為什麼要建全球對地觀測網？

不同觀測領域「各自為政」

氣候變化、水和糧食安全、城市空氣污染等這些對環境產生巨大影響的挑戰密不可分，但是對它們的研究卻各自分開進行。

地球表面與大氣之間的相互作用影響氣候、空氣質量和水循環。例如，二氧化碳濃度上升會增強光合作用，植物從大氣中吸收溫室氣體，但它們也釋放如單萜這樣的揮發性有機化合物。這會加速氣溶膠顆粒的形成，而這些顆粒會進一步將太陽光反射回太空。此外，人類的活動，比如控制排放政策、城市化和林業等，也會影響大氣、陸地和海洋。

衛星和地面大氣站相對獨立地對溫室氣體、生態系統、顆粒物或臭氧進行監測，偶爾集中進行聯合觀測。但在非洲、東歐、南美洲等全球廣大地區，這種聯合觀測並不常見。

這就產生了一些毫無意義的雜亂信息，就像試圖使用6月份觀測到的參差不齊的降水、風、溫度、氣壓等信息，去預測11月份的天氣。

尋找應對策略

應對之策是建立全球性的對地觀測站。

在全球範圍內建立1000個或更多設備齊全的地面站，這些台站的數據將與衛星遙感、實驗室實驗和計算機模型數據相結合，最終能夠全面持續地對環境和關鍵生態系統進行監測追蹤。

研究人員可以在這些連貫一致的數據集中發現新的機理和反饋迴路；決策者可以對政策和其效果進行檢驗；公司可以進一步開發環境服務業務；這一辦法還可以為極端天氣、化學事故發生期間以及之後迅速應對提供及時預警。

專家對建立全球觀測站的討論已持續了十幾年，但到目前才變得可行。因為目前設備儀器已經成熟，例如，如今的大氣質譜儀可以一次測量數千種大氣中的化學物質。馬爾庫教授的團隊及其合作者已經展示了一套生態系統大氣關係測量站（SMEAR II）是如何在芬蘭北方森林中對環境進行監測的。

綜合併擴大空間-地面監測的區域性舉措已足以在全球推廣類似台站，如PEEX（泛歐亞科學實驗計劃）、DBAR（數字絲路國際科學計劃)等。世界氣象組織（WMO）正在採取措施建立一個全球觀象台。目前，緊迫的任務是，2020年以後的碳排放量必須要降下來，這項任務十分艱巨，要求大規模轉變環境數據的收集和分發方式。

建立一個綜合觀測網

地面站覆蓋不全是全球觀測的主要障礙。衛星可以連續監測幾乎整個地球範圍的大氣化合物，如二氧化碳、臭氧和氣溶膠等。但衛星不能解決這些化合物的通量觀測問題，不能更有針對性地監測數百或更多化合物。衛星數據必須通過地面實況和模式來檢驗其精確性。

雖然現在的地面站網路已經建立，但是沒有整體布局。每個學科或團隊均以自身目的為出發點設計和建立地面站；溫室氣體、大氣化學物、生態系統等可在不同地點進行監測；出資機構更關注各自國家的利益。

而SMEAR II站採取更加綜合的方法，使用最先進的大氣質譜儀、雲雷達和激光雷達（光探測和測距儀），對溫室氣體、痕量氣體氣溶膠以及光合作用、土壤溫度、濕度和養分梯度的指標等1000多個變數進行監測。

目前，面臨的挑戰是如何吸收當地的專業技術，在全球建立類似的觀測站。初期，最好在全球三個覆蓋範圍稀少的地區以及大城市選址建站。

在熱點地區建站

俄羅斯和哈薩克等國家是全球氣候變化的關鍵「實驗室」。這些國家的礦產、石油和天然氣儲量豐富：西伯利亞含有的天然氣潛在儲量佔俄羅斯總量的85%，煤炭儲量佔75%，石油儲量佔65%。

氣候變化正在快速改變這些地區的環境，許多問題我們依然不知。例如，永凍土消失的速率有多快？北極綠化（冰雪融化所致）會固碳還是產生氣溶膠？甲烷排放量急劇增加是否會加劇全球變暖？

在這個區域，研究者需要測量氣溶膠、溫室氣體（二氧化碳和甲烷等）以及其他微量氣體（揮發性有機化合物、氮氧化合物、臭氧、二氧化硫、一氧化碳和氨氣等）。目前，有兩個氣象站已經開始擴大觀測範圍，一個是俄羅斯東部勒拿河區域的季克西水文氣象觀測站，一個是西伯利亞西南部的佐提諾高塔觀測站。在理想狀態下，覆蓋此區域大約需要30個綜合氣象站，相互間隔1000公里。

非洲——

非洲大陸的人口正在迅速增加，自1987年以來已經翻倍，在2015年達到12億。同時，曾經肥沃的區域已經變得乾旱，對水和食物的供應提出挑戰，這就需要新的對策來儲蓄雨水，維持土壤水分。因此，需要更好地理解水和其他的生物地球化學循環。但是，非洲的氣象監測站主要用於短期碳匯和碳源觀測以及空氣質量監測。

在非洲至少需要建立30個觀測站，在雨林、熱帶草原和半荒漠化地區等與食物和水源相關的主要生態系統至少需要各建立一個觀測站。最佳地點的選擇應該得到當地機構和科學家的認可。在非洲設立分支機構的聯合國組織、開發銀行和私人基金會也應提供支持。

南美洲——

亞馬遜流域幅員遼闊，對全球碳循環和水循環具有重要作用，是氣象監測的一個關鍵位置。該區域形成了一套自己的氣候系統，並且由於農業擴張和森林砍伐等影響在不斷變化。氣候變化加上人類活動的擾動將影響碳儲量和水循環。但現在沒有什麼可用的資料，也沒有綜合觀測數據。只有巴西馬瑙斯東北150公里處的亞馬遜高塔觀測站正在擴大觀測範圍，持續收集數據。

南美洲至少需要20個觀測站，其中7個位於巴西亞馬遜州區域。

城市——

在全球範圍內，城市區域正在不斷擴大。1970年後城市人口增加了兩倍，55%以上的人口生活在城市。獲取更好的空氣質量數據迫在眉睫。目前，在城市的觀測站點一般可獲取15種大氣觀測要素，但數據質量往往很差。

世界上有30座以上的大城市人口已超過千萬，數百座城市人口超過百萬。每一個大城市都應該配備至少一個綜合觀象台和一套地方觀測站點。全球市長論壇和G20國家應該把建立全球觀象台列入日程。

成本效益

全球觀象台網路應該由1000個超級觀測站組成，並且在10年至15年內建成。每個超級觀測站的建造成本大約在1000萬至2000萬歐元，總共需要100億至200億歐元。這個成本大致與在瑞士日內瓦附近建造大型強子對撞機或美國總統特朗普提議建造的墨西哥牆的成本相當。

觀測站應採取模塊化方法進行建造或升級。例如，不同模塊監測的對象可以瞄準大氣化學、微氣象學和土壤化學等。每個模塊將花費50萬至200萬歐元的建造和安裝費用，而每年的維護費用將在此基礎上增加3%到6%。

此外，氣象相關的儀器設備需要調節、校準和標準化，並且隨著技術進步而不斷升級。信息必須可靠並保持開放，因此需要將數據共享考慮進來。科學家需要分析數據、開發產品，並最終交到用戶手中。

現有的觀測網路和機構要起到協調作用，包括泛歐亞科學實驗計劃（PEEX），「數字絲路」國際科學計劃（DBAR）和全球通量觀測研究網路（FLUXNET）等科學項目；WMO和未來地球等全球性組織；全球私人基金會和公司；政府和聯合國機構等。

與此同時，要打通綜合碳觀測系統（ICOS），WMO的全球大氣觀測網，氣溶膠、雲與微量氣體研究基礎設施網路（ACTRIS），歐洲長期生態系統研究（LTER）等輔助基礎設施之間的數據交換通道，目前，歐洲已開始做這項工作。此外，觀測網應該在其他大陸建立聯合站點，特別是在前面提到的熱點地區。

一旦建立了全球觀測網路，就鍛造出了一把利器，藉此可以理解地球系統的運作機制。

作者為國際大氣科學領域著名科學家、赫爾辛基大學大氣和環境物理實驗室主任馬爾庫.庫爾瑪拉教授。

（來源：《自然》 編譯：郝靜 吳鵬）

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