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关键区观测站(Critical Zone Observato

2020-06-18 20:42:44 来源 : I生活禅 点击 : 712

关键区观测站(Critical Zone Observatory):美国国家科际整合的环境研究计画

关键区观测站(Critical Zone Observatory,简称CZO)是美国国家科学基金会(National Science Foundation)支持的一个全国性,整合不同科系的研究计画。所谓的关键区指得是靠近地球表面,有渗透性的,介于天空和岩石的地带,包括树的顶端往下到地下水深层。这个有生命,会呼吸,不断演化变动的区带,也是岩石,土壤,空气,水和有机物互动的空间(图1)。这些複杂的互动调节了自然栖息环境,也影响了我们赖以为生的自然资源,包括食物生产和饮水品质。

关键区观测站(Critical Zone Observato

图1:关键区(Critical Zone)指靠近地表,有渗透性的,介于天空和岩石的地带区带,包括树的顶端往下到地下水深层。 (图片来源

为什幺要研究关键区?
关键区对于地表上的生命非常重要,但是我们对于以下三个重要问题了解仍然十分有限:

关键区如何形成?关键区如何运作?关键区未来会如何变动?

更确切地说,我们不了解到底物理性,化学性和生物性过程是如何互相影响,也不知道而这些过程发生的时间和空间的尺度。许多过程是非线性的複杂现象,以空间尺度而言,可能小到原子尺寸,也可能大到全球範围;以时间尺度而言,快则以秒计,慢则跨越地质世代。图2 以三个层面来说明关键区中可能牵涉到的複杂互动过程。如果我们要了解关键区里面的风化过程(weathering)(棕色)中牵涉到物理性,化学性和生物性的变动,那幺要检视的是来自外界的强迫(forcing) (上层蓝色),包括气候性(climatic),人为性(anthropogenic)和地质性(tectonic)的强迫。而风化的强度和範围则纪录在大气里的气体浓度反应,水文反应的气溶胶(aerosols),和土壤里面的化学反应。

关键区观测站(Critical Zone Observato

图2:关键区中複杂的风化(weathering)过程,外来的驱动力是气候性(climatic),人为性(anthropogenic)和地质性(tectonic),而风化过程也纪录在大气,水文和土壤的回应中。 (图片来源:作者改编自http://www.czen.org/files/czen/CZEN_Booklet.pdf)


中心问题
最重要的问题是:关键区会如何演化来对气候变迁和土地使用做出反应?这个问题又可以细分为4个层面:

1. 大气部分:控制碳,悬浮粒子和反应气体的流动是哪些过程?

2. 水部分:生物/化学/地质过程如何掌控水和土壤的可持续性?

3. 土地部分:物理性和化学性的变异和干扰如何冲击关键区?

4. 生态系统部分:风化过程如何滋养生态系统?

关键区观测站(Critical Zone Observato

图3:关键区的重要研究问题有4个层面:大气,水,生态系统和土地 (图片来源:作者改编自

三项主要目标:
1)
发展出整体性的理论架构来了解关键区的演变
CZO希望找出整体的概念架构来整合水文学,地貌学,地质化学和生物学彼此互动的新知识。也希望整合不同时空尺度的正面和负面的回馈效应。

2)发展出互连的系统模型(coupled systems models)来了解关键区如何对气候性,人为性和地质性的强迫做出反应
CZO希望建立量化模型来整合多元性过程。模型中会追蹤能量,气体,水,沈澱物的贮存和流动。

3)发展出整合的数据/测量框架
这个框架要能够纪录地质上和气候上一个範围内的变动,而且能够检证模型推导出的预测是否成立。
目前6个CZO主要观测站分布在不同气候和地理区域(图4)。这些不同的观测中心希望发展出共同的基础设施(Infrastructure),以便进行数据/测量上的整合。

关键区观测站(Critical Zone Observato

图4:分布在不同气候和地理区域的6个CZO 观测站 (图片来源

参考资料:
1. National Critical Zone Observatory Program (CZO) (http://criticalzone.org/index.html)
2. NSF 2005: “Frontiers in Exploration of the Critical Zone–An NSF-Sponsored Workshop” (http://www.czen.org/files/czen/CZEN_Booklet.pdf)
3. 英文维基百科:Critical Zone Observatory

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