全球气候数据集生成及气候变化应用研究梁顺林1，唐世浩2，张杰3，徐冰4，程洁1，程晓5，宫鹏4，贾坤1，江波1，李爱农6，刘素红1，邱红2,肖志强1，谢先红1，杨军4，杨俊刚3，姚云军1，于贵瑞7，张晓通1，赵祥11遥感科学国家重点实验室，北京师范大学地理与遥感科学学院，北京1008752中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心，北京1000813国家海洋局第一海洋研究所，青岛2660614地球系统数值模拟教育部重点实验室，清华大学地球系统科学研究中心，北京1000845遥感科学国家重点实验室，北京师范大学全球变化与地球系统科学学院，北京1008756中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都6100417中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101摘要: 科技部在“十三五”期间部署的国家重点研发计划“全球变化及应对”专项资助了“全球气候数据集生成及气候变化关键过程和要素监测”研究项目。
本项目围绕由全球气候观测系统提出的基本气候变量，完善地空天基观测体系，生成我国首套以遥感数据为主体的涵盖大气、海洋和陆表长时间序列、高精度、高时空一致性的产品，即气候数据集，动态监测全球变化关键过程和要素。
本文重点介绍项目的立项背景、目的和意义、项目目标、研究内容和预期结果。
关键词:定量遥感，气候数据集，气候变化中图分类号：P237 文献标志码：A引用格式：Production of the Global Climate Data Records and Applications to Climate Change StudiesShunlin Liang1, Shihao Tang2, Jie Zhang3, Bing Xu4, Jie Cheng1, Xiao Cheng5, Peng Gong4, Kun Jia1, Bo Jiang1, Ainong Li6, Suhong Liu1, Hong Qiu2, Zhiqiang Xiao1, Xianhong Xie1, Jun Yang4, Jungang Yang3, Yunjun Yao1, Guirui Yu7, Xiaotong Zhang1, Xiang Zhao11State Key Laboratory of Remote Sensing Science, School of Geography, Beijing Normal University, Beijing 100875, China2Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites, National Satellite Meteorological Center,CMA, Beijing, 1000813First Institute of Oceanography,SOA, Qingdao, 2660614Ministry of Education Key Laboratory for Earth System Modeling, Center for Earth System Science, Tsinghua University, Beijing 1000845College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China6Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China7Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Synthesis Research Center of Chinese Ecosystem Research Network, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy ofSciences, Beijing 100101Abstract: The research project entitled “Generation of the global climate data records and their use for monitoring the key variables and processes of climate change” was recently supported by the Chinese Ministry of Science and Technology under the “Global Changes and Responses” Program. Focusing on the Essential ClimateVariables proposed by the Global Climate Observing System (GCOS), This project aims to improve thesurface-air-space observing systems, to produce long-term, high accurate and high spatiotemporal consistent satellite products (i.e., climate data records, CDRs) of the atmosphere, ocean and land surfaces, which will be the first CDR suite in China, and to dynamically monitor the key variables and processes of climate change.This paper mainly introduces the background, significance, objectives, contents and anticipated results of this project.Key Words: Quantitative Remote Sensing, Climate Data Records, Climate Change1引言由于人类活动和自然变化，我们的气候系统正在发生巨大的变化（图1），这不仅仅表现在气候系统的关键要素上（比如温度、辐射、雪盖、海平面等），也表现在关键过程上（比如能量平衡、水循环、碳循环等）。
模型和观测数据是全球气候变化研究的两个支柱，缺一不可(Yang et al. 2013)。
然而，全球气候变化关键过程和要素的现有观测以及高质量数据产品的生产，还远不能满足全球变化研究和应对策略制定的需求。
目前对全球大气、海洋、陆表数据产品的单学科单数据源孤立研发，割裂了这三大全球系统之间的联系，导致生产的数据种类偏少、时空一致性差和精度低的问题。
而我国多数气候变化研究项目，缺少对全球数据的自主研发，只局限于国内数据的开发，导致了国际话语权的缺失。
因此，中国全球气候变化研究迫切需要开展全球气候变化关键过程和要素的系统综合观测，研发涵盖大气、海洋和陆表的高时空一致性和连续性的全球气候数据产品。
为了有效地监测气候变化的关键过程和要素，我们需要长时间、时空一致的和连续的数据集。
美欧等西方发达国家构建了较为完整的对地观测体系，形成了全球观测能力，获取了海量的原始数据(Guo et al. 2015)，并生成了种类繁多的高级定量遥感参数产品。
但是目前主流的遥感数据产品大多是从单一的传感器生成(梁顺林et al. 2016b)。
这导致两个问题，一是产品的时间跨度有限，精度有待提高。
以全球陆表反照率为例，美国宇航局的二个主要全球产品（MODIS和MISR）都是从2000年开始，欧洲多个全球反照率产品都是从90年代后期开始的。
他们的时间跨度都只有十多年；二是来自多颗卫星数据的长时间序列产品一致性和连续性差，以图2中海面温度产品为例，虽然基于后期传感器数据生产的产品比较稳定，但是有不连续现象，而且前期产品的波动性较大，初始段数值明显偏低，这并不是气候变化的信号，而是不同传感器数据质量差异造成的不一致性。
图3演示了为什么气候变化研究需要长时间序列的数据产品。
这是格陵兰岛多年平均反照率距平(He et al. 2013)，由于气温升高，冰雪融化，近期格陵兰岛反照率明显下降，如果用2000年以后美国宇航局和欧空局的反照率数据数据拟合趋势，与真实反照率变化的趋势有较大的差别，这个例子充分说明了长时间序列数据集的必要性。
目前的多数卫星遥感产品尚无法满足气候变化等应用需求。
为此，美国国家研究委员会（NRC）早在2004年就提出了基本气候变量（ECV）和卫星气候数据集（CDR）的概念(NRC 2004)。
ECV定义为能够提供刻画全球气候系统状态信息，可用于长期气候监测，与气候变化及其对全球影响有关的地球物理变量。
CDR定义为可用于确定气候变率和气候变化，具有足够时间长度、一致性和连续性的长时间序列数据。
全球尺度上，卫星遥感是生成CDR的唯一手段。
结合卫星观测可行性和气候变化研究的迫切需求，全球气候观测系统（GCOS）于2010年列出了卫星遥感能发挥重要作用的50个ECV变量(GCOS 2010)，它反映了需要卫星遥感监测的最重要的气候变量。
国际空间机构，以美国大气海洋局（NOAA）和欧空局（ESA）为代表，陆续开始研发CDRs。
例如NOAA 生成了13个基本CDRs（传感器数据）、9个大气CDRs、4个海洋CDRs和4个陆表CDRs。
ESA于2010年启动了气候变化计划（CCI）(Hollmann et al. 2013)，2017年之前生成从GCOS定义的50个ECVS中筛选的13个ECVs，形成4个大气CDRs、4个海洋CDRs和5个陆表CDRs。
欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT）研发与全球能量与水循环有关、涵盖云参数、大气温湿度廓线、气溶胶光学厚度、地表能量平衡、大气层顶能量平衡的24种卫星产品。
相比于GCOS定义的50个ECVs，当前的CDR类型明显不足，且分布不均，如复杂性和异质性最强的陆表，CDRs数量小于5个。
ESA将于2017年启动CCI+ 计划，在CCI计划基础上，增加10个CDRs，其中陆地5个。