用科技改善地球環(huán)境
小編為你整理了用科技改善地球環(huán)境，希望幫助您提供很多想法。
霧霾是霧和霾的組合詞，霧霾天氣不僅制約了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，也威脅到民眾的身體健康和正常生活。正當人們在尋找防治霧霾的良方時，中科院資源與環(huán)境國家重點實驗室和加拿大Eco-Logic Systems Inc.股份有限公司開展聯(lián)合攻關，研發(fā)空氣質(zhì)量預報預警與污染源追蹤同化系統(tǒng)軟件(PollutantsTracker)。這是一個具有環(huán)境空氣質(zhì)量預報功能以及大氣化學成分分析功能的系統(tǒng)軟件，不僅能精準預報分辨率達1公里、小時步長未來7天空氣質(zhì)量狀況，而且能診斷二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、PM2.5、PM10等國家要求監(jiān)測的6種大氣污染物污染來源和二次大氣化學反應對大氣灰霾的貢獻率，為政府治理大氣污染、提升環(huán)境空氣質(zhì)量的決策制定提供科學支撐，也為廣大市民出行提供參考。
提到空氣質(zhì)量多模式集合預報預警系統(tǒng)，不得不了解這個項目的負責人中國科學院地理科學與資源研究所創(chuàng)新基地研究員陳報章。陳報章研發(fā)團隊還研發(fā)并維護一個能夠預報未來一周全國空氣質(zhì)量的模型系統(tǒng)，實時發(fā)布覆蓋全國所有地級市以上城市的未來7天的空氣質(zhì)量預報結(jié)果(網(wǎng)址為：h t t p：//w w w .pollutantstracker.com/introduction.htmlnet)。
礪煉鑄就成功
1981年，陳報章考取李四光任第一任院長的長春地質(zhì)學院(現(xiàn)吉林大學)，4年的學習鍛煉不僅豐富了陳報章的學識，而且在李四光精神的浸染下，勇于吃苦耐勞深深植根于心。1985年，陳報章憑借扎實的基礎、以優(yōu)異的成績被同濟大學錄取，開啟了他的研究生涯。8年的歷練使他由素材型人才轉(zhuǎn)型為專業(yè)人才，他采用植硅體分析技術，發(fā)現(xiàn)了河南舞陽賈湖8000年前人工栽培梗稻。這一發(fā)現(xiàn)比之前學術界公認的浙江河姆渡最早人類栽培稻提前了1000余年，并把稻作起源地向北推進了一個維度，同時他也因此對農(nóng)作物與環(huán)境的關系研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。1999年他獲得中國礦業(yè)大學理學博士學位，憑著對事業(yè)的更高追求他決定到更加廣闊的空間去學習。2000年，陳報章來到加拿大自然資源部太平洋地球科學研究中心。他最初的想法是研究北美洲的農(nóng)業(yè)起源、環(huán)境考古，在研究中他發(fā)現(xiàn)玉米起源于中美洲，是北美歷史中唯一記載完整的農(nóng)作物，但單一的研究對象和簡短的農(nóng)耕歷史并不是開展農(nóng)業(yè)起源和環(huán)境考古研究的理想之地。放棄?開弓哪有回頭箭。在學生時養(yǎng)成的堅毅、不服輸?shù)男愿褡屗x擇了挑戰(zhàn)恐懼。在探索中他發(fā)現(xiàn)北美洲復雜的氣候環(huán)境不僅對農(nóng)作物，而且對整個生態(tài)環(huán)境都有影響，他從古生態(tài)學開始，一步步走向全球變化生態(tài)學，一路走來，視野的轉(zhuǎn)變令他走上了一條從未觸及的嶄新的探索之路。
近幾年全球溫室效應加劇，其中二氧化碳是地球溫室效應的主要元兇，敏銳地捕捉到這一變化的陳報章正與北美、歐洲等發(fā)達國家及地區(qū)的研究熱點不謀而合。從碳循環(huán)與下墊面變化的定量關系研究上開始，他構(gòu)建一個基于遙感資料的陸面過程模型(EASS)，耦合陸面生態(tài)過程與大氣傳輸過程，從不同的植被類型變化、植被生長狀況變化、地表能量水分平衡變化等多個層面研究陸表碳交換及其在大氣循環(huán)中的運移規(guī)律，基于大氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)反演陸表碳交換量。他直接參與了北美高塔和通量網(wǎng)的建設、TRANSCOM大氣反演與北美碳同化系統(tǒng)(即碳示蹤器)的研發(fā)工作，作為骨干成員他參與完成了加拿大NSERC、CFCAS資助的多項重大科研項目，2007年受聘為加拿大昆特蘭理工大學地理地質(zhì)系教授。
破釜沉舟的選擇
10多年的不懈努力與奮斗，讓陳報章收獲了碩果。在加拿大昆特蘭理工大學的課堂上有他傳授知識的身影，在他獨立的實驗室內(nèi)他指導學生進行研究探索，所取得的驕人成績讓他贏得了來自多方的贊譽，進入了當?shù)刂髁魃鐣?。在別人眼里他是一名成功的學者，然而成功的背后總伴著淡淡的鄉(xiāng)愁，思鄉(xiāng)之情無時無刻不縈繞在他的腦海里。參與國家的科技發(fā)展，為自己的國家做些事成為他心中最強音。在加拿大一所大學工作的妻子首先反對，回國不是一句話，這意味著放棄10多年的所有努力，一切又將從頭開始，面對妻子的反對，陳報章陷入兩難的境地。一邊是祖國的愛，一邊是家庭的情，哪一邊他都無法割舍，這讓他夜不能寐，食不知味。默默看著這一切的妻子終于堅持不住，主動提出回國。2009年的一天，陳報章把車子鎖進車庫，匆忙請朋友臨時照看房子，就悄然回到了祖國，因為他怕稍有遲疑會被各種原由說服而改變主意。
陳報章是幸運的，2010年中科院啟動了戰(zhàn)略性先導科技專項。陳報章參與的應對氣候變化的碳收支認證及相關問題專項(A類)是首期啟動4個A類專項中的一個，加之中科院開放的研究平臺和寬松的科研環(huán)境，令帶著研究想法回國的陳報章更加信心百倍。他迅速組建了以青年科學家為主體的科研團隊，并全身心投入模型算法測試、實驗驗證等核心研究工作中，一天工作17個小時，對他來說是常態(tài)。在中國已經(jīng)超過美國而成為世界碳排放第一大國、承受巨大減排壓力的嚴峻形勢下，他清楚碳循環(huán)研究關乎國家利益。如何施展自己在這方面的研究長項，盡快研究出與國際同步的碳同化監(jiān)測系統(tǒng)，為國家應對氣候變化決策和政府間談判提供科學支撐，并通過國際學術界讓世界認識到中國在研究碳排放控制方面的不懈努力是陳報章的目標，他要盡快出成果不負祖國的期待。
4年結(jié)出碩果 實現(xiàn)與全球同步的碳源匯動態(tài)模擬分析與監(jiān)測系統(tǒng)平臺是陳報章的目標，要與國際接軌，在研究過程中就要向世界看齊，面對我國碳研究起步晚的現(xiàn)狀，陳報章清楚前方還有很長的路要走，他必須快馬加鞭。4年來，他圍繞地球表層系統(tǒng)模型構(gòu)建與優(yōu)化、數(shù)據(jù)模型同化、定量遙感和碳循環(huán)等方面積極展開研究，構(gòu)建了多個數(shù)值模型，改變了以往從靜態(tài)、單一的定量方法研究地球表層系統(tǒng)，轉(zhuǎn)為用動態(tài)、系統(tǒng)集成的研究方法和技術，并有效地應用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和全球變化的研究中，特別是碳循環(huán)中關鍵過程的研究。在不懈的努力下，團隊取得了一系列屬國際國內(nèi)前沿的研究成果，基本達到了預期目標，嘗到成功的喜悅，收獲了碩果：
首先，進一步完善了集成動態(tài)陸面過程模型。這是國際上最新一代多尺度、多源數(shù)據(jù)融合的集成陸面過程模型。在區(qū)域和全球尺度上直接、精細地模擬生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程。陳報章在他留學加拿大期間研發(fā)的基于遙感的陸面過程模型(EASS)的基礎上，進一步吸納國際上一些著名陸面模型的先進模塊算法，比如CLASS-CN的碳氮模塊、CLM的城市模塊和CTEM和LPJ的動態(tài)植被模塊等先進模擬技術和方法，進一步發(fā)展成集成動態(tài)陸面過程模型(DLM)。首次把樹冠簇團指數(shù)引入陸面過程模型中，提高了陸地表層與大氣之間的能量、物質(zhì)(包括水、碳、氮等)交換過程的模擬精度。目前這個模型已被加拿大、美國和歐洲許多研究人員用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、水、能量循環(huán)、陸面格局與變化規(guī)律以及定量估算各種尺度的陸地表層碳源匯分布的研究中。
其次，研發(fā)出我國首個高時空分辨率碳同化反演系統(tǒng)中科院碳追蹤同化系統(tǒng)(CarbonTraker-China，CAS)。這是繼美國航空航天局和歐盟之后全球第3個完整的全球尺度嵌套式碳同化系統(tǒng)。在研發(fā)過程中，陳報章發(fā)現(xiàn)已有的碳同化模型沒有實現(xiàn)與陸面生態(tài)系統(tǒng)模型的耦合，這樣不能把同化反演的碳通量同步反饋到陸地生態(tài)系統(tǒng)模型中，進而無法對陸地生態(tài)系統(tǒng)模型中的關鍵參數(shù)進行優(yōu)化。陳報章開始嘗試將生態(tài)系統(tǒng)模型中的光合和呼吸過程與大氣反演模型間實現(xiàn)耦合。改進后的中國碳同化反演系統(tǒng)，具備分析我國區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)在每個網(wǎng)格單元上碳源匯時空動態(tài)分布情況、探討其變化趨勢和驅(qū)動機制的能力。中國碳追蹤器已經(jīng)實現(xiàn)了在國家衛(wèi)星氣象中心準業(yè)務化運行，我國于2016年12月成功發(fā)射了碳衛(wèi)星(TanSAT)，目前，我們正在與國家衛(wèi)星氣象中心科研人員一道，協(xié)同攻關，實現(xiàn)該系統(tǒng)的業(yè)務化運行;此外，我所撰寫的我國第一部碳同化方面的專著《中國碳同化系統(tǒng)及其應用研究》由科學出版社納入國家出版基金資助，已于2015年11月出版發(fā)行。陳報章欣喜地告訴記者。
第三，構(gòu)建了溫室氣體通量和濃度足跡(footprint)模型。這個模型在空間異質(zhì)性分析、評估、尺度擴展和如何合理解釋全球通量網(wǎng)觀測資料等方面的研究中發(fā)揮了重要作用。這方面的成果在remote sensing of environment、agriculture and forest meteorology等國外著名雜志上發(fā)表后，受到廣泛關注，該方法被加拿大碳項目(CCP：Canadian Carbon Program)確定為各觀測站的常規(guī)評估方法。
第四，研發(fā)出我國第一臺多角度自動光譜監(jiān)測儀，并應用于黑河綜合遙感聯(lián)合試驗(HiWATER)的研究中。這個自動多角度光譜系統(tǒng)可以實現(xiàn)不間斷獲取高光譜觀測數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)研究需要，設置與不同衛(wèi)星一致的觀測角度，以達到地面連續(xù)觀測數(shù)據(jù)與間斷過境的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的高度一致，達到星地一體的協(xié)同觀測，為地表過程的尺度擴展研究提供了有效手段。在國際上，首次把改造的多角度自動光譜觀測系統(tǒng)應用于農(nóng)作物的研究中。目前，這套自動觀測儀被應用于我國森林、城市綠地等不同生態(tài)系統(tǒng)的研究中。
第五，研發(fā)出我國灰霾預報預警系統(tǒng)空氣質(zhì)量預報預警與污染源追蹤同化軟件系統(tǒng)。霧霾多發(fā)生在冬季靜穩(wěn)的天氣條件下，如果把霧霾作為一種污染物來追蹤預測是否可行?陳報章吸取了國際通用的氣候與大氣污染模式(WRF/CMAQ模式)和大氣化學模式(WRF/Chem模式)中先進的理念，以此為框架把大氣聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過多源衛(wèi)星遙感反演模式推送到大氣化學多模式傳輸系統(tǒng)進行快速數(shù)據(jù)同化分析，實現(xiàn)對霧霾72小時的實時預報與污染源追蹤。但是陳報章仍覺得不完善，為實現(xiàn)高精度的污染物和排放源強度預報，他要把誤差縮小到20%?15%范圍內(nèi)，于是追蹤技術和二次化學反應分析技術被引入其中，對污染物排放和分布情況進行實時監(jiān)測、追蹤和預報分析，以此來揭示當?shù)乜諝赓|(zhì)量問題發(fā)生的原因及其變化規(guī)律，最終實現(xiàn)能及時發(fā)現(xiàn)污染物分布情況，精準追蹤污染物排放源頭，為政府治理污染和大氣環(huán)境質(zhì)量控制決策提供科學依據(jù)。
承上啟下的責任
我回國就是想能做一點實事。樸素簡短的一句話體現(xiàn)了陳報章的心聲。聞其言，知其人，回國后的陳報章靜心做事，集中精力研究。雖然不善言辭表達，但對于下一步研究目標陳報章卻早已心有定數(shù)。如果說建立達到與全球頂尖實驗室相當水平的碳源匯動態(tài)模擬分析監(jiān)測系統(tǒng)平臺是中心，那么圍繞這個中心構(gòu)建全球二氧化碳數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)就是承上，如何應用全球二氧化碳數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)進行協(xié)同攻關，構(gòu)建、改善同化系統(tǒng)軟件和模擬分析計算機平臺，使其具備區(qū)分人為碳排放與自然碳交換的能力，最終實現(xiàn)在國家衛(wèi)星氣象中心的針對我國碳衛(wèi)星TanSAT業(yè)務化運行則是啟下?！≡鯓訉嵤┩瓿蛇@個工程呢?陳報章說：這其中最大的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)具備計算人為碳排放能力的基于衛(wèi)星、地基觀測資料的二氧化碳同化反演系統(tǒng)的業(yè)務化運行。之前沒有任何現(xiàn)成素材，我們唯一能做的就是做好每一步，并不斷改善。首先我們將搜集和整理盡可能多的地基與衛(wèi)星觀測的二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，解決不同衛(wèi)星觀測與地基數(shù)據(jù)時空尺度不相匹配的問題，然后通過過濾處理，獲取具有代表性的大氣二氧化碳濃度觀測數(shù)據(jù)，再將處理后的地基與衛(wèi)星觀測資料一起組成多源觀測算子，輸入到全球二氧化碳同化系統(tǒng)，通過研發(fā)集合卡爾曼濾波與4維變分聯(lián)合性技術來有效最小化二氧化碳濃度與模擬值之間的差異，最終獲取最優(yōu)化的大氣二氧化碳濃度/通量時空分布圖，實現(xiàn)多源觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化。實現(xiàn)業(yè)務化運行的衛(wèi)星地基聯(lián)合同化系統(tǒng)將彌補我國在這一方面的空白，為我國的氣候變化研究以及參加國家氣候履約談判提供獨立自主的系統(tǒng)與數(shù)據(jù)。
如果把科技的發(fā)展比作一列飛奔的列車，那么科技人才是促使列車前進的動力，培養(yǎng)勇于探索，敢于創(chuàng)新具有前沿科學眼光的科技人材不僅是社會教育的任務，也是科技學界的義務，科技傳承對于科技發(fā)展十分重要，陳報章始終這樣認為。為彌補國內(nèi)教育的不足，作為博士生導師，他一面鼓勵學生從各種方面最大限度去接觸國際前沿科技，另一方面不遺余力想辦法激勵學生去嘗試、去探索，以此來開拓學生的視野，提高他們獨立開展創(chuàng)新性研究的能力。在他的科研專項中，陳報章要求學生都要參與其中，他引導、激勵學生們獨立完成研究方案設計、算法優(yōu)化、模型結(jié)果分析、科學認知凝練提升等科研過程的不同環(huán)節(jié)。對基礎薄弱的學生，他專門抽時間、開小灶幫助他們彌補不足，提高能力，并在實際研究工作中給他們更多的機會，鼓勵他們學會從自己的思維出發(fā)查找問題、解決問題。7年來，在他的悉心培育下已有8名博士研究生能夠獨立完成研究項目。
在與學生的交流中，他敏銳地捕捉到有的學生只是為學業(yè)或?qū)W位而學習，而缺乏對未知探索的興趣，究其原因，他發(fā)現(xiàn)許多學生因?qū)λ鶎W專業(yè)知之不多，甚至根本不了解從而失去研究的興趣，這深深刺痛了他。人生本就短暫，特別是一個人出成績的時間就短短二三十年，如果因缺乏知識積淀、沒有興趣而渾渾噩噩浪費時間，這是人才的浪費，也是國家的損失。正是這個原因啟發(fā)了他，他常問自己：為什么不把自己的知識傳播到社會上，讓許多需要的人去學習，去了解呢?作為這方面權威的陳報章決定承擔起宣傳員的義務。每天的研究已占用了他三分之二的時間，剩下的三分之一怎么去擠?用什么方法去宣傳?無數(shù)的方案呈現(xiàn)在陳報章腦海里??在他完成我國首個高時空分辨率碳同化反演系統(tǒng)研發(fā)工作后，中科院領導希望他能就此出一本書，這時他突然意識到書可以幫助他完成心愿。于是他夜以繼日地查找、整理資料，草擬提綱，希望把自己的所有知識都奉獻給讀者，為在此方面有愛好的學生提供技術上的輔助指導。
他編撰了《中國碳同化系統(tǒng)及其應用研究》和《陸地表層系統(tǒng)模型模擬與分析》兩本專著，分別于2015和2017年由科學出版社出版發(fā)行。按照人的認知過程，通過淺顯易懂的故事或知識引導讀者對陸地表層系統(tǒng)和碳的現(xiàn)狀和發(fā)展產(chǎn)生興趣，進而對這一研究領域形成總體認識。為讓讀者逐漸加深印象，他運用實例，詳細、深入地介紹構(gòu)建模型的重要過程和算法，引領讀者從數(shù)學角度深入理解陸地表層系統(tǒng)模型和全球碳同化系統(tǒng)。
路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。盡管陳報章做了許多事，取得了不少成績，但對他來說，這些只是萬里征程中的一跬步。面對浩瀚的天際、廣袤的地球、多樣的生態(tài)，還有許許多多新課題等待他去探索研究，他將不斷更新視角，不斷創(chuàng)意，他要去迎接新的挑戰(zhàn)。
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