光年之外｜空间对地观测及全球气候变化

【编者按】

全球气候变化一直是人类社会面对的巨大挑战。现代空间对地观测技术，能够提供覆盖全球的连续观测，卫星测高和卫星重力等新观测技术的出现，为人类提供了全新的“眼睛”，能够从太空中审视地球每一个角落的气候变化。

全球气候变化是人类社会面临的巨大挑战之一，主要表现包括全球变暖，及其引起的冰川融化、海平面上升以及极端气候现象的增加。全球变暖的主要驱动因素是近一个世纪以来，全球工业化所造成的温室气体增加。

什么驱动了全球气候变化？未来变化将走向何处？人类社会面临怎样的挑战？要回答这些问题，精确和持续观测气候变化的各种影响至关重要。

传统地面实测资料的覆盖空间有限，无法更精确和全面地研究全球气候变化。目前，对于全球气候变化的研究越来越倚重空间观测技术手段。

空间观测的一大优势是“站得高，看得远”。本文以全球海平面变化、极地和山地冰川融化情况为例，展示由基础研究驱动的空间观测技术发展。

一、全球海平面的变化趋势

全球海平面变化在空间域和时间域的复杂性，远远超过了以往人们基于地面验潮站观测数据的认知范畴。在卫星观测技术出现之前，对全球海平面变化的监测只能基于世界各地的验潮站观测数据。

验潮站的数据精度高、记录时间跨度长，但存在三大局限。一是空间覆盖面有限，验潮站只能观测到靠近海岸区域的海平面变化，而验潮站的数目有限，主要集中在北半球。二是时间上连续性有限，不同台站覆盖的时间跨度不同。三是，观测数据容易受到台站所在地的地面沉降或上升影响。

从上世纪七十年代中期开始，科学家们开始尝试用卫星测高技术来研究全球海平面变化。但早期的卫星测高技术精度有限。直到1992年，由法国国家空间科学中心和美国宇航局联合资助的现代高精度海洋测高卫星（TOPEX/Poseidon）发射升空，此后，一系列现代高精度海洋测高卫星升空，对全球海平面变化的观测和研究进入了一个全新的历史时期。

基于现代卫星测高数据，可以相当准确得知，过去三十年间，全球海平面平均每年上升3.4毫米，且上升有明显的加速趋势。卫星测高提供的高精度全球海平面观测数据，可以帮助我们更好地了解海平面变化，并更好地预测未来海平面的上升趋势。

除了全球海平面变化，现代卫星测高技术也极大促进了海洋动力学（海洋洋流和海气相互作用）方面的研究。结合卫星测高和其它观测，人们可以研究海洋中储存热能的变化。从九十年代初至今，全球海洋吸收的热能增加了0.6-0.8瓦每平方米，总量相当于约2-3亿兆瓦。这些研究可以帮助我们更好地了解和预测全球变暖的趋势。

图1.  (左) 第一颗现代高精度海洋测高卫星TOPEX/Poseidon的示意图 (1992年8月发射升空)；(右) 综合多颗高精度海洋测高卫星所观测到的全球平均海平面在过去近30年间 (1993-2021) 的变化。（作者供图）

二、极地、山地冰川融化情况

过去几十年，全球气候变化还体现在极地和山地冰川的大量融化。

极地冰盖和山地冰川覆盖的面积十分庞大，占全球陆地面积的10%，且冰川融化的物理过程非常复杂，很难精确测定其融化速度。2002年3月，由美国宇航局和德国航天中心联合资助的 “重力恢复和气候实验” （GRACE）重力卫星发射升空，回答上述问题成为可能。

图2.  GRACE重力卫星的示意图。两颗双子卫星在相同轨道，一前一后运行，间距220公里。科学家们通过精确测量两颗卫星之间距离的微小变化，来解算地球重力场的变化，进而用重力场变化反演出地球表面物质迁移和质量的变化。（作者供图）

近20年来，GRACE精确测定了地球重力场的变化，并被广泛应用于全球气候变化的各个研究领域，例如极地和山地冰川融化、极端洪涝干旱灾害事件的监测，以及陆地和地下水储量的长期变化等。

全球变暖对北半球，尤其北极地区的影响格外严重。此前，科学家们已经预测了格陵兰岛的冰川融化，但GRACE重力卫星的出现让人们能够准确地计算出融化的快慢——2003~2021年间，格陵兰岛冰盖的冰川融化超过了5000立方公里（平均每年融化约278立方公里），水量相当于让全球海平面上升11 毫米。这是一个非常惊人的数字，要知道中国一年所有的淡水消耗总量是600立方公里左右。

南极是世界最大的冰盖，储存了地球表面90%的固体淡水。如果南极冰盖完全融化，全球平均海平面将会上升60米，许多沿海城市将被彻底淹没。根据GRACE重力卫星观测数据进行推算，近20年来，南极冰盖的融化总量达到了2500立方公里。

图3.  利用GRACE/GRACE-FO联合观测的地球重力场变化计算得到的过去20年 (2002-2021) 年间格陵兰岛冰川的融化量。这期间的融化总量超过了5000立方公里 (平均每年融化278立方公里)。

全球气候变化影响着世界的每一个角落，或者说，世界每个角落的气候变化，综合起来构成了全球气候变化。现代空间对地观测技术利用其独特的优势，能够提供覆盖全球的连续观测。一些新观测技术的出现 ，例如卫星测高和卫星重力，为观测全球气候变化提供了新的 “眼睛”，让人类有了更宽广的视野，可以从太空中审视地球每一个角落的变化，也让人们看到了许多以前只能想象，而无法看到的现象。

（作者陈剑利系香港理工大学土地测量与地理咨询学系教授）

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“光年之外”专题，由“共话天文与人·赋能未来发展”天文论坛特别邀约国内外顶尖天文科研工作者发声，该论坛由中国天文学会主办，中国科学院上海天文台和国际天文学联合会天文促发展办公室东亚区域办公室承办，它是IYBSSD2022基础科学促进可持续发展国际年系列活动之一。