2016财年美国全球变化研究计划总统补充预算

　　美国全球变化研究计划塈全球变化研究预算小组委员会报告

　　本报告由联邦政府支持国家科学基金会资助美国全球变化研究计划完成

　　资助号：NSFDACS13C1421

建议引用：

　　美国全球变化研究计划，2015，我们变化的星球：2016年财年美国全球变化研究计划，美国华盛顿特区。

　　《我们变化的星球》最新版包括USGCRP（美国全球变化研究计划）研究企业概述以及近期工作亮点集锦，显示了该计划如何履行其2012－2021战略计划。该报告还关注了与奥巴马总统的气候行动计划相交叉的跨部门研究优先领域的进展，例如气候预测、干旱和其他水文极端事件以及可行性科学。《我们变化的星球》亮点集锦代表范围广泛的USGCRP的活动，从地球系统观测、建模，延伸至通过综合评估、决策支持、教育以及公众参与的基础研究。这一途径完整地履行了GCRA授权的职责“了解、评估、预测以及应对人为产生和自然过程的全球变化。”

　　《2016年财年我们变化的星球》概述了USGCRP在实现其科学目标、实现其国会授权的任务、支持总统气候行动计划、以及为人类有效应对全球变化提供信息的知识基础等方面取得的重大进步。我感谢各参与机构的密切合作，并期待着与各位国会成员一起，落实这项国家重要计划的延续。（译者按：节选第2章主要考虑该章涉及j9游会真人游戏第一品牌及空间观测技术等方面）

第2章　联邦政府对全球变化研究的投资

　　全球变化的多维度及动态特性给科学与响应策略带来了动态目标。USGCRP 2012－2021战略计划作为路线图为应对这一挑战提供指导，为更深层次的科学理解和更好做出有效响应的决策支持工具绘制蓝图。在来自联邦政府内外合作者的帮助下，USGCRP各机构通过长期重点关注以下4大支柱，在实现2012－2021战略计划方面取得了显著的进步：前沿科学（第2.1节）、信息支持决策（第2.2节）、实施持续评估（第2.3节）以及传播与教育大众（第2.4节）。其中，第一个目标为其他三个提供科学基础，这反过来继续改进未来重点科学领域。

2.1.　推动科学发展

　　了解全球变化对美国的福利至关重要。基本的以应用激发为导向的研究，通过前沿工具，收集和分析数据，可以提供政府、企业以及社区所需的知识，解决为生命、财产、自然资源和经济增长带来越来越多的气候变化风险问题。

　　USGCRP研究推进对地球系统的物理、化学、生物、和社会组成部分间相互作用的认识；其自然和人文方面的脆弱性和恢复力；以及通过科学知识有效应对全球变化的手段。这种研究取决于对多学科观测（专栏3）、过程研究以及建模等进行持续的项目投资。这些基本科学探索的组成部分需要各自的专业知识、基础设施以及规划周期，但他们最终共同产生对全球变化更全面、综合的理解。

　　例如，通过卫星、气象站以及海洋平台收集观测数据使科学家能够监测全球气候状态（亮点1），同时对观测到的极端气象与气候事件产生的原因进行建模与分析检测。长期的、基于实地测量的环境变量为多种尺度和主题研究提供原始数据。几个案例分析了地球碳收支（亮点3）、生态系统与大气相互作用模型（亮点4）、季节变动指数（亮点5）以及微生物如何调节碳储存研究（亮点6）等。观测不仅提供了驱动许多地球系统模型的输入和基线条件，还为评估模型输出结果提供重要的真实世界验证（亮点7）。

　　除了实施和支持这些集成研究活动，USGCRP努力改进并协同国家全球变化研究能力――例如，参加评估美国地球观测系统（亮点8），支持全美国建模社区合作（亮点9）以及加强国内和国际合作促进碳循环科学发展（亮点10）。此外，正如在2012－2021战略规划中呼吁的那样，USGCRP正在通过加强与社会科学的关系，增加其研究效用。一个USGCRP特别小组成员最近发表的一篇评论文章，为了解社会科学研究如何帮助全球变化知识库运行提供了框架。在此框架基础上，文章确定了具体的桥接活动，促进包括参与决策过程、连接知识网络、统一数据标准以及发展信息系统等在内的社会科学整合。这些指导原则和活动可以促进科学家与利益相关者之间的持续对话，引导新的研究重点，并帮助将全球变化研究转化为行动。

近期亮点

亮点1：全球气候状态监测

　　2013年，绝大多数全球气候指标——尤其包括温室气体浓度、海平面、全球温度等——继续反映了全球变暖的证据。这是2013《气候状态报告》的结论，2014年7月由《美国气象学会公报》（BAMS）发表的一份报告。报告作者来自57个国家的425位科学家（包括来自NASA和NOAA其他部门的研究人员），NOAA国家气候数据中心（NCDC）的科学家担任本报告的首席编辑。该报告每年出版一次，详细介绍反常和极端天气事件，并使用许多国际公认的指标来跟踪全球气候系统的变化。每个指标都基于多个独立数据集的数千次测量，并经多领域国际科学家协助确定。该报告不仅为科学家也为越来越多的在工作中考虑气候条件与趋势的决策者们提供了有益参考。NOAA已经出版了2014年气候状态报告初稿，完整的报告将在今年晚些时候出版。

此图显示了相对于从1981年到2010年间平均温度的2013年主要增温状况（红色阴影）。

（来源：NOAA NCDC）

亮点2：从气候角度解释极端事件

　　暴雨、强风暴、干旱以及热浪等极端事件对基础设施、经济和脆弱人群具有毁灭性影响。越来越多的气候科学领域寻求了解极端事件背后的驱动机制，以及它们如何与更广泛的气候变化趋势相连接。在努力监测全球气候（亮点1）的基础上，近期BAMS发布的一份报告集成了来自20个不同研究小组的成果，评价了16个极端事件中人类引起气候变化和自然气候变化的各自作用。本报告的4位首席编辑中，有3位由NOAA的科学家担任，与来自NOAA、NASA以及美国地质调查局（USGS）DOI、DOE橡树岭和劳伦斯？伯克利国家j9游会真人游戏第一品牌、美国学术机关以及13个其他国家研究机构的作者共同完成。

　　20个研究小组中的5个研究了澳大利亚的温度记录，所有5个小组都发现，人类造成的气候变化增加了这类事件发生的可能性和严重性。但对于有些其他2013年的极端事件，证据更为复杂。例如，关于人类造成的气候变化对加利福尼亚持续干旱的影响，该报告没有找到确凿的证据。然而，它确实发现，人类活动增加了与干旱发生有关的反常大气压格局可能性。另一个例子中，报告发现人类造成的气候变暖现象增加了科罗拉多州空气中的水分含量，但它没有增加――事实上是明显降低――在博尔德（编者按：位于科罗拉多州内）导致洪水泛滥的极端降雨发生的可能性。

　　认识人类与自然因素在极端事件中的相对影响，可以帮助政府和社区做出关于减少和应对气候变化影响的明智决定。尤其是，在给定区域能够预测某种特定类型的极端天气，可以激发降低风险行动的积极性。

2013年9月，暴雨引发的洪水对科罗拉多州博尔德造成破坏——协作报告中考核的几个极端事件之一。

(来源：美国Zumwalt联邦应急管理局)

亮点3：利用全球观测跟踪地球碳预算

　　2014年9月，国际全球碳排放计划公布了年度全球碳预算，展示不断上升的二氧化碳排放及其对国际减少气候变化所做努力的非凡意义。2014年碳预算包括分析2013年排放、预测至2014年底的排放量，以及对未来气候与能源选择的影响。排放量数据通过全球范围及国家区域的全球碳排放图集，提供交互式探索使用。根据该预算，2013年全球使用化石燃料以及水泥生产排放的二氧化碳量增至创纪录的360亿吨，而毁林排放相对低，为33亿吨。

　　全球碳预算依赖于从许多来源的观测数据，USGCRP参与机构包括NOAA、DOE以及NSF都做出了重大贡献。这是第一次，2014预算利用从“机遇号”船及系泊设备上搭载的自动工具获取的海面二氧化碳监测数据。2014年的预算估计，2013年海洋吸收了人类二氧化碳排放的29%，表示海洋碳储存在过去50年里增加了近3倍。尽管这种碳储存增加有助于减轻人类排放对气候的影响，但它也导致海水酸度增加，威胁贝类及其他生态和经济上重要的海洋动物。NOAA改进观测与技术方面的投资，有助于减少50%以上的海洋碳存储测量数据的不确定性。

　　除提供数据之外，多个USGCRP参与机构支持美国对2014预算分析做出贡献。USGCRP通过年度拨款的方式为国际未来地球计划（见亮点40）合作伙伴的项目提供资助。USGCRP的美国碳循环科学项目办公室是国际碳项目的一个附属办公室。

技术人员在为NOAA配有二氧化碳传感器的浮标上工作。这类自治传感器改进了对海洋每年储存多少碳的估算。

（来源：NOAA）

亮点4：热带雨林冠层的自然与人类排放

　　除了生物多样以外，热带森林是地球上水、能源及碳循环的重要温床――但日益受到气候变化与人类活动的影响。例如，在曾经原始的亚马逊河流域的大气化学，由于森林砍伐、生物量燃烧以及与该地区发展有关的污染等原因正在迅速发生变化。

　　与其他森林一样，热带森林自然产生并释放出挥发性有机化合物，可以与其他元素反应形成气溶胶或悬浮在大气中的细微颗粒。最近在亚马逊河流域部署了多年期观测活动，不仅研究热带生态系统、气溶胶、云以及在清洁条件下降水之间的相互作用，也研究自巴西热带大都市马瑙斯传输出的污染物如何影响这种相互作用。观测活动由DOE、NSF以及2个巴西组织共同发起，利用地基和机载平台收集广泛环境的观测数据。为实验配备的一台傅里叶变换光谱仪，作为NASA的OCO-2（轨道碳观测者2号）卫星测量数据的南半球重要验证点，将发挥双重作用。

　　实验活动的早期结果令人惊奇，有机气溶胶似乎随着污染程度不同在液相和固相之间部分转变，有可能同时对云的形成和大气化学产生影响。长期的预期结果包括更好的热带森林冠层快速反应大气化学模型；更深层次认知和改进的生物排放、人为污染物以及气象因素之间相互作用；以及更好地了解这些相互作用如何影响云及降水的周期过程。

在亚马逊河流域的观测活动测量了关键环境变量，包括驱使树冠进行生物排放挥发性有机化合物的光照和温度。

亮点5：创记录的2012年早春

　　根据美国国家物候网（USA-NPN）一个研究团队的最近研究进展，2012年的春天，来的比1900以来美国连续任何一年都早。研究采用USA-NPN的一套“春天指数”――或是基于热敏植物启动生长所需累积温暖程度算法，该算法经过全国范围内丁香和金银花生长历史观测数据验证。USA-NPN，除了学术机构和非政府组织（NGOs）之外，由参与USGCRP的多联邦机构发起――包括NSF、NASA、NOAA、DOE橡树岭国家j9游会真人游戏第一品牌以及DOI国家公园管理局（NPS）、美国鱼类和野生物保护部（FWS）以及USGS。

　　植被“绿度”卫星数据显示了2012年异常早春的累积效应最为明显的是横跨玉米带、五大湖西部地区以及美国东北部地区。生长季节提前开始的潜在好处被4月份的晚霜冻毁坏了，产生的“假春”损坏了横贯中西部地区和五大湖地区的果树。

　　USA-NPN的研究论证了为识别新的环境变化而进行持续监测的必要性，因为可能会由于缺少长期数据记录而遗漏这种现象。其他包括不同地理范围这样的长期数据集――诸如北半球和美国西部地区――已有记录证明随着温度的增加，春天确实提前到来了。结合植被生长的卫星观测数据，像“春天指数”这一指标在用于确定气候变化如何影响季节模式，以及跟踪气候变化对生态系统、自然资源及农业部门的相关影响等将变得越来越重要。

该图显示了每年春季开始时间与20世纪期间春季开始平均时间相差的天数。2012年春季（红圈所示）创造了早春的最高记录。（来源：改编自USGCRP指标体系（indicators pilot），数据来自USA-NPN以及NOAA NCDC）

亮点6：土壤碳储存：微生物的大作用

　　大多数的陆地（以土地为基础的）碳储存在土壤中。随着气候与土地利用的变化，了解这个碳循环中的关键角色显得越来越重要。2014年10月，来自13个国家的科学家小组齐聚南卡罗莱纳州，参加了第六届国际土壤与沉积有机质稳定性与不稳定性研讨会（SOM6）。与会代表集中讨论并共享了USDA、NSF、DOE、USGS以及NOAA及其他机构资助的研究成果。此次大会由USDA国家食品与农业研究所主办，使许多本来没有能力参会的学生及博士后研究人员参加。

　　在SOM6研究界的参与下，一条重要线索业已显现，那就是理解了碳存储是由生活在土壤中的微生物（细菌）介导的，反过来可以受到土地管理措施及植物生物多样性的影响。例如，USDA资助的美国密歇根州大学凯洛格学院生物站（一个NSF长期生态研究台站）研究发现，土壤在有机农业条件下较传统耕作方式下积累更多的碳――即使有机耕种的土壤可能被犁的更加频繁，而且也可能从植物残体中获得更少的碳。这一有违常理的发现归功于更高的生物质、活跃以及微生物在有机农业的生长效率等，之间的差异与所种植植物的更高生物多样性有关。此外，草地生态系统的长期数据集表明，较高的生物多样性造成更多的碳趋近生活在植物根部周围的微生物群落，同时增加了微生物的活性和土壤碳储量。总之，这意味着生态系统有利于丰富、多样性和微生物活跃群落的特性，对土壤碳存储最大化十分重要。

受耕作方式的影响，土壤微生物在碳存储中起着重要作用。

亮点7：观测改进气候模型

　　2012–2021战略规划强调协调对地观测与地球系统建模两者的必要性――是全球变化研究的两个立足基石。Obs4MIPs（或称观测数据模型比较计划）是一个新兴活动，使用观测数据来更好地支持耦合模型比较项目（CMIP），世界气候研究计划所属的一个国际合作项目，协调气候模型中心开展实验以及为大型评估提供研究。该概念形成于2010年由NASA和DOE主办的一次会议上，目前，Obs4MIPs桥接大型观测与建模项目的基本组成部分。NASA喷气推进j9游会真人游戏第一品牌在卫星观测方面起主导地位，同时，DOE支持的在劳伦斯利弗莫尔国家j9游会真人游戏第一品牌（LLNL）的气候模型诊断与比较项目，在CMIP技术层面与观测需求方面提供专业知识。

　　Obs4MIPs当前关注一个重要、可行的，否则尚未解决的目标：以能直接与CMIP模型输出进行对比的格式，为研究人员评估气候模型提供最需要的观测数据。具体来说，每个Obs4MIPs数据集根据最新CMIP需求进行格式化，并对应于一个或多个CMIP实验中的模型输出领域。这种技术统一观测产品与模型输出，使我们能更有效地进行比较、评估并最终改进气候模型。在NOAA、欧空局以及其他新的合作伙伴的共同努力下，在WCRP数据咨询委员会的指导下，Obs4MIPs正在成长为一个规模更大、更国际化的企业。目前正在为下一期CMIP计划努力协调Obs4MIPs的发展。

亮点8：评估美国对地观测

　　民用对地观测支持重要公共服务、长期研究、科学探索以及技术创新。除了使用学术界、工业界以及州、地方与部落政府投资之外，联邦政府每年跨多机构为民用对地观测与数据进行重大投资。规划与评估工作对确保这些投资能够引领对地观测向合理、高效及快速使用方面发展至关重要。

　　在《2013国家民用对地观测战略》的基础上，在美国地球观测组织（USGEO）利用USGCRP参与机构的专业知识提供跨部门的支持下，白宫科学与技术政策办公室（OSTP）最近发布了《国家民用对地观测计划》。该计划递交了一份关于最大限度发挥对地观测潜力、刺激经济增长、维护国土安全以及推进科学研究与公众了解的蓝图――同时考虑到财政与项目限制因素。该计划还强调了改善数据访问、管理与互操作性，特别是对联邦政府的努力方向如“气候数据倡议”和“气候恢复性工具箱”（见第2.2节）。

　　下一步是2016国家对地观测评估（EOA 2016），这将建立在其2012年前任的基础上对美国对地观测投资组合进行评估，并考虑它如何惠及涉及到的包括气候在内的诸多领域。在USGEO的领导下，在USGCRP通过机构专业知识和工作小组成员共享的支持下，EOA 2016将评估现有系统并提供对未来有深刻理解的研究和数据需求。这一努力的最终目标是为联邦政府在制定政策和预算决策时，提供健壮的、具有效益的国家对地观测能力。

除美国对地观测系统投资组合之外，NASA轨道碳观测卫星2号（如上图）在2014年具有里程碑意义。（来源：NASA）

亮点9：构建美国建模界协作

　　从实验研究到了解地球系统，为制定科学决策开展预报与预测，地球气候建模进一步优先考虑了国家利益。在国家顶级的建模中心之间协调――特别是在实验性与运营性项目之间（见亮点31）――有望提升预报能力，提供更强的预测，并桥接目前由于覆盖面差异高不确定性导致仍分开进行的短期气象与长期气候模型。

　　2015年2月，为响应国家研究委员会的一份报告，USGCRP召开了首届美国气候建模峰会，汇集来自CMIP级实验建模中心和预报中心的科学家。与会者包括来自NOAA地球物理流体动力学j9游会真人游戏第一品牌（GFDL）和国家环境预测中心（NCEP）；NASA戈达德空间研究所（GISS）和全球建模与同化办公室（GMAO）；由国家大气研究中心（NCAR）主管，NSF和DOE资助的公共地球系统模型（CESM）；以及由ODE及8个国家j9游会真人游戏第一品牌参与资助的加速能源气候模型（ACME），NCAR、学术机构以及私营部门。

　　峰会促进了大家对每个建模中心的不同和互补的目标、战略以及能力等方面理解的共识。与会者明确了协作的机遇，并考虑了可能的宣传机会，以提高气候变化模型产出的易懂性与适用性。峰会产出的关于计划合作领域的白皮书于2015年4月发布。峰会将继续每年召开正式会议，通过不间断地协调，推进共同目标，加快知识与能力从研究阶段向运营阶段的转化。

美国气候模型峰会汇聚了全国主要实验性与运行性气候模拟项目的代表。上图，峰会参会代表在NOAA天气与气候预测中心合影。

亮点10：碳研究领域协作

　　碳循环――或通过大气、海洋、土壤以及生物体的连续碳通量――是气候变化与人类活动相互作用的地球系统的基本组成部分。通过USGCRP及其美国碳循环科学计划，联邦机构与科学界合作，推进这一重要领域的基础与应用研究。一些示例显示如下：

• 2014年，NASA、USDA、DOE以及NOAA为通过跨部门征集（NASA-ROSES碳循环科学）的41个新研究项目共同投资3700万美元。这些项目将帮助回答关于在水陆界面，北极、热带和高纬度地区，都市、郊区、森林、沿海以及农业景观，以及在地下的碳动力问题。此外，一些项目将集中综合当前研究进展，找出知识差距并为今后工作奠定基础。

• 自2007年项目启动时，沿海碳合成（CCARS）活动汇集了国际研究人员，回答碳如何穿过北美沿海环境移动的问题。这一多年期合作努力于2014年在马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所召开的CCARS学术研讨会上积累形成，代表来自USGCRP机构包括NASA、USGS、NOAA以及NSF在内的机构的支持。在北美沿海不同地区工作的60名参会代表凝练了近期科学优先事项――包括观测、建模以及过程研究――这些内容将在目前正在进行的一项科学计划中概述。

• NASA碳监测系统（CMS）项目，由美国国会指导，继续促进美国碳监测能力的发展，支持科学研究及地方和区域管理工作。除NASA之外，CMS涉及美国林务局（USDA-FS）、NOAA、DOE、USGS以及学术机构和私营部门等重要参与。与USDA森林调查与分析国家计划、跨部门的林间碳计划（SilvaCarbon program）以及联合国国际减少森林砍伐和林地退化造成的碳排放（REDD）计划等的紧密合作也很到位。通过CMS计划开发的碳监测与验证原型，强调了对航天航空观测平台、计算能力以及包含与利益相关者专业知识相结合的商用成品技术有效利用等开发的重要性。在新的CMS项目获得经费及发展之时，我们正在付出巨大的努力评估这些途径。在未来几年中，NASA将继续以合作建立完全满足国家需求的能力和为全球提供模型为目标，加强与其他涉及碳监测联邦机构的联系。

　　原文题目：OUR CHANGING PLANET：The U.S. Global Change Research Program for Fiscal Year 2016 A Supplement to the President’s0 Budget

　　来源：http://www.globalchange.gov/browse/reports/our-changing-planet-FY-2016

（黄铭瑞、林巧编译，殷永元审核）