环境计量的新挑战
- 2013/1/16 10:58:16 21325
- 来源：中国计量测试学会
摘要：气候变化是我们这个时代面临的大挑战之一。有明确的证据表明，气候变化和变暖已经发生，并对地球和社会有着显著影响。过去十年中，气候变化问题已经上升到政治议程。
德国物理技术研究院(PTB)的研究人员KlausDieter Sommer,Petra Spitzer,Volker Ebert在第20届测量技术联合会(IMEKO)世界大会上发表了一篇文章：环境计量的新挑战。这篇文章内容新颖，立意深远，对国内读者具有一定的启发意义。(仅供参考。)
1.简介
气候变化是我们这个时代面临的大挑战之一。有明确的证据表明，气候变化和变暖已经发生，并对地球和社会有着显著影响。过去十年中，气候变化问题已经上升到政治议程。“京都议定书”期间，要求在2008年至2012年期间，削减温室气体排放量，至少为1990年的水平的5.2%。2009年在哥本哈根举行的联合国气候变化大会(COP15，《联合国气候变化框架公约》缔约方第15次会议)的协议一致同意应保持气温上升2摄氏度以内，以避免产生影响我们生活的环境的显著问题。它还呼吁在2015年前审查协议，强化长期目标----“有关温度上升1.5摄氏度”。联合国气候变化会议，德班2011(COP17和CMP7，《联合国气候变化框架公约》第17次缔约方会议暨《京都议定书》第七次会议)决定各缔约方采取对气候变化的一个普遍的法律协议，尽快但不迟于2015年。
气候变化经常被当作一个过程来讨论，它应当在范围内减轻。因此，在联合国气候变化大会坎昆2010，COP16和CMP61(《联合国气候变化框架公约》第16次缔约方会议暨《京都议定书》第6次缔约方会议)的主要焦点就是在后京都时期的减灾战略。坎昆协议包括一个全面的方案，以帮助发展中国家应对气候变化，包括：
1)第十六次会议的缔约方大会(COP16)；“京都议定书”缔约方会议第六次会议(CMP6)
技术机制、适应委员会和用于为发展中国家提供长期融资的绿色气候基金。政府还同意限制平均气温上升超过2摄氏度的长期目标。为达到低碳经济的目标，发达国家同意制定低碳战略，同时鼓励发展中国家参与。2011年，希望政府把重点放在一项设立一个绿色气候基金的协议上，制止砍伐森林，以适应气候变化，并在坎昆会议上通过。Rio 20首脑会议(联合国可持续发展会议)筹备期间，“环境治理”、“绿色经济”已被确定为未来的核心问题。
有效的、有意义的政策需要坚实的科学基础。重要的是审查是否有妥当的长期的目标。坎昆协议要求以能获得的好的科学知识为指导，观测气候变化影响，评估整个总缔约方的努力。审查定于2013年启动，直到2015年得出结论，缔约方会议将重点考虑长期目标，包括到1.5摄氏度的目标。2012年5月，联合国政府间气候变化专门委员会，IPCC，同意并发布了可再生能源资源与减缓气候变化特别报告(SRREN)。2011年11月在乌干达首都坎帕拉，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)批准及接纳了该专门委员会的《管理事件和灾害风险，推进气候变化适应的特别报告》(SREX)。一旦全面运作,该报告将对适应新创建机构做出重要贡献。
2)AR5：第五次政府间气候变化委员会IPCC的评审报告
但是，气候系统仍然有很多方面尚未完全了解，因此，公众、政府、经济界间还有争议。为履行承诺和他们的意愿，解决上述问题，各国家需要可靠的科研投入，这一挑战是真正的关键。
2.地球气候变化的观测
观测空间可以提供必要的信息，支持政府应对气候变化采取适当的减灾战略。起初是在90年代后期,使用高分辨率光学卫星传感器数据的项目，被认为是观测地球商业化的主要驱动力。
目前，恶劣的空间环境限制了远程监控的测量结果不确定度。在观测气候的具体情况下，这往往是重要的十个因素之一。相关的主要不确定度来源包括大气中的水分循环及空气湿度的作用、海平面上升、碳循环的来源和运输、可靠的遥感光谱数据、人类活动产生的气溶胶影响。减少由于这些知识不足和不确定度来源，将有助于各国政府和组织采取更有效的政策来减低和适应气候变化。
气候的小变化需要地测量和解释，这一需求越来越强烈。然而，这需要公认的、可溯源的、小的测量不确定度、监测和易于控制的长期稳定的测量标准。许多气候变化预测所面临的挑战是测量的挑战，例如，评估温室气体的来源或评估光谱吸收特性、这些气体或其他大气构成微量组分的影响以及由此产生的表面的变化、大气温度或大气中的化学组分。需要计量支持的主要领域有：大气所有组分的长期稳定趋势监测，测量温室气体(GHG)的标准和校准方法，大气中的痕量物质、空气湿度以及地球系统的基础科学支持。后者包括地球观测和空间遥感以及原位遥测平台，如气球、飞机、浮标或船只。
图1W.Zhang博士，当前观测系统活动综述CIPMMRA10周年WMO报告，巴黎，法国
3.地球观测的质量保证框架
人造卫星在产生数据的各个阶段都需要改进不确定度和溯源性：发射前后的校准和验证，以及所有中间处理步骤。在所需的技术范围内，有跨越整个电磁频谱从THz到UV和基于实验室到现场(空间)的计量需要，在某些情况下，还要改善现有原级标准和设施的不确定度。
因此，建立发射前后能溯源到认可的参考标准的校准程序是迫切的计量挑战之一。新的校准系统提供的溯源性将在稳步增长的观测网络中，使不同的国家/地区和现场监控系统、测量技术和数据采集系统之间的数据可以比较。新的飞行校准策略将实现空间或空中应用的SI溯源性，这是一个令人向往的计量愿景。计量界还对这一目标进行了讨论。
一个例子是，对地观测卫星委员会(CEOS)开展了地球观测质量保证框架(QA4EO)计划，作为促进地球观测组织(GEO)对建立对地观测综合系统(GEOSS)的努力。建立对地观测综合系统是实现气候变化观测服务的十年计划(2005-2015)的一部分。GEO的目标是建立地球对地观测综合系统，在认识到没有一个国家甚至地区有足够的资源可以建立或提供所需要的地球观测系统在全业务范围实现覆盖的目标，更不必说测量气候变化所需的准确性了。很明显，要实现这一愿景，需要充分协调可操作性，在不同机构的传感器，也需要协调不同的光谱和技术领域，比如光和微波以及观察位置/平台：空间、空气和地面。这需要统一的性能或质量指标的评估和分配的所有数据产品。QA4EO的核心原则是与他们有关联的数据和得到的信息产品必须与质量指标(QI)建立联系。QI是有证明文件证明其符合区域一致性，也就是在理想情况下的SI，具有溯源性的参考标准。
4.计量局(BIPM)-WMO的合作
在世界气象组织(WMO)和计量局(BIPM)共同主办的研讨会上，确认了获得测量结果可溯源至SI的测量挑战是观测系统对气候变化监测(2010年春季)的迫切需求。在这次研讨会上，签署了WMO-CIPM相互承认协议，MRA，要“确保数据，特别是测量大气和水资源的状态及相关组分充分地溯源到SI单位”。
这次研讨会和2012年后续WMO-BIPM联络小组会议的重要目标和结论适用于光谱背景的遥感技术、海洋的盐度和pH值测量的长期可比性，建立大气湿度的可比性，以及他们对SI的溯源性等。目前，许多遥感技术用于观测，占基本气候变量(ECV)的气候观测系统(GECOS)的三分之一左右。评估气候变化将在很大程度上取决于相关的不确定度、测量气候数据的稳健性和符合认可的气候监测原则的气候观测系统(GCOS)。测量不确定度是可测定的，要小化，要适当考虑测量结果与规定的标准间的计量溯源性。
测量基准稳定是WMO要满足数据质量这个重要目标的迫切需求。WMO与BIPM合作，依靠BIPM的服务，来满足这些目标。有很多例子，如表面和海洋实地观测网络、对流层和高空网络、表面遥感(雷达)网络的机载观测和卫星星座。
例如，WMO的大气监测网(GAW)计划中的中央校准实验室和世界校准中心的活动，WMO世界天气监视网计划中的世界辐射中心的活动，已经是关键大气和环境测量的质量保证计划的重要组成部分。这些活动近重点加强了大气和气候监测框架内的气象学和测量科学界的合作，制定大气和气候监测标准，传播高准确度的数据，来支持2009年成立的气候服务框架WIGOS的实施。
WIGOS框架的主要组成部分是观测系统(GOS)、大气监测(GAW)和WMO水文观测系统(WHYGOS)。WIGOS框架促进了共同发起的系统(GCOS，海洋观测系统和陆地观测系统等)的标准化和互操作性。这将会更好地了解地球的环境系统，改善和扩大服务，如天气预报、气候展望或更多地咨询和服务于社会。
图3电导率-温度-深度探测CTD，是海洋科学家的主力武器。海洋学家使用CTD测量海水的温度和盐度的垂直变化。根据这些信息，他们可以推断出海洋环流。EMRP项目ENV05的任务之一是确保SI溯源性，以改善长期的测量结果的可比性。这张照片是2010年3月R.Feistel在波罗地海“A.Penck教授”研究船上拍摄的。
WIGOSWMO观测系统的改良和演变是一个包罗万象的方法。这将促进WMO观测系统的有序演变，使之成为一个综合的、全面地和协调的系统。这将通过成本效益的和可持续的方式，来满足WMO会员对不断变化的观测需求的要求，同时加强WMO观测系统与合作伙伴系统的协调。
计量溯源性的概念在气候监测系统规划中的应用越来越多，但是，还有许多工作要做，以确保未来的气候测量结果是基于科学的、稳健的计量基础之上。2012年2月，这些话题在日内瓦举行的后续WMO-BIPM联合会议中进行了讨论。当前关注的一个问题是在范围内的均匀性和长期可比性的光谱特征用于遥感、海洋的盐度和pH值的测量、大气湿度的分析，以及它们对SI的溯源性。
三种状态的水是陆地气候的复杂动力系统的关键物质。观测和模拟所有的舱室(大气圈、水圈、冰雪圈、生物圈、土壤圈)及本地运输过程的水，是理解和预测气候变暖的手段。在大气中的水蒸汽是迄今为止强的温室气体。不仅对大气辐射平衡，也是出口远洋的潜热。在时间和空间上，动态的云和饮用水的形成、融化的极地冰川不仅提高了的海平面，而且也影响表层盐度分布。通过的湿度、蒸发和降水的趋势也可以测量海面盐度的微小变化。
光学传感技术的广泛应用和大气化学的时空动态的调查表明了这一技术的重要性。光谱技术是不可缺少的、广泛使用的工具，用于环境监测和遥感网络，常用于地面、空中和卫星平台。这些光谱技术的质量、准确性和溯源性完全依靠分子光谱数据，这些数据往往强烈依赖于压力和温度。广泛的和强大的时空大气压力和温度变化导致遥感出现重大问题。考虑到现有的和计划中的大气监测网络和大量的卫星用于环境监测，其成本范围从一亿到几百亿欧元，因此，确定这些数据的高品质的光谱数据这样的长期基础设施成为性的迫切需要。由于早期气候变化的检测或气候模型验证要求准确地监测少则几个月、几年，多则甚至几十年，时间跨度大，背景信号大，这种高质量的数据更是必须的。因此，光谱数据的溯源性是必要的，以确保可比的遥感技术在较长的时间、在传感网络中使用不同类型的仪器。
5.结论
提供新的测量技术、标准支撑监测环境的能力，同时减缓和适应气候变化，需要多学科协作和合作机制。2010年欧洲计量研究发展计划(EMRP)征集欧洲计量环境项目，努力加强欧洲计量，建立必要的计量基础设施。通过EMRP欧洲国家计量机构和机构协调和相互协作，以实现大影响力的现代计量。这使得他们能够在后京都进程的努力下巩固并确定环境目标和标准。2010年，欧洲计量研究项目(EMRP)的9个环境联合研究项目(JRP)中有5个与气候变化有关。联合研究项目如下：
ENV03表面光谱太阳紫外线辐射的溯源性；
ENV04气候参数远程测量的可溯源的辐射光谱仪；
ENV05海洋的盐度和酸度计量；
ENV06大气监测光谱参考数据；
ENV07大气中的压力、温度、湿度和空速计量。
JRP认识到有必要建立更大范围的协调，将主要精力放在所需要的计量支柱，实现实用、和符合成本效益的手段，以建立“适用目的”的欧洲地球观测的溯源性。
德国物理技术研究院(PTB)的研究人员KlausDieter Sommer,Petra Spitzer,Volker Ebert在第20届测量技术联合会(IMEKO)世界大会上发表了一篇文章：环境计量的新挑战。这篇文章内容新颖，立意深远，对国内读者具有一定的启发意义。(仅供参考。)
1.简介
气候变化是我们这个时代面临的大挑战之一。有明确的证据表明，气候变化和变暖已经发生，并对地球和社会有着显著影响。过去十年中，气候变化问题已经上升到政治议程。“京都议定书”期间，要求在2008年至2012年期间，削减温室气体排放量，至少为1990年的水平的5.2%。2009年在哥本哈根举行的联合国气候变化大会(COP15，《联合国气候变化框架公约》缔约方第15次会议)的协议一致同意应保持气温上升2摄氏度以内，以避免产生影响我们生活的环境的显著问题。它还呼吁在2015年前审查协议，强化长期目标----“有关温度上升1.5摄氏度”。联合国气候变化会议，德班2011(COP17和CMP7，《联合国气候变化框架公约》第17次缔约方会议暨《京都议定书》第七次会议)决定各缔约方采取对气候变化的一个普遍的法律协议，尽快但不迟于2015年。
气候变化经常被当作一个过程来讨论，它应当在范围内减轻。因此，在联合国气候变化大会坎昆2010，COP16和CMP61(《联合国气候变化框架公约》第16次缔约方会议暨《京都议定书》第6次缔约方会议)的主要焦点就是在后京都时期的减灾战略。坎昆协议包括一个全面的方案，以帮助发展中国家应对气候变化，包括：
1)第十六次会议的缔约方大会(COP16)；“京都议定书”缔约方会议第六次会议(CMP6)
技术机制、适应委员会和用于为发展中国家提供长期融资的绿色气候基金。政府还同意限制平均气温上升超过2摄氏度的长期目标。为达到低碳经济的目标，发达国家同意制定低碳战略，同时鼓励发展中国家参与。2011年，希望政府把重点放在一项设立一个绿色气候基金的协议上，制止砍伐森林，以适应气候变化，并在坎昆会议上通过。Rio 20首脑会议(联合国可持续发展会议)筹备期间，“环境治理”、“绿色经济”已被确定为未来的核心问题。
有效的、有意义的政策需要坚实的科学基础。重要的是审查是否有妥当的长期的目标。坎昆协议要求以能获得的好的科学知识为指导，观测气候变化影响，评估整个总缔约方的努力。审查定于2013年启动，直到2015年得出结论，缔约方会议将重点考虑长期目标，包括到1.5摄氏度的目标。2012年5月，联合国政府间气候变化专门委员会，IPCC，同意并发布了可再生能源资源与减缓气候变化特别报告(SRREN)。2011年11月在乌干达首都坎帕拉，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)批准及接纳了该专门委员会的《管理事件和灾害风险，推进气候变化适应的特别报告》(SREX)。一旦全面运作,该报告将对适应新创建机构做出重要贡献。
2)AR5：第五次政府间气候变化委员会IPCC的评审报告
但是，气候系统仍然有很多方面尚未完全了解，因此，公众、政府、经济界间还有争议。为履行承诺和他们的意愿，解决上述问题，各国家需要可靠的科研投入，这一挑战是真正的关键。
2.地球气候变化的观测
观测空间可以提供必要的信息，支持政府应对气候变化采取适当的减灾战略。起初是在90年代后期,使用高分辨率光学卫星传感器数据的项目，被认为是观测地球商业化的主要驱动力。
目前，恶劣的空间环境限制了远程监控的测量结果不确定度。在观测气候的具体情况下，这往往是重要的十个因素之一。相关的主要不确定度来源包括大气中的水分循环及空气湿度的作用、海平面上升、碳循环的来源和运输、可靠的遥感光谱数据、人类活动产生的气溶胶影响。减少由于这些知识不足和不确定度来源，将有助于各国政府和组织采取更有效的政策来减低和适应气候变化。
气候的小变化需要地测量和解释，这一需求越来越强烈。然而，这需要公认的、可溯源的、小的测量不确定度、监测和易于控制的长期稳定的测量标准。许多气候变化预测所面临的挑战是测量的挑战，例如，评估温室气体的来源或评估光谱吸收特性、这些气体或其他大气构成微量组分的影响以及由此产生的表面的变化、大气温度或大气中的化学组分。需要计量支持的主要领域有：大气所有组分的长期稳定趋势监测，测量温室气体(GHG)的标准和校准方法，大气中的痕量物质、空气湿度以及地球系统的基础科学支持。后者包括地球观测和空间遥感以及原位遥测平台，如气球、飞机、浮标或船只。
图1W.Zhang博士，当前观测系统活动综述CIPMMRA10周年WMO报告，巴黎，法国
3.地球观测的质量保证框架
人造卫星在产生数据的各个阶段都需要改进不确定度和溯源性：发射前后的校准和验证，以及所有中间处理步骤。在所需的技术范围内，有跨越整个电磁频谱从THz到UV和基于实验室到现场(空间)的计量需要，在某些情况下，还要改善现有原级标准和设施的不确定度。
因此，建立发射前后能溯源到认可的参考标准的校准程序是迫切的计量挑战之一。新的校准系统提供的溯源性将在稳步增长的观测网络中，使不同的国家/地区和现场监控系统、测量技术和数据采集系统之间的数据可以比较。新的飞行校准策略将实现空间或空中应用的SI溯源性，这是一个令人向往的计量愿景。计量界还对这一目标进行了讨论。
一个例子是，对地观测卫星委员会(CEOS)开展了地球观测质量保证框架(QA4EO)计划，作为促进地球观测组织(GEO)对建立对地观测综合系统(GEOSS)的努力。建立对地观测综合系统是实现气候变化观测服务的十年计划(2005-2015)的一部分。GEO的目标是建立地球对地观测综合系统，在认识到没有一个国家甚至地区有足够的资源可以建立或提供所需要的地球观测系统在全业务范围实现覆盖的目标，更不必说测量气候变化所需的准确性了。很明显，要实现这一愿景，需要充分协调可操作性，在不同机构的传感器，也需要协调不同的光谱和技术领域，比如光和微波以及观察位置/平台：空间、空气和地面。这需要统一的性能或质量指标的评估和分配的所有数据产品。QA4EO的核心原则是与他们有关联的数据和得到的信息产品必须与质量指标(QI)建立联系。QI是有证明文件证明其符合区域一致性，也就是在理想情况下的SI，具有溯源性的参考标准。
4.计量局(BIPM)-WMO的合作
在世界气象组织(WMO)和计量局(BIPM)共同主办的研讨会上，确认了获得测量结果可溯源至SI的测量挑战是观测系统对气候变化监测(2010年春季)的迫切需求。在这次研讨会上，签署了WMO-CIPM相互承认协议，MRA，要“确保数据，特别是测量大气和水资源的状态及相关组分充分地溯源到SI单位”。
这次研讨会和2012年后续WMO-BIPM联络小组会议的重要目标和结论适用于光谱背景的遥感技术、海洋的盐度和pH值测量的长期可比性，建立大气湿度的可比性，以及他们对SI的溯源性等。目前，许多遥感技术用于观测，占基本气候变量(ECV)的气候观测系统(GECOS)的三分之一左右。评估气候变化将在很大程度上取决于相关的不确定度、测量气候数据的稳健性和符合认可的气候监测原则的气候观测系统(GCOS)。测量不确定度是可测定的，要小化，要适当考虑测量结果与规定的标准间的计量溯源性。
测量基准稳定是WMO要满足数据质量这个重要目标的迫切需求。WMO与BIPM合作，依靠BIPM的服务，来满足这些目标。有很多例子，如表面和海洋实地观测网络、对流层和高空网络、表面遥感(雷达)网络的机载观测和卫星星座。
例如，WMO的大气监测网(GAW)计划中的中央校准实验室和世界校准中心的活动，WMO世界天气监视网计划中的世界辐射中心的活动，已经是关键大气和环境测量的质量保证计划的重要组成部分。这些活动近重点加强了大气和气候监测框架内的气象学和测量科学界的合作，制定大气和气候监测标准，传播高准确度的数据，来支持2009年成立的气候服务框架WIGOS的实施。
WIGOS框架的主要组成部分是观测系统(GOS)、大气监测(GAW)和WMO水文观测系统(WHYGOS)。WIGOS框架促进了共同发起的系统(GCOS，海洋观测系统和陆地观测系统等)的标准化和互操作性。这将会更好地了解地球的环境系统，改善和扩大服务，如天气预报、气候展望或更多地咨询和服务于社会。
图3电导率-温度-深度探测CTD，是海洋科学家的主力武器。海洋学家使用CTD测量海水的温度和盐度的垂直变化。根据这些信息，他们可以推断出海洋环流。EMRP项目ENV05的任务之一是确保SI溯源性，以改善长期的测量结果的可比性。这张照片是2010年3月R.Feistel在波罗地海“A.Penck教授”研究船上拍摄的。
WIGOSWMO观测系统的改良和演变是一个包罗万象的方法。这将促进WMO观测系统的有序演变，使之成为一个综合的、全面地和协调的系统。这将通过成本效益的和可持续的方式，来满足WMO会员对不断变化的观测需求的要求，同时加强WMO观测系统与合作伙伴系统的协调。
计量溯源性的概念在气候监测系统规划中的应用越来越多，但是，还有许多工作要做，以确保未来的气候测量结果是基于科学的、稳健的计量基础之上。2012年2月，这些话题在日内瓦举行的后续WMO-BIPM联合会议中进行了讨论。当前关注的一个问题是在范围内的均匀性和长期可比性的光谱特征用于遥感、海洋的盐度和pH值的测量、大气湿度的分析，以及它们对SI的溯源性。
三种状态的水是陆地气候的复杂动力系统的关键物质。观测和模拟所有的舱室(大气圈、水圈、冰雪圈、生物圈、土壤圈)及本地运输过程的水，是理解和预测气候变暖的手段。在大气中的水蒸汽是迄今为止强的温室气体。不仅对大气辐射平衡，也是出口远洋的潜热。在时间和空间上，动态的云和饮用水的形成、融化的极地冰川不仅提高了的海平面，而且也影响表层盐度分布。通过的湿度、蒸发和降水的趋势也可以测量海面盐度的微小变化。
光学传感技术的广泛应用和大气化学的时空动态的调查表明了这一技术的重要性。光谱技术是不可缺少的、广泛使用的工具，用于环境监测和遥感网络，常用于地面、空中和卫星平台。这些光谱技术的质量、准确性和溯源性完全依靠分子光谱数据，这些数据往往强烈依赖于压力和温度。广泛的和强大的时空大气压力和温度变化导致遥感出现重大问题。考虑到现有的和计划中的大气监测网络和大量的卫星用于环境监测，其成本范围从一亿到几百亿欧元，因此，确定这些数据的高品质的光谱数据这样的长期基础设施成为性的迫切需要。由于早期气候变化的检测或气候模型验证要求准确地监测少则几个月、几年，多则甚至几十年，时间跨度大，背景信号大，这种高质量的数据更是必须的。因此，光谱数据的溯源性是必要的，以确保可比的遥感技术在较长的时间、在传感网络中使用不同类型的仪器。
5.结论
提供新的测量技术、标准支撑监测环境的能力，同时减缓和适应气候变化，需要多学科协作和合作机制。2010年欧洲计量研究发展计划(EMRP)征集欧洲计量环境项目，努力加强欧洲计量，建立必要的计量基础设施。通过EMRP欧洲国家计量机构和机构协调和相互协作，以实现大影响力的现代计量。这使得他们能够在后京都进程的努力下巩固并确定环境目标和标准。2010年，欧洲计量研究项目(EMRP)的9个环境联合研究项目(JRP)中有5个与气候变化有关。联合研究项目如下：
ENV03表面光谱太阳紫外线辐射的溯源性；
ENV04气候参数远程测量的可溯源的辐射光谱仪；
ENV05海洋的盐度和酸度计量；
ENV06大气监测光谱参考数据；
ENV07大气中的压力、温度、湿度和空速计量。
JRP认识到有必要建立更大范围的协调，将主要精力放在所需要的计量支柱，实现实用、和符合成本效益的手段，以建立“适用目的”的欧洲地球观测的溯源性。
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