█ 田晓阳 译

　　气候变化。水和粮食安全。城市空气污染。这些重大环境挑战相互关联，但是研究却在独立开展。

　　地表与大气之间的相互作用影响着气候、空气质量和水循环。一个变了，其他也随之变化。例如，二氧化碳增加，光合作用增强。植物生长过程中会从大气吸收温室气体，同时也释放挥发性有机化合物，如单萜。这加速了气溶胶颗粒的形成，将太阳光反射回太空。我们的行为，如排放控制政策、城市化和林业，也影响到大气、陆地和海洋。

　　卫星和地面台站相互独立地跟踪温室气体、生态系统响应、颗粒物或臭氧。偶尔展开耦合观测，但都是短期密集型。包括非洲、欧亚大陆东部和南美在内的全球范围内的广大地区几乎没有取样。

　　结果是就是声音不一致，提供的认识也有限。这就像手头只有6月的降雨、风、温度或压力的实测数据，却试图预测11月的天气。

　　对此的答案是一个全球性的地球观测站——由世界各地1000个以上设备完善的地面站来全面而持续地跟踪环境和关键生态系统。这些台站的数据将与卫星遥感、实验室实验和计算机模式的数据相关联。

　　研究人员可以在这个有条理的数据集中寻找新的机制和反馈回路。决策者可以测试政策及其影响。公司可以开发环境服务。可以为极端天气提供预警，并在化学事故发生期间及之后迅速反应。

　　全球观测站已经被讨论了十多年，但现在才具可行性。仪器已经成熟；比方说今天的质谱仪可以一次测量数千种大气中的化学物质。我的团队和我们的合作者已经展示过，在芬兰的北方林区中，如何用一个被称为SMEARII（生态系统-大气关系测量站）的观测站得到一套完整的环境测量结果。

　　结合和扩大空间和地面监测的区域性计划已经有了很好的基础，足以在全球推广类似的台站。计划包括PEEX（泛欧亚实验）和DBAR（数字丝路），后者与中国“一带一路”倡议——从中国和欧洲一直延伸到肯尼亚涵盖65个国家的一个发展战略——有关。世界气象组织（WMO）正在逐步建立一个全球观测站。其中的紧迫之处在于：2020年以后碳排放量必须下降。

　　整个事业仍然艰巨。将需要大规模转换环境数据的收集和传播方式。

一个综合网络

　　地面站覆盖不完全是地球状况观测所受的主要限制。卫星可以连续监测几乎整个行星范围内的一些化合物，如二氧化碳、臭氧和气溶胶。但是不能解析过程或通量，或者追踪数百种其他受关注的化合物。卫星数据必须“由地面证实”。而模型需要数据来验证。

　　现在地面站网络的建立没有考虑到大局。每个学科或团队设计和建立针对其目的的站点。温室气体、大气化学物质和生态系统在不同地点进行监测。而资助机构关注自己国家的利益。

　　SMEARII站采取了更综合的方法。它采用最先进的大气质谱仪、云雷达和激光雷达（光探测和测距仪），观测1000多个变量。包括温室气体、痕量气体和气溶胶，以及光合作用、土壤温度、湿度和营养元素梯度的指标。

　　面临的挑战是在世界各地设立类似的台站，并且吸收当地的专业知识。好的起始点是全球三个覆盖稀疏的区域，以及大型城市。

热点

北极和极北区。包括俄罗斯和哈萨克斯坦在内的前苏联国家是全球变化的关键实验室。它们有丰富的矿产、石油和天然气：西伯利亚占俄罗斯天然气储量的85％，煤炭的75％和石油储量的65％。而气候变化正在迅速改变它们的环境。有很多未知之处。永久冻土消失的速度有多快？北极绿化会隔离碳还是产生气溶胶？甲烷排放量是否会急剧增加，导致全球变暖加剧？

　　与其他地方一样，这个地区的研究人员需要协同观测气溶胶和温室气体（如二氧化碳和甲烷）以及其他痕量气体（挥发性有机化合物、氮氧化物、臭氧、二氧化硫、一氧化碳和氨）。两个台站开始增加观测范围：俄罗斯东部勒拿河三角洲的蒂克西水文气象观测站，以及西伯利亚西南部距离托木斯克500公里的佐托诺高塔观测站（ZOTTO）。理想情况下，为了覆盖该地区，需要大约30个综合站，间隔1000公里。全球观测站一定会出现在俄罗斯政府和北极理事会即将举行的会议的议程上。

非洲。非洲大陆人口增长迅速——自1987年以来翻了一番，到2015年达到12亿人。与此同时，一度肥沃的地区变得干旱，水和粮食供应面临挑战，需要采取措施来储存雨水和保持土壤水分。对水和其他生物地球化学循环需要有更好的理解。但是，非洲的监测主要限于碳汇和源的短期观测（基于FLUXNET全球网）以及一些测了十几个变量的空气质量观测。

　　非洲至少要建30个台站。每个与食物和水有关的主要生态系统中至少应有一个，不论是热带雨林、热带草原还是半荒漠。主要地点应该与当地组织和科学家联合确定。在非洲活动的联合国组织、开发银行和私人基金会应提供额外支持。

南美洲。亚马孙流域广袤的面积和对全球碳循环和水文循环的影响使其成为监测的关键地点。它形成了自己的气候系统，由于农业扩张和森林砍伐而正在发生变化。这些干扰结合气候变化，将影响碳储量和水循环。然而，现在没有什么可用的信息，也没有综合的观测。只有位于巴西马瑙斯东北约150公里处的亚马孙高塔观测站（ATTO）正在采取措施增加获得数据的范围和连续性。

　　南美至少需要20个这样的台站：7个应该位于亚马孙地区。确切的地点需要与当地的科学家和组织联合确定。

城市。城市地区在不断增长：自1970年以来，城市人口增加了两倍。全球超过55％的人口居住在城市地区。更好的空气质量数据是一个特别迫切的需求。目前城市地区观测的变量通常少于15个，数据质量往往较差。

　　全世界有30多个超过1000万人口的特大城市，数百个城市拥有数百万人口。每个大都市至少应该有一个综合观测站和一套简化的本地台站。全球市长论坛应该把全球观测站加入议程，G20国家也应该如此。

成本效益

　　一个由1000个超级站构成的全球观测站需要在10-15年内建立起来。成本约为每个站点1000万欧元（1180万美元）至2000万欧元，或者说总计100亿欧元到200亿欧元。这相当于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机或美国总统唐纳德·特朗普提出的墨西哥城墙的建造成本。

　　应采用模块化方法构建或升级台站。不同的模块应该对应比如大气化学、微气象学和土壤化学。每个区块的开发和安装费用约为50万到200万欧元。年度维护每年将在前述成本上增加约3-6％。

　　仪器将需要协调、校准和标准化。必须随着技术的提高而开发和升级。数据共享必须被考虑在内——信息必须可靠和公开。数据科学家将需要分析数据，开发从台站到用户和档案的产品。运行台站将需要专业人员。

　　现有的网络需要协调他们的实践工作。包括PEEX，DBAR计划和FLUXNET等科学计划；WMO和“未来地球”等全球性组织；私人全球基金会和公司；和市政、政府和联合国机构。

　　还应结合类似以下的辅助基础设施：综合碳观测系统（ICOS）；WMO的全球大气观测；气溶胶、云和痕量气体研究基础设施网（ACTRIS）；欧洲的长期生态系统研究（LTER）；和生态系统分析和实验（AnaEE）的基础设施。第一步是它们之间的公开数据交换，这在欧洲已经开始展开。下一步，观测网应该在其他大陆建立联合台站，特别是在所提到的热点地区。SMEARII证明这是可行的，也不一定昂贵。

　　建立了全球观测站，我们就有了了解地球系统如何工作的工具。