利用卫星遥感技术监测叶绿素荧光
为全球植被光合作用画张“全家福”
来源:中国气象报   发布时间:2020-06-23
分享到:0

中国气象报记者 卢健

  闭上眼睛,你能想象出由南至北、自西向东全球各种植物一个个张着嘴巴不断吸入二氧化碳、呼出氧气那番热火朝天的景象吗?
  依托卫星遥感技术的进步,科学家将这幅图景“画”了出来。2009年日本全球温室气体观测卫星(GOSAT)成功发射后,人类依托遥感数据首次实现纵览全球植被光合作用的“全貌”,并期待这幅“画作”可以在全球变暖背景下担当起碳汇(植被吸收并储存二氧化碳)的“计量者”。11年过去了,这幅“画作”还有哪里需要完善,如何才能雕琢得足够写实?国家卫星气象中心倪卓娅博士、陆其峰研究员经过比较分析后,给出了相关线索和建议。
  一切的起点,要从被称作“光合作用的签名”——叶绿素荧光现象说起。
  植物叶绿色分子吸收光辐射后,大部分能量用于进行光合作用,一部分光能转化为热量耗散掉,很少一部分能量转化为波长更长的光,即叶绿素荧光。叶绿素荧光与光合作用密切相关,因此可用于检测植被状况,估算总初级生产力,也就是植物通过光合作用固定的碳总量。
  叶绿素荧光本身并不是新发现,早在几十年前,植物学家已经认可叶绿素荧光是有效监测植物生理状态变化的直接无损方法。随后,散布于全球的实验室都在小范围观测植物荧光现象。而真正的考验,则是从数百公里外的太空为全球植被的叶绿素荧光画张“全家福”。
  “作画”的关键,曾被美国国家航空航天局(NASA)碳与生态系统项目负责人大卫·施梅尔形象地比喻为“关掉太阳光”,因为在“强大”的反射日光的映衬下,“弱小”的叶绿素荧光信号可以说是“相形见绌”。因此,要从太空寻找荧光现象,就必须剥离反射日光的影响。从GOSAT卫星开始,科学家找到了一种“关掉太阳光”问题的解决方案,即调整遥感卫星的光谱仪,只关注一个很窄的频段,这样就能降低反射后的太阳辐射,单独来观测荧光现象。此后,精度越来越高的美国轨道碳观测卫星(OCO-2)、中国碳卫星等遥感卫星,都在尝试描绘出更为精细的全球叶绿素荧光图像。
  在陆其峰、倪卓娅看来,当前阶段,如何让本就十分微弱的叶绿素荧光呈现得更为“写实”,除了考验“画家”(卫星)本身的实力外,还有两项基础任务需要在地面同步完成。
  在生活中,本来视力所及之物,如果受到大雾的影响,是不是就很难看清?与之类似,太阳光被“关掉”后,微弱的叶绿素荧光在被镜头接收到之前,也会受到大气散射等影响。“尽管在荧光反演方法中经常考虑大气效应,但考虑到荧光信号太过微弱,其他因素仍需要进一步分析,包括旋转拉曼散射和杂散光。”倪卓娅介绍,在未来的研究中,荧光反演算法必将在严格的大气校正基础上发展。具体来说,选择一些无植被的区域,如沙漠、格陵兰和南极洲等无荧光区域用于训练数据,以估计大气效应的影响。
  而另一件基础任务,则源于“对答案”与“给答案”之争。几个近视的人一起看同一张视力表,最下面一行都只能模模糊糊看清,那么在无法走近视力表的情况下,要知道最下面几行的结果,唯一的办法应该就是把几个人看到的结果放在一起进行比对决定。
  此前,星载叶绿素荧光产品验证最常用的方法正是通过其他日光诱导叶绿素荧光(SIF)产品进行交叉验证,比如日本GOSAT卫星SIF、美国OCO-2卫星SIF、欧洲全球臭氧监测实验卫星SIF数据就曾彼此交叉验证。不过,这种方法仍然是治标不治本。如果我们能走近并拿到那张真实或近似真实的视力表,那么就可以从根本上解决问题。
  事实上,科学家正在试图拿到那张“视力表”。目前,在地面附近进行的荧光测量很少,并且测量范围有限,因此难以使用地面数据来验证SIF卫星数据。在不考虑大气影响的情况下,基于地面的荧光反演方法就变得更为实际。“可以将地面附近的荧光值视为真实值,并可以用于验证其他荧光反演结果。”倪卓娅表示,未来标准光谱测量和荧光检索技术的使用将有望扩展地表叶绿素荧光观测网络,最终获得“真实”荧光值。
  2019年,全球化石燃料使用以及工业活动产生的二氧化碳排放量达368亿吨,创下历史新高。为了打出科学有效的“调控牌”,我们不仅要掌握碳排放的详细数据,同时也要摸清植被固碳的真实能力。关于后者,星载叶绿素荧光产品的技术突破正日益受到关注。

(来源:《中国气象报》2020年6月22日三版  责任编辑:王美丽)
  

相关新闻