用科技改善地球環(huán)境
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霧霾是霧和霾的組合詞，霧霾天氣不僅制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(dāng)人們?cè)趯ふ曳乐戊F霾的良方時(shí)，中科院資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和加拿大Eco-Logic Systems Inc.股份有限公司開展聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警與污染源追蹤同化系統(tǒng)軟件(PollutantsTracker)。這是一個(gè)具有環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)功能以及大氣化學(xué)成分分析功能的系統(tǒng)軟件，不僅能精準(zhǔn)預(yù)報(bào)分辨率達(dá)1公里、小時(shí)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(cè)的6種大氣污染物污染來源和二次大氣化學(xué)反應(yīng)對(duì)大氣灰霾的貢獻(xiàn)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(xué)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(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，不得不了解這個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所創(chuàng)新基地研究員陳報(bào)章。陳報(bào)章研發(fā)團(tuán)隊(duì)還研發(fā)并維護(hù)一個(gè)能夠預(yù)報(bào)未來一周全國空氣質(zhì)量的模型系統(tǒng)，實(shí)時(shí)發(fā)布覆蓋全國所有地級(jí)市以上城市的未來7天的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)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(bào)章考取李四光任第一任院長的長春地質(zhì)學(xué)院(現(xiàn)吉林大學(xué))，4年的學(xué)習(xí)鍛煉不僅豐富了陳報(bào)章的學(xué)識(shí)，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(bào)章憑借扎實(shí)的基礎(chǔ)、以優(yōu)異的成績被同濟(jì)大學(xué)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(shù)，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(xué)術(shù)界公認(rèn)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(jìn)了一個(gè)維度，同時(shí)他也因此對(duì)農(nóng)作物與環(huán)境的關(guān)系研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。1999年他獲得中國礦業(yè)大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位，憑著對(duì)事業(yè)的更高追求他決定到更加廣闊的空間去學(xué)習(xí)。2000年，陳報(bào)章來到加拿大自然資源部太平洋地球科學(xué)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(duì)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(xué)生時(shí)養(yǎng)成的堅(jiān)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(fù)雜的氣候環(huán)境不僅對(duì)農(nóng)作物，而且對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境都有影響，他從古生態(tài)學(xué)開始，一步步走向全球變化生態(tài)學(xué)，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(yīng)加劇，其中二氧化碳是地球溫室效應(yīng)的主要元兇，敏銳地捕捉到這一變化的陳報(bào)章正與北美、歐洲等發(fā)達(dá)國家及地區(qū)的研究熱點(diǎn)不謀而合。從碳循環(huán)與下墊面變化的定量關(guān)系研究上開始，他構(gòu)建一個(gè)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(gè)層面研究陸表碳交換及其在大氣循環(huán)中的運(yùn)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(shè)、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(xiàng)重大科研項(xiàng)目，2007年受聘為加拿大昆特蘭理工大學(xué)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(bào)章收獲了碩果。在加拿大昆特蘭理工大學(xué)的課堂上有他傳授知識(shí)的身影，在他獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)他指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)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(yù)，進(jìn)入了當(dāng)?shù)刂髁魃鐣?huì)。在別人眼里他是一名成功的學(xué)者，然而成功的背后總伴著淡淡的鄉(xiāng)愁，思鄉(xiāng)之情無時(shí)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(qiáng)音。在加拿大一所大學(xué)工作的妻子首先反對(duì)，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(duì)妻子的反對(duì)，陳報(bào)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(jiān)持不住，主動(dòng)提出回國。2009年的一天，陳報(bào)章把車子鎖進(jìn)車庫，匆忙請(qǐng)朋友臨時(shí)照看房子，就悄然回到了祖國，因?yàn)樗律杂羞t疑會(huì)被各種原由說服而改變主意。
陳報(bào)章是幸運(yùn)的，2010年中科院啟動(dòng)了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)。陳報(bào)章參與的應(yīng)對(duì)氣候變化的碳收支認(rèn)證及相關(guān)問題專項(xiàng)(A類)是首期啟動(dòng)4個(gè)A類專項(xiàng)中的一個(gè)，加之中科院開放的研究平臺(tái)和寬松的科研環(huán)境，令帶著研究想法回國的陳報(bào)章更加信心百倍。他迅速組建了以青年科學(xué)家為主體的科研團(tuán)隊(duì)，并全身心投入模型算法測(cè)試、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等核心研究工作中，一天工作17個(gè)小時(shí)，對(duì)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(yán)峻形勢(shì)下，他清楚碳循環(huán)研究關(guān)乎國家利益。如何施展自己在這方面的研究長項(xiàng)，盡快研究出與國際同步的碳同化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為國家應(yīng)對(duì)氣候變化決策和政府間談判提供科學(xué)支撐，并通過國際學(xué)術(shù)界讓世界認(rèn)識(shí)到中國在研究碳排放控制方面的不懈努力是陳報(bào)章的目標(biāo)，他要盡快出成果不負(fù)祖國的期待。
4年結(jié)出碩果 實(shí)現(xiàn)與全球同步的碳源匯動(dòng)態(tài)模擬分析與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)是陳報(bào)章的目標(biāo)，要與國際接軌，在研究過程中就要向世界看齊，面對(duì)我國碳研究起步晚的現(xiàn)狀，陳報(bào)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(gè)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(dòng)態(tài)、系統(tǒng)集成的研究方法和技術(shù)，并有效地應(yīng)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(guān)鍵過程的研究。在不懈的努力下，團(tuán)隊(duì)取得了一系列屬國際國內(nèi)前沿的研究成果，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，嘗到成功的喜悅，收獲了碩果：
首先，進(jìn)一步完善了集成動(dòng)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(xì)地模擬生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程。陳報(bào)章在他留學(xué)加拿大期間研發(fā)的基于遙感的陸面過程模型(EASS)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步吸納國際上一些著名陸面模型的先進(jìn)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(dòng)態(tài)植被模塊等先進(jìn)模擬技術(shù)和方法，進(jìn)一步發(fā)展成集成動(dòng)態(tài)陸面過程模型(DLM)。首次把樹冠簇團(tuán)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(gè)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(gè)高時(shí)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(gè)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(bào)章發(fā)現(xiàn)已有的碳同化模型沒有實(shí)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(jìn)而無法對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)模型中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。陳報(bào)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(shí)現(xiàn)耦合。改進(jìn)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(gè)網(wǎng)格單元上碳源匯時(shí)空動(dòng)態(tài)分布情況、探討其變化趨勢(shì)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制的能力。中國碳追蹤器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在國家衛(wèi)星氣象中心準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)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(guān)，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化運(yùn)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(yīng)用研究》由科學(xué)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(bào)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(gè)模型在空間異質(zhì)性分析、評(píng)估、尺度擴(kuò)展和如何合理解釋全球通量網(wǎng)觀測(cè)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(guān)注，該方法被加拿大碳項(xiàng)目(CCP：Canadian Carbon Program)確定為各觀測(cè)站的常規(guī)評(píng)估方法。
第四，研發(fā)出我國第一臺(tái)多角度自動(dòng)光譜監(jiān)測(cè)儀，并應(yīng)用于黑河綜合遙感聯(lián)合試驗(yàn)(HiWATER)的研究中。這個(gè)自動(dòng)多角度光譜系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不間斷獲取高光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)研究需要，設(shè)置與不同衛(wèi)星一致的觀測(cè)角度，以達(dá)到地面連續(xù)觀測(cè)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(dá)到星地一體的協(xié)同觀測(cè)，為地表過程的尺度擴(kuò)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(dòng)光譜觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)作物的研究中。目前，這套自動(dòng)觀測(cè)儀被應(yīng)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(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)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(yù)測(cè)是否可行?陳報(bào)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(xué)模式(WRF/Chem模式)中先進(jìn)的理念，以此為框架把大氣聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過多源衛(wèi)星遙感反演模式推送到大氣化學(xué)多模式傳輸系統(tǒng)進(jìn)行快速數(shù)據(jù)同化分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)霧霾72小時(shí)的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)與污染源追蹤。但是陳報(bào)章仍覺得不完善，為實(shí)現(xiàn)高精度的污染物和排放源強(qiáng)度預(yù)報(bào)，他要把誤差縮小到20%?15%范圍內(nèi)，于是追蹤技術(shù)和二次化學(xué)反應(yīng)分析技術(shù)被引入其中，對(duì)污染物排放和分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、追蹤和預(yù)報(bào)分析，以此來揭示當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量問題發(fā)生的原因及其變化規(guī)律，最終實(shí)現(xiàn)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染物分布情況，精準(zhǔn)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(xué)依據(jù)。
承上啟下的責(zé)任
我回國就是想能做一點(diǎn)實(shí)事。樸素簡短的一句話體現(xiàn)了陳報(bào)章的心聲。聞其言，知其人，回國后的陳報(bào)章靜心做事，集中精力研究。雖然不善言辭表達(dá)，但對(duì)于下一步研究目標(biāo)陳報(bào)章卻早已心有定數(shù)。如果說建立達(dá)到與全球頂尖實(shí)驗(yàn)室相當(dāng)水平的碳源匯動(dòng)態(tài)模擬分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)是中心，那么圍繞這個(gè)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(yīng)用全球二氧化碳數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同攻關(guān)，構(gòu)建、改善同化系統(tǒng)軟件和模擬分析計(jì)算機(jī)平臺(tái)，使其具備區(qū)分人為碳排放與自然碳交換的能力，最終實(shí)現(xiàn)在國家衛(wèi)星氣象中心的針對(duì)我國碳衛(wèi)星TanSAT業(yè)務(wù)化運(yùn)行則是啟下?！≡鯓訉?shí)施完成這個(gè)工程呢?陳報(bào)章說：這其中最大的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)具備計(jì)算人為碳排放能力的基于衛(wèi)星、地基觀測(cè)資料的二氧化碳同化反演系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化運(yùn)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(cè)的二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，解決不同衛(wèi)星觀測(cè)與地基數(shù)據(jù)時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)，再將處理后的地基與衛(wèi)星觀測(cè)資料一起組成多源觀測(cè)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(shù)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(shí)空分布圖，實(shí)現(xiàn)多源觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化。實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的衛(wèi)星地基聯(lián)合同化系統(tǒng)將彌補(bǔ)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(dú)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(jìn)的動(dòng)力，培養(yǎng)勇于探索，敢于創(chuàng)新具有前沿科學(xué)眼光的科技人材不僅是社會(huì)教育的任務(wù)，也是科技學(xué)界的義務(wù)，科技傳承對(duì)于科技發(fā)展十分重要，陳報(bào)章始終這樣認(rèn)為。為彌補(bǔ)國內(nèi)教育的不足，作為博士生導(dǎo)師，他一面鼓勵(lì)學(xué)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(lì)學(xué)生去嘗試、去探索，以此來開拓學(xué)生的視野，提高他們獨(dú)立開展創(chuàng)新性研究的能力。在他的科研專項(xiàng)中，陳報(bào)章要求學(xué)生都要參與其中，他引導(dǎo)、激勵(lì)學(xué)生們獨(dú)立完成研究方案設(shè)計(jì)、算法優(yōu)化、模型結(jié)果分析、科學(xué)認(rèn)知凝練提升等科研過程的不同環(huán)節(jié)。對(duì)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，他專門抽時(shí)間、開小灶幫助他們彌補(bǔ)不足，提高能力，并在實(shí)際研究工作中給他們更多的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)他們學(xué)會(huì)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(dú)立完成研究項(xiàng)目。
在與學(xué)生的交流中，他敏銳地捕捉到有的學(xué)生只是為學(xué)業(yè)或?qū)W位而學(xué)習(xí)，而缺乏對(duì)未知探索的興趣，究其原因，他發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生因?qū)λ鶎W(xué)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(gè)人出成績的時(shí)間就短短二三十年，如果因缺乏知識(shí)積淀、沒有興趣而渾渾噩噩浪費(fèi)時(shí)間，這是人才的浪費(fèi)，也是國家的損失。正是這個(gè)原因啟發(fā)了他，他常問自己：為什么不把自己的知識(shí)傳播到社會(huì)上，讓許多需要的人去學(xué)習(xí)，去了解呢?作為這方面權(quán)威的陳報(bào)章決定承擔(dān)起宣傳員的義務(wù)。每天的研究已占用了他三分之二的時(shí)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(bào)章腦海里??在他完成我國首個(gè)高時(shí)空分辨率碳同化反演系統(tǒng)研發(fā)工作后，中科院領(lǐng)導(dǎo)希望他能就此出一本書，這時(shí)他突然意識(shí)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(shí)都奉獻(xiàn)給讀者，為在此方面有愛好的學(xué)生提供技術(shù)上的輔助指導(dǎo)。
他編撰了《中國碳同化系統(tǒng)及其應(yīng)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(xué)出版社出版發(fā)行。按照人的認(rèn)知過程，通過淺顯易懂的故事或知識(shí)引導(dǎo)讀者對(duì)陸地表層系統(tǒng)和碳的現(xiàn)狀和發(fā)展產(chǎn)生興趣，進(jìn)而對(duì)這一研究領(lǐng)域形成總體認(rèn)識(shí)。為讓讀者逐漸加深印象，他運(yùn)用實(shí)例，詳細(xì)、深入地介紹構(gòu)建模型的重要過程和算法，引領(lǐng)讀者從數(shù)學(xué)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(yuǎn)兮，吾將上下而求索。盡管陳報(bào)章做了許多事，取得了不少成績，但對(duì)他來說，這些只是萬里征程中的一跬步。面對(duì)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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