遥感和寻找气候变化临界点，预测不可逆转的全球变化

气候变化是前所未有的全球挑战，其最令人担忧的特征之一是地球气候系统可能出现临界点。这些临界点是临界值，超过这个临界点，环境条件的微小变化就可能引发系统发生巨大且不可逆转的变化。这些变化会对生态系统、人类社会和整个全球气候产生深远影响。此类临界点的例子包括北极冰盖融化、亚马逊雨林崩塌和珊瑚礁瓦解。

预测这些临界点，特别是在它们变成灾难之前，对于缓解和适应战略都至关重要。一项新的研究通过卫星技术从地球表面收集数据，在监测这些临界点的指标方面发挥着关键作用。

气候临界点：复杂而紧迫的挑战

气候临界点是指地球气候系统中温度、二氧化碳水平或其他因素的微小变化会导致巨大且往往不可逆转的变化。这些变化可以通过相互关联的系统连锁反应，放大其影响。例如，北极冰层的消失不仅影响当地气候，还对全球天气模式、洋流和生物多样性产生深远影响。

临界点通常与关键系统相关，例如格陵兰岛和南极洲的冰融化导致海平面上升、墨西哥湾流或大西洋经向翻转环流 (AMOC) 的变化、生物多样性的丧失和珊瑚礁或森林等生态系统的变化、永久冻土融化会释放出强效温室气体甲烷等。

临界点的挑战在于它们难以预测，有时只能在触发后才能识别，这使得主动干预变得困难。因此，早期发现对于气候适应和缓解战略至关重要。虽然围绕临界点的大部分研究都集中在理论建模和古气候数据上，但遥感技术提供了一种新颖且及时的工具来实时监测这些变化。

遥感技术：气候监测的重要工具

几十年来，卫星遥感一直被用于监测各种环境现象，从土地利用变化到海洋温度变化。在气候变化的背景下，遥感尤其有效，因为它可以连续全球覆盖，提供高时间分辨率和长期数据集。

用于气候监测的主要卫星系统包括美国宇航局的Landsat 计划、欧空局的哥白尼哨兵卫星以及美国宇航局 Terra 和 Aqua 卫星上的MODIS（中分辨率成像光谱仪）。这些平台提供有关地表温度、植被、冰盖覆盖率和大气成分等指标的高分辨率数据。

北极和南极的极地冰盖特别容易受到气候变化的影响，是临界点的最重要指标之一。卫星遥感可以精确监测海冰范围和厚度和冰架的移动和崩解等。例如，美国宇航局的ICESat-2和欧空局的CryoSat-2均提供冰盖厚度和体积的测量值，这对于了解冰融化的进程至关重要。

森林是主要的碳汇，从大气中吸收大量二氧化碳。然而，它们极易受到气候变化的影响。MODIS和Sentinel-2卫星等仪器可以通过检测叶面积指数 (LAI)、叶绿素含量和植被指数的变化来测量植被健康状况。此外，遥感可以追踪野火的频率和范围，由于气候变化，野火变得越来越猛烈，通过释放森林中储存的碳而导致火灾达到临界点。

大西洋经向翻转环流 (AMOC)等海洋环流系统也是全球气候系统不可或缺的一部分。卫星可以探测到可能预示洋流中断的海面温度（SST）异常。Sentinel-6等卫星提供海平面上升的高精度测量，这对于了解冰融化和海洋热膨胀的影响至关重要。

对于北极地区永久冻土融化是一个主要问题，因为它可能会释放大量甲烷，这是一种强效温室气体。遥感技术可以检测地表温度和地表变形等。例如Landsat卫星用于追踪地温变化，使用Sentinel-1的合成孔径雷达 (SAR)观测永久冻土的融化会导致的表下沉。

地球系统模型在增强遥感数据中的作用

虽然遥感技术可以提供有关气候系统现状的宝贵数据，但将卫星观测与地球系统模型相结合有助于提高临界点的预测准确率。地球系统模型模拟了大气、海洋、陆地和冰之间的相互作用，并可以洞悉不同临界要素如何相互作用。例如，通过将北极冰层范围的遥感数据与气候模型相结合，科学家可以预测北极海冰何时会达到临界点，即使全球气温稳定下来，海冰也将无法恢复。

气候系统高度互联，这意味着一个组成部分的变化可能会引发其他系统的连锁效应。例如，冰盖的消失可能会加速海平面上升，进而破坏沿海生态系统和基础设施。监测多个系统（如冰盖、海洋和森林）的遥感数据可以结合起来，模拟这些连锁效应的可能性。

虽然遥感具有巨大的价值，但仍存在一些挑战和限制需要解决。比如时间分辨率、数据缺口、数据准确性等问题。例如，某些遥感数据可能不够频繁，无法捕捉关键系统的快速变化；某些地区，例如深海或偏远的雨林地区，可能缺乏足够的监测；云层覆盖、大气干扰和传感器校准问题会降低卫星数据的准确性，尤其是在天气频繁干扰的地区等。

为了解决这些问题，科学家门正在开发新技术和新方法。例如，机器学习和人工智能的进步使数据处理和模式识别更加完善，提高了我们检测和预测临界点的能力。

新的研究发现

最初，科学家汇编了长期环境数据，包括温度记录、冰盖覆盖、植被数据和海洋变化，以建立对地球自然气候变化的基础了解。

英国埃克塞特大学全球系统研究所引导的一项新的研究，深入探讨遥感如何帮助识别潜在的临界点，改善临界事件的弹性监测和预警，并评估临界系统相互作用和可能连锁反应的可能性。

研究的一个主要结论是，气候临界点并不局限于全球尺度，也可能发生在区域或地方层面。卫星遥感技术提供了一种全面的工具，可以从多个尺度观察这些现象，从全球模式（如温度异常）到区域变化（如森林健康或土壤水分变化）。通过结合不同卫星系统的观测数据，研究人员可以长期监测不同空间尺度的临界点，这对于早期检测和响应至关重要。

另一个重要结论是，气候临界点通常作为级联反馈回路的一部分出现，其中一个临界点的影响可能会加速其他临界点的出现。例如，北极冰层的消失会降低反照率，进而加速变暖并导致冰层进一步消失。遥感技术在监测跨多个环境系统的这些反馈回路方面发挥着关键作用，使科学家能够跟踪其进展并识别相互关联的临界现象的早期迹象。

研究指出，遥感，特别是通过卫星技术，对于识别气候临界点的早期信号至关重要。这项研究的核心发现之一是，卫星观测对于监测可能预示临界现象开始的大规模环境变化至关重要。例如，遥感对于跟踪北极海冰动态、森林砍伐、海洋环流变化和冰川消融至关重要——所有这些都与关键的临界点有关。该研究还强调了几个特别容易受到气候变化影响的“引爆因素”，包括北极冰盖、亚马逊雨林、海洋环流等。

随着我们不断进步，遥感与先进建模、机器学习和数据分析的结合将在提高我们及早发现气候临界点的能力方面发挥关键作用。

思考

地球系统不同组成部分（例如冰盖、生态系统、大气环流）的临界点并非孤立运作。人们越来越认识到“临界级联”，即系统某一部分的变化可能引发其他部分的进一步变化。不同尺度的临界点之间有何相互作用？

许多气候系统表现出非线性动态，其中微小的变化可能导致突然和不成比例的反应。使用遥感识别和预测此类行为尤其具有挑战性，如何在具有复杂非线性行为的系统中检测临界点？

参考文献：Timothy M. Lenton, Jesse F. Abrams, Annett Bartsch, Sebastian Bathiany, Chris A. Boulton, Joshua E. Buxton, Alessandra Conversi, Andrew M. Cunliffe, Sophie Hebden, Thomas Lavergne, Benjamin Poulter, Andrew Shepherd, Taylor Smith, Didier Swingedouw, Ricarda Winkelmann & Niklas Boers ，Remotely sensing potential climate change tipping points across scales.  Nature Communications volume 15, Article number: 343 (2024) ，doi.s41467-023-44609-w

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