欧亚大陆北部地球科学计划(NEESPI)

前言
欧亚大陆北部研究计划（NEESPI）最早由美国国家宇航局（NASA）和俄罗斯科学院（RAS）发起制定，其目的在于开展多学科的研究，提高对欧亚大陆北部的综合认识，了解这一区域对于全球地球系统的作用，同时发展广泛的国际间的科学合作。2002年起，NASA资肋了多个相关课题的研究，这些研究与俄罗斯和其他欧亚北部国家的相关课题互为补充。目前，NEESPI项目在欧亚北部科学研究的重要性、加快区域间信息交换、促进多国（美国、欧洲、日本、中国和其他国家）相关研究及交流、加速相关的网络建设、青年科学家的培养等方面获得了广泛的认可。本文重点介绍NEESPI科学计划的主要内容、科学原理和主题。

1.简介
欧亚大陆北部占地球陆地总面积的19%，40oN以北的陆地面积的59%，地形地貌复杂多变，其中北部为冻土,南部为沙漠或半沙漠；同时，欧亚大陆北部拥有北半球70%的森林和约2/3处于冰冻层覆盖之下。因此，欧亚大陆北部地区是研究地球系统中森林生态和冰冻圈全球气候变化进程的关键区域。
过去5000年中，欧亚大陆北部的气候变化最为剧烈。而根据仪器观测，上个世纪欧亚大陆中部地表气温上升幅度最显著；模式预测未来这一区域气候变化仍然最为明显。近期的事实表明，欧亚大陆北部地区的大气圈、水圈、冰冻圈和陆地覆盖呈显著、快速的变化，因此准确定量地监测这些变化并研究引起变化的特殊过程非常重要。考虑到欧亚大陆北部地理尺度和当前变化速率，目前的研究十分有限。因此迫切需要提高测量、监测和模拟这些过程的能力，从而准确预测这一地区未来气候和环境变化及其对全球地球系统和人类社会的潜在影响。
全球地球系统的功能可以看作三类主要过程 (循环) 的相互作用，具体有：
生物化学循环：影响大气和海洋的成分、土壤的形成和生物群落的演变。
能量和水循环：影响大气、陆地表面、水圈和冰冻圈之间能量、水、气溶胶和痕量气体的转移。
人类活动：目前包含对全球气候的影响，它在建立地球最早期农业文明的同时，在区域层次上强烈地影响了行星系统。
研究上述任一循环（或活动）需要分析与其余两者的相互作用及相互作用间的转变特征态
本科学计划关注欧亚北部陆面和近陆面过程和与欧亚北部地球系统合作项目相关的内容，即陆地生态系统动力学。本文首先介绍 NEESPI 主要科学问题和相关的研究进展，其次是研究欧亚北部区域的特殊性和重要性，第三介绍过程研究、模拟、遥感、其他研究工具、教学计划和网络，最后是未来十年 NEESPI 的预期目标。
2.科学主题和主要问题
NEESPI 的主要研究领域和科学主题包含：陆地生态动力学、生物地球物理化学循环、地表能量和水循环、土地利用及相互作用、社会生态系统的相互联系、生态系统和气候的相互作用、寒区过程、海岸带、大气污染和气溶胶等。与主题密切相关的科学问题是欧亚北部陆地生态系统如何与全球生物圈、大气圈和水圈的相互作用及对其的影响如何？研究这一问题将有助于提高21世纪欧亚北部陆地生态系统动力学预报能力，为全球预测和本区域决策和实际应用提供信息。
解决上述问题关键在于回答以下问题：
陆地生态动力学
欧亚北部大陆生态系统如何，近百年来为何发生变化，是怎样变化的？
连接欧亚北部生态系统、大气圈和全球水圈的纽带是什么？
人类利用土地和对陆地表面的改变、在通过全球大气和气溶胶的变化影响生态系统过程中的作用是什么？对于半球、区域和局地的作用是否相同？
未来人类活动将如何影响欧亚北部生态系统？这些变化的反馈作用如何？如何用局地、区域或全球模式模拟这一变化？
全球变化对于区域环境、经济和欧亚北部地区生活质量是否会产生一系列影响？科学如何为环境决策有所帮助？
NEESPI 的相关研究将有助于提高目前和未来欧亚北部遥感信息的准确性并建立遥感与历史观测的桥梁。
关于陆地生态系统状况、主要物理过程的动力学解释及未来趋势预测对于全球变化研究、制定相关政策和发展规划、自然资源管理和环境保护以及人类健康都至关重要。因此，我们需要建立一个现代化观测系统用于观测欧亚北部地区环境现状。其次，需要加强发展区域和全球生态系统模式的层次和区域输入（如资料流量、模式和缺测参数）的研究，由此将陆地生态系统动力学与全球变化科学相联系。
NEESPI 的另一与科学主题相关的科学问题是生物地球化学循环。
生物地球化学循环
欧亚北部碳元素存储与流量相关的当前地理分布、时间演变如何？
在局地、区域和洲际尺度上主要驱动作用及反馈机制是什么？
生物地球化学循环对于地球系统和人类社会非常重要，它未来影响如何？
如何看待通过干涉或引导方式降低生物地球化学循环带来的负面影响？
了解欧亚北部生物地球化学循环的作用以及对未来的重要影响对于全球碳循环、当地居民的社会福利等诸多方面至关重要。提议开展包括分布式陆地观测、生态系统的景观动态和特征分析、扰动形式监测、碳及其他主要元素的水文传输以及沉积物吸收的研究。上述内容可通过过程模拟、追踪及资料同化等不同交叉学科的方法完成。物理过程研究将以描述过程的区域模式为基础，采用不同景观、土地利用系统和包含陆地生物地球化学对内部扰动和外部强迫的响应及反馈的生态系统信息。目前来说，"模拟"是生物地球化学循环研究中唯一具有预测能力的手段。与控制生物地球化学循环相关的研究包括经济学分析，土地利用和能源政策选取，碳存储相关的脆弱性分析，需要结合全球模式的情景研制、评价和吸收选项、未来 NEESPI 区域陆地生态和环境系统变化的适应策略进行。
地表能量和水循环
决定局地、区域和洲际地表能量和水循环变率和变化的主要驱动或反馈机制是什么？
如何准确描述欧亚北部地区地表能量和水循环过程，如何对通过欧亚北部地表能量和水循环的了解，提高对其与全球循环相互作用的认识？
优先研究地表和水循环根据两个标准。第一，关注与地球系统直接相关的过程。这表明国际科学界对于欧亚北部环境变化的兴趣所在。这些过程对于区域和更大尺度是非常重要的。多数情况下，这些过程在全球系统的反馈是微弱的，而在次大陆尺度上具有显著的变化。其次，这些过程通过全球系统来影响欧亚北部地区。有关欧亚北部地气交换的基础研究需结合评价需求，并对比大尺度土地利用的改变对于地气交换的影响。其次，必须阐明对社会有重要影响的此类过程。有些过程对于整个地球系统的影响有待研究，但对于某一区域居民的影响是至关重要的，如极端天气事件、永冻带的消融，荒漠化及其对于农业、大气和水质的影响。地表能量和水循环的研究和观测系统的不足将通过以下四个方面弥补：（1）现代环境监测仪器（2）将历史资料、目前观测系统和过程研究三方面内容综合统一（3）研制交互式陆面模式能够计算欧亚北部主要陆面过程及其对于区域或全球的反馈（4）开展必要的研究使上述模式成为可靠工具。
土地利用相互作用与社会生态系统的联系
欧亚北部地区土地利用的变化及其对环境与社会的影响如何？
从计划经济时代到未来自然资料的合理利用　对土地利用的戏剧性变化可以得到什么教训？
社会经济学变化对于欧亚北部环境产生何种的影响？
科学对环境政策的制定有何作用？
欧亚北部地域区宽广，各国社会、经济、政治、环境和技术等诸方面的发展各有不同，地理、生态系统和居民特征也各有差异。土地利用改变了生态系统的许多物理过程（如：碳和水循环，温室气体排放和生态多样性等）和地气相互作用。与人类、环境和气候系统与土地支撑能力的相互关联和变化的研究还不够。NEESPI 这一主题主要关注人类健康、火灾、空气污染、生态系统、生物多样性、农业、森林保护、水资源和自然灾害等方面。
生态系统和气候相互作用
欧亚北部地区是生态系统和气候相互作用非常重要的地区之一。因此，NEESPI 最主要的问题是：
欧亚北部地区区域陆地生态系统、气候、冰冻圈和水圈对社会影响及相互作用如何？
欧亚北部的广泛研究表明：多种因子和条件及其相互联系使得陆地生态系统问题更为复杂-气候相互作用可称为"生态地理化学或生态地理物理反馈"。理解这一反馈和过程对于预报模式是非常重要的。尤其要关注生态系统脆弱带、正反馈、由初始状态产生系列反应过程和一些关键区域。对欧亚北部地区，针叶林带受水文－植被反馈的影响，海岸带受永冻带融化－温室气体的影响，森林苔原带的交界地区受反照率－植被反馈的影响，草原－荒漠带受荒漠化过程的影响，其生态－气候系统未来可能产生较大改变。欧亚北部环境变化趋势为：生态系统变率加大，反馈加强。因此需要加强北欧或全球未来预测和情景模拟。
与主题相关的特殊问题
寒区、海岸带和气溶胶、大气污染等问题均为与以下主题相关的交叉问题：
上述区域或其变化是如何影响区域或全球生态地理化学、地表能量和水循环及人类社会的？
寒区物理过程：永冻带和冰河的消融对于寒区水、能量、碳循环及生态系统平衡有着重要影响，北部或高海拔地区地表和深层储存的大量冰雪加剧了气候变暖条件下的生态系统脆弱性。当永冻带和冰河开始迅速消融时，许多过程加强并极具破坏性。即使生态系统的基础结构未改变，其特征也发生了巨大的变化。因此，以下内容急待研究：
(a）建立并支持永冻带和冰河综合监测系统;
(b)建立可信度较高的模式，模拟并评价陆地冰的变化及其与陆地生态系统，水圈,大气圈和社会等的相互作用;
(c)对于永冻带和冰河消融有负面影响的区域制定相应的适应策略。
沿海地区:由于极端事件发生可能性增大，其对于经济发达、人口密集沿海地区的影响需要特别关注。主要相关问题有：对于未来北部洋流和全球生物地球化学循环来说，对沿海陡斜坡地区和沉积岩可能加强的腐蚀作用、海岸带生态系统的退化、对于局地和区域居民生活的影响以及海岸带和永冻带岩石受到侵蚀引起地形的显著变化。因此，海岸带区域发展策略需要在一定的引导下制定，尤其应该注意未来经济发展与环境生态系统保护相协调。
大气气溶胶和污染
欧亚北部气溶胶和大气污染主要来自矿石燃料燃烧和其他工业气体的排放以及人类土地利用的变化等。目前，气溶胶粒子对于地表能量和水循环直接和间接的影响在已知的气候强迫因子中具有极大的不确定性。大气气溶胶和空气污染能够影响陆地和海洋生态系统以及农业产量，威胁人类健康并造成财产损失。21世纪气候变化和人口增长将增加气溶胶浓度。因此，有必要研究气溶胶和地球系统变化及相互作用，提高对地球系统的认识。NEESPI 关注欧亚北部空气和气溶胶污染状况，并为这一复杂的科学问题提供强有力的科学支持。
遥感、数据分析、信息技术和模拟是 NEESPI 的主要研究工具，重点进行以下内容研究：
如何提高遥感信息产品的准确性和实用性，以满足 NEESPI 研究的需求？
如何提高目前和未来观测系统能力从而更好地监测欧亚北部地区气候和环境的特征及演变？
如何降低由于缺少对欧亚北部主要物理过程的认识而导致区域或全球地球系统模拟的不确定性？
在模拟中，如何保证社会反馈循环以便模拟各种人类活动特别是对区域土地利用的情景？
3. 研究欧亚北部的重要性
对欧亚北部地区气候与环境开展研究的原因为：
欧亚北部地区的气候变化对于全球气候系统具有潜在影响，或许已经产生影响；
该地区具有有待于研究的独特特征，否则无法准确模拟全球系统；
这些研究对于欧亚北部社会发展有利；
另外，欧亚北部地区进行此项科学研究具有雄厚的实力。如：前苏联和俄罗斯已对此进行详细研究达到百年以上，但收集的大量科学资料目前尚未得到充分利用，面临丢失的危险，迫切需要开展此项研究。
目前和未来气候变化及对全球的影响
欧亚北部地区的气候变化对于全球系统具有潜在影响，或者已经产生影响。该地区是全球热带外最大的陆地区，生物圈中最大碳库，也是气候变率最大的地区之一。在过去半个世纪里，该地区人类对土地的利用已经发生变化而且未来还可能继续变化。同时，欧亚北部地区还可能发生特殊的大尺度、非线性变化、区域碳元素、地表能量及水的平衡有时会突变。这些变化对于全球气候、生物圈和社会会产生一定的影响。特别是：
如果想了解全球碳循环和其他生物地球化学循环，我们必须研究占全球碳容量 60% 的欧亚北部地区的碳循环的作用如何？
气候变化加剧可能引起全球大气环流变化和经向热量传输；
受冰雪盖、植被季节变化和土地利用影响的地表反照率和大气温度的变化可能影响地球热量和水分平衡；
欧亚北部东部地区是永冻带，占总面积一半左右，永冻带的消融可能改变土壤碳循环和生态系统以及温室气体浓度，将对该地区陆地圈和水圈产生影响；
森林覆盖率的增减、森林火险的等级、风向和伐木业等可能对全球生物化学、能量和水循环的变化影响；
西西伯利亚和俄罗斯大平原大片湿地的干涸对于全球碳循环和径流形式的影响；　
欧亚北部水循环的变化可能影响到全球海洋和内陆湖淡水的输送从而对温盐环流产生影响；
淡水交换边界地带对于海陆架带和内陆湖区生物化学过程的可能影响。海水对海岸带强烈的腐蚀作用（10米/年）对于生存条件的影响和巨大的经济损失；
目前，干旱化导致对流层气溶胶粒子浓度增大，从而影响到地球热量平衡，通过沙尘暴对数千公里外生物圈和社会生活产生直接影响；
中亚和高加索山脉地区冰川的消失、水分流失、草原干旱地带和半干旱地区的扩张将影响地面反照率和水资源，从而影响到欧亚北部内陆地区乃至全球的社会生活质量；
人类活动已经对欧亚北部大多数草原和草原－森林地带的生态系统类型产生影响，导致部分森林带大量生物地球化学和物理反馈以及全球范围内的环境变化，从而影响环境健康和生活质量。
欧亚北部的独特性
欧亚北部是全球热带外最大的陆地区，具有以下独特的特征：
北半球森林和沼泽生态系统主要位于欧亚北部，从而通过对大气环流中甲烷、二氧化碳等的温室气体影响全球生物化学循环；
全球最大为季节性积雪或冰川覆盖的寒区，具有占全球 2/3 的永冻带和北半球 1/3 以上的冰河。寒区过程对欧亚北部气候、水文和环境有着重要的影响；
欧亚北部大陆性气候影响着对于人口密集的南欧亚至关重要的欧亚季风环流；
这一地区具有全球最大的河、湖和蓄水系统，最广阔的闭合泄洪区和受冰雪消融影响的最宽广的海岸带；
欧亚北部地区主要生态系统频繁遭受热量和水汽分布不均的困扰。欧亚大陆热量不足，但欧亚北部地区则是热量充足但水汽缺乏。这主要由于欧亚北部几乎与潮湿的热带气团相隔离，热带气团的影响较小，相应的欧亚北部气候和天气变率非常高。因此受外强迫因子的作用，欧亚北部地表已经调整并且未来仍有调整的可能；
大范围干旱区域使欧亚北部面临较高的自然和农业生态脆弱性，水资源严重匮乏，是影响广泛的大范围沙尘的源地。
除此之外，欧亚北部区域土地利用历史和社会发展史相对于全球环境科学框架体系具有特殊性，这一特殊性给社会和生态科学家如何评估人类改变陆面的程度和土地利用的变化提出挑战。
与北美的对比
北半球两个主要大陆（欧亚和北美洲）的差异性远多于相似性，其差异性主要是由地理位置造成的：欧亚大陆范围宽广，山脉和高原阻挡了大气环流系统，使欧亚北部与热带系统相隔离，从而海洋对两大陆的作用迥异。地理差异还造成了生态系统的独特性以及对于外强迫的独特反应，此反应随全球系统变化而改变，同时人类活动可以改变地貌特征。上述作用综合起来将产生对环境变化不同类型的反馈。因此，全面研究欧亚和北美两大陆热带外地区物理过程非常必要。
过程的强度
欧亚北部地表能量和水循环的绝对值低于热带，引发显著性变化的扰动也不需很大，此类低强度、高变率的过程增加了监测的难度。因此，若对欧亚北部地区进行与其他地区同等精度的监测，需要更多相关过程的信息。
4.NEESPI 研究的策略和工具
陆地生态系统是陆地表面的综合整体，在一定程度上是生物地球化学循环的重要形式，同时与人类活动过程有着密切联系。因此，需要开展欧亚北部的气候过程、环境变化和社会发展的交叉研究。此外，许多对欧亚北部环境有着重要作用的过程发生在不同类型区域和生态系统的边界地带。因此，各学科间的交叉研究非常重要，NEESPI将与相关的多学科项目进行合作。
NEESPI 研究的策略是：提取或保存过去的观测、卫星评估和监测、过程研究、环境变化对社会的影响和反馈及模拟；同时 NEESPI 还注重教学目的，上述所有研究是密切联系的。
进行区域生态系统内过程研究是 NEESPI 主要研究内容。具体包括：（a）欧亚北部陆地生态系统生物地球化学循环 (b) 对过去近百年历史资料的恢复整理并应用于环境研究 (c) 以欧亚北部寒区过程、北部苔原带和农业对于灾害天气的承受力等为内容的新领域和过程研究。同时开展区域尺度研究，提高模式对于陆面、水文、冰雪和植被的模拟能力并用观测资料来检验。
对全球变化的评价普遍关注对社会影响。NEESPI 认为社会研究与或全球变化同等重要。因此，社会环境变化及反馈是 NEESPI 研究的重要内容，如分析人类健康必须研究环境、气候、城市化、工业发展、污染、土地利用和社会发展与人类健康的关系，人类对于环境变化的脆弱性如何适应这些变化、可能缓解的措施和未来改良的政策；生态系统健康研究关注全球和区域变化的影响，特别是污染对于生态多样性、生产力、承受力的影响；加强关于气候与环境变率和农业、林业、生产力变化及其反馈、社会、经济、政治和决策处理的数值模拟等方面的量化研究；水处理和质量研究将评价过去、现在和将来人类活动和气候变化对于水供应的质和量的变化，这一评价用于研究相关的适应性政策；自然灾害研究评价极端事件的频率、强度和抵御灾害的能力；还将研究区域火灾对于区域外气体排放及颗粒物大范围传播情况。总体上，本研究包括提高监测、预测和人类防御和应对紧急或突发事件的能力，评估不同因素对环境变化的可能影响。
NEESPI 研究策略还包括应用大量对开展科学研究有益的工具，如遥感、模拟和资料关联技术。
遥感
NEESPI 的目标之一是发展和检验综合的全球观测系统(IGOS)，这一系统通过卫星设备和信息技术完成欧亚北部监测，包括资料收集和处理、图像生成和分析、通过台站资料或资料同化提高空间分析和模拟、用户界面。目前已有的卫星设备几乎可以满足欧亚北部监测多方面的需求，如：植被、土地利用、海岸带、内陆水（河、湖、水库）、雪盖、陆冰（冰河）和永冻带的监测，陆面能量和碳循环、降水、蒸发和大气水汽等。由于观测资料的缺乏和对区域过程的认识不够，许多遥感产品得到不到校验，因而影响到应用。因此，对比校验和区域过程研究是 NEESPI 非常重要的一部分。
空间观测可以精确全面的得到许多其他方面无法得到的生态系统的特征。这些产品的准确性的提高必须在观测信息和模式资料同化的协助下完成。扩展中的欧亚北部现代台站观测网和现有业务科学系统有助于不断提高卫星产品的准确性。同时，确认遥感方法的研究也十分必要。卫星遥感可为资源管理提供早期预警和实时信息。
由于欧亚北部许多地区无台站分布，因此遥感方法在这一地区显得尤为重要。目前NASA、 NOAA 、 NASDA、ESA和 Rosaviakosmos 等多个部门的卫星开展地球气候、环境和土地利用等方面的监测，未来还可能发射更多的卫星。这些卫星数据的反演依赖于辐射、陆面和大气等交互过程的认识。NEESPI 研究将使当前和未来欧亚北部遥感信息更为可信，同时搭建卫星遥感与历史资料间的桥梁。
模式模拟
模式模拟的三大基本功能（过程研究、填补观测的空白和未来预测）在 NEESPI 中得到充分体现。局地、区域和全球尺度的模拟、综合评价和策略模拟对于环境和社会都非常重要。与模拟相关联、互为补充的科学主题是欧亚北部能量、水、碳通量的控制，欧亚北部对于全球系统及其演变的直接和反馈作用，模式对于欧亚北部环境变化的模拟能力。模式所提供的地基和遥感资料的同化业务平台。欧亚北部模式模拟主要侧重于提高上述方面的能力，加强对过去的模拟和预估未来环境和社会变化、区域生态系统和社会对于未来环境演变的脆弱性的评价能力。
欧亚北部模式的空间尺度有局地、区域和全球等，内容有大气边界局模式、不同复杂程度的土壤－植被－大气传输模式，永冻带模式、空气污染模式和资料同化模式，与复杂陆面过程、区域高分辨率水文模式耦合的 3 维大气模式，植被和土壤主要和次要过程模式、植被动态模式、包括大气环流模式和中等复杂的社会经济学模式以及综合评价模式的全球气候系统模式等。其模拟能力将随着模式自身发展、各类比较工具和技术、资料同化的提高而提高。最终，将在系统综合评估模式体系下开展环境变化的综合评估研究。
数据信息和相关技术
NEESPI 每一个科学课题对于资料都有独特的需求， 一个简要评估可能来自大量各种不同来源的资料，但是目前识别、分享和整合资料的多学科研究（如 NEESPI ）还相当缺乏。 解决这一问题的第一步是建立元数据档案（例如，以标准形式建立 NEESPI 所有参与国家现存资料数据库目录），最重要的工作可能是保存和分发过去和当前的观测资料，组织参与者进行部门、国内、国际的资料和信息互换。目前对于欧亚北部研究来说，确保目前已有观测项目和当前密度的气象、水文和环境观测站点的稳定非常迫切。
教育
NEESPI 计划开展欧亚北部地球科学重点研究方向的培训，提供更多相关科学技术,方法和研究交流机会。通过开展不同级别的培训给有发展潜力的学生或科学家提供广泛的受教育的机会。
总之， NEESPI 科学计划以遥感及其它手段、基于模拟与社会经济因素、农作物、污染、土地利用、生态系统和气候模式，利用观测为基础开展欧亚北部主要问题的研究，同时开展相关科学和业务领域的教育和培训；NEESPI 的另一个主要的目的是为社会和决策部门更好地应对气候变化，降低负面影响,制定适应性政策提供有效的信息。
5.预期目标
通过未来十年研究，NEESPI预期达到以下目标：
l 以观测资料为基础包含标准的遥感信息的产品，建立欧亚北部环境研究数据库；
l 建立一系列包含主要陆面过程及其相互作用在内的过程模拟的模式；
l 获得一套全球和区域模式系列，该模式系列型能无缝隙地整合欧亚北部地区与陆面过程相关联的特有的区域性反馈，以提高对该区域的科学的认识，该成果可以成为下一步的环境变化项目的基础并对土地使用和环境保护政策的决策过程提供输入信息。
l 研究领域的系统与业务工作者合作，以满足社会的对于洪涝、火灾、干旱及其他自然灾害的早期预警、应对和减灾的迫切需求。

（郭艳君、翟盘茂和巢清尘译自The Northern Eurasia Earth Science Partnership Initiative (NEESPI) Executive Overview）