【編者按】

全球氣候變化一直是人類社會(huì)面對的巨大挑戰(zhàn)。現(xiàn)代空間對地觀測技術(shù)，能夠提供覆蓋全球的連續(xù)觀測，衛(wèi)星測高和衛(wèi)星重力等新觀測技術(shù)的出現(xiàn)，為人類提供了全新的“眼睛”，能夠從太空中審視地球每一個(gè)角落的氣候變化。

全球氣候變化是人類社會(huì)面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，主要表現(xiàn)包括全球變暖，及其引起的冰川融化、海平面上升以及極端氣候現(xiàn)象的增加。全球變暖的主要驅(qū)動(dòng)因素是近一個(gè)世紀(jì)以來，全球工業(yè)化所造成的溫室氣體增加。

什么驅(qū)動(dòng)了全球氣候變化？未來變化將走向何處？人類社會(huì)面臨怎樣的挑戰(zhàn)？要回答這些問題，精確和持續(xù)觀測氣候變化的各種影響至關(guān)重要。

傳統(tǒng)地面實(shí)測資料的覆蓋空間有限，無法更精確和全面地研究全球氣候變化。目前，對于全球氣候變化的研究越來越倚重空間觀測技術(shù)手段。

空間觀測的一大優(yōu)勢是“站得高，看得遠(yuǎn)”。本文以全球海平面變化、極地和山地冰川融化情況為例，展示由基礎(chǔ)研究驅(qū)動(dòng)的空間觀測技術(shù)發(fā)展。

一、全球海平面的變化趨勢

全球海平面變化在空間域和時(shí)間域的復(fù)雜性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了以往人們基于地面驗(yàn)潮站觀測數(shù)據(jù)的認(rèn)知范疇。在衛(wèi)星觀測技術(shù)出現(xiàn)之前，對全球海平面變化的監(jiān)測只能基于世界各地的驗(yàn)潮站觀測數(shù)據(jù)。

驗(yàn)潮站的數(shù)據(jù)精度高、記錄時(shí)間跨度長，但存在三大局限。一是空間覆蓋面有限，驗(yàn)潮站只能觀測到靠近海岸區(qū)域的海平面變化，而驗(yàn)潮站的數(shù)目有限，主要集中在北半球。二是時(shí)間上連續(xù)性有限，不同臺(tái)站覆蓋的時(shí)間跨度不同。三是，觀測數(shù)據(jù)容易受到臺(tái)站所在地的地面沉降或上升影響。

從上世紀(jì)七十年代中期開始，科學(xué)家們開始嘗試用衛(wèi)星測高技術(shù)來研究全球海平面變化。但早期的衛(wèi)星測高技術(shù)精度有限。直到1992年，由法國國家空間科學(xué)中心和美國宇航局聯(lián)合資助的現(xiàn)代高精度海洋測高衛(wèi)星（TOPEX/Poseidon）發(fā)射升空，此后，一系列現(xiàn)代高精度海洋測高衛(wèi)星升空，對全球海平面變化的觀測和研究進(jìn)入了一個(gè)全新的歷史時(shí)期。

基于現(xiàn)代衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)，可以相當(dāng)準(zhǔn)確得知，過去三十年間，全球海平面平均每年上升3.4毫米，且上升有明顯的加速趨勢。衛(wèi)星測高提供的高精度全球海平面觀測數(shù)據(jù)，可以幫助我們更好地了解海平面變化，并更好地預(yù)測未來海平面的上升趨勢。

除了全球海平面變化，現(xiàn)代衛(wèi)星測高技術(shù)也極大促進(jìn)了海洋動(dòng)力學(xué)（海洋洋流和海氣相互作用）方面的研究。結(jié)合衛(wèi)星測高和其它觀測，人們可以研究海洋中儲(chǔ)存熱能的變化。從九十年代初至今，全球海洋吸收的熱能增加了0.6-0.8瓦每平方米，總量相當(dāng)于約2-3億兆瓦。這些研究可以幫助我們更好地了解和預(yù)測全球變暖的趨勢。

圖1.  (左) 第一顆現(xiàn)代高精度海洋測高衛(wèi)星TOPEX/Poseidon的示意圖 (1992年8月發(fā)射升空)；(右) 綜合多顆高精度海洋測高衛(wèi)星所觀測到的全球平均海平面在過去近30年間 (1993-2021) 的變化。（作者供圖）

二、極地、山地冰川融化情況

過去幾十年，全球氣候變化還體現(xiàn)在極地和山地冰川的大量融化。

極地冰蓋和山地冰川覆蓋的面積十分龐大，占全球陸地面積的10%，且冰川融化的物理過程非常復(fù)雜，很難精確測定其融化速度。2002年3月，由美國宇航局和德國航天中心聯(lián)合資助的 “重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒?yàn)” （GRACE）重力衛(wèi)星發(fā)射升空，回答上述問題成為可能。

圖2.  GRACE重力衛(wèi)星的示意圖。兩顆雙子衛(wèi)星在相同軌道，一前一后運(yùn)行，間距220公里。科學(xué)家們通過精確測量兩顆衛(wèi)星之間距離的微小變化，來解算地球重力場的變化，進(jìn)而用重力場變化反演出地球表面物質(zhì)遷移和質(zhì)量的變化。（作者供圖）

近20年來，GRACE精確測定了地球重力場的變化，并被廣泛應(yīng)用于全球氣候變化的各個(gè)研究領(lǐng)域，例如極地和山地冰川融化、極端洪澇干旱災(zāi)害事件的監(jiān)測，以及陸地和地下水儲(chǔ)量的長期變化等。

全球變暖對北半球，尤其北極地區(qū)的影響格外嚴(yán)重。此前，科學(xué)家們已經(jīng)預(yù)測了格陵蘭島的冰川融化，但GRACE重力衛(wèi)星的出現(xiàn)讓人們能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出融化的快慢——2003~2021年間，格陵蘭島冰蓋的冰川融化超過了5000立方公里（平均每年融化約278立方公里），水量相當(dāng)于讓全球海平面上升11 毫米。這是一個(gè)非常驚人的數(shù)字，要知道中國一年所有的淡水消耗總量是600立方公里左右。

南極是世界最大的冰蓋，儲(chǔ)存了地球表面90%的固體淡水。如果南極冰蓋完全融化，全球平均海平面將會(huì)上升60米，許多沿海城市將被徹底淹沒。根據(jù)GRACE重力衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，近20年來，南極冰蓋的融化總量達(dá)到了2500立方公里。

圖3.  利用GRACE/GRACE-FO聯(lián)合觀測的地球重力場變化計(jì)算得到的過去20年 (2002-2021) 年間格陵蘭島冰川的融化量。這期間的融化總量超過了5000立方公里 (平均每年融化278立方公里)。

全球氣候變化影響著世界的每一個(gè)角落，或者說，世界每個(gè)角落的氣候變化，綜合起來構(gòu)成了全球氣候變化。現(xiàn)代空間對地觀測技術(shù)利用其獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠提供覆蓋全球的連續(xù)觀測。一些新觀測技術(shù)的出現(xiàn) ，例如衛(wèi)星測高和衛(wèi)星重力，為觀測全球氣候變化提供了新的 “眼睛”，讓人類有了更寬廣的視野，可以從太空中審視地球每一個(gè)角落的變化，也讓人們看到了許多以前只能想象，而無法看到的現(xiàn)象。

（作者陳劍利系香港理工大學(xué)土地測量與地理咨詢學(xué)系教授）

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“光年之外”專題，由“共話天文與人·賦能未來發(fā)展”天文論壇特別邀約國內(nèi)外頂尖天文科研工作者發(fā)聲，該論壇由中國天文學(xué)會(huì)主辦，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)和國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)天文促發(fā)展辦公室東亞區(qū)域辦公室承辦，它是IYBSSD2022基礎(chǔ)科學(xué)促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展國際年系列活動(dòng)之一。