, and the primary driving factor was temperature, followed by solar radiation and precipitation. This study highlights the significant time-lag and -accumulation effects of climatic factors on global vegetation growth. We suggest that these effects need to be incorporated into dynamic vegetation models to better understand vegetation growth under accelerating climate change.