【战略前沿】NASA空间对地观测连续性的价值框架
来源: http://www.nap.edu/21789
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2016-01-07

工程与物理科学处

空间研究局

NASA持续遥感空间对地观测需求框架分析委员会

摘要

美国航空航天局(NASA)地球科学处(ESD)开展了大范围卫星与亚轨道飞行任务,作为一项改善把地球作为一个综合系统的了解的项目一部分,观测地球陆地表面与内部、生物圈、大气层、冰冻圈以及海洋。对地观测为重要科学进展提供了基础,来自观测活动的环境数据产品被用于资源管理和非同寻常的一系列社会应用领域,包括天气预报、气候预测、海平面变化、水资源管理、疾病早期预警、农业生产以及应对自然灾害。

由于社会基础设施的复杂性及其环境干扰脆弱性的不断增加,对更深层次的科学见解和更可操作的信息需求持续上升。为满足这些需求,NASA.ESD面对挑战,将其有限资源在各项探索新的科学前沿的观测活动中进行的优化分配,仔细描述地球系统的长期变化,并持续支持进行中的各项社会应用。这一挑战的最为严峻之处在于决策的抉择,是支持获取地球科学研究计划重要组成部分(包括但不限于,与气候相关的测量)的连续观测数据流,还是支持新的观测能力建设。

虽然区分观测数据是面向“研究”还是“应用”有点人为因素(通常在支持特定的社会应用方面这两种类型的观测数据都需要,而且,研究与应用目的可能都需要连续或持续的观测数据),它们的需求并不一致。特别是,许多应用对近期实时数据的可用性有相关需求,气候变化科学的目标通常需要准确的测量数据以及长期、稳定、不间断的时间序列。此外,在聚焦科学/研究类的观测数据方面,用于地球系统过程研究的新观测的需求,与继续更好理解与气候变化相关的关键指标测量的需求有区别。

由于假设其他机构支持高优先级的气象、气候、地表连续观测,来自国家研究委员会(NRC)1第一次地球科学与空间应用10年调查(NRC,2007)提供给NASA.ESD的社区指导意见主要集中在新的测量上。然而,出于各种原因,包括技术与预算方面的挑战,其中的一些假设没有得到满足(NRC,2012)。为了应对这些变化,也为了响应来自政府和国会的指导,NASA的地球科学任务组合已扩大,包含了继续开展一些之前由其他机构在以前启动的观测活动的新职责。

随着10年调查建议的执行,以及新功能和应用的展示,NASA预计越来越多的观测以及相关的仪器与任务将有望成为后续行动。机构对于本研究(任务的陈述已再版,见附录A)的要求,认识到这一趋势以及建立一个对连续观测与测量结果差距更定量化了解的需求的重要性。除了要求的“连续性”工作定义以外,任务陈述要求提供决策框架,帮助优化资源配置。

本报告,来自NASA持续遥感空间对地观测需求框架分析委员会,是对这些要求的响应。正如报告中所详述,该委员会向NASA推荐了一个决策框架,基于关键连续性特点,有效地区别不同连续性观测之间的竞争。建议的框架大力强调定量评价方法,以实现过程的客观性和透明度。

在发展一个易于实施的框架过程中,该委员会专注于气候变化的科学目标,连续性天基观测有望在这方面做出实质性贡献。在这个特殊关注下,建议框架的目的是作为一种新方法来评估科学驱动的连续性任务,并代表了对NASA现有关于《NASA地球研究公告与地球风险声明机遇》建议评估过程的补充。

此框架应被视为向更全面方法迈进的一个初始步骤。正如报告中所讨论,修改框架将允许用于确定新的、一流的观测优先事项,也用于检测基于运行或基于应用的观测。适当开发后,该委员会设想提供一种单一的综合评价方法,用于对新的和持续观测的评估,包括科学和/或应用目标驱动的项目。

委员会决策框架组成

在发展所需要决策框架中,该委员会从观测在时间和空间上的连续性做出明确定义入手。确保从“改进”仪器上获取地球物理变量2或从同一仪器拷贝序列的连续性,需要仔细计划校准、仪器表征与对照以及验证。虽然空间优势有利于对地球开展全球及可重复的观测,但长期观测时间序列具有的小型、合并标准不确定性特点,仍对多空间尺度有挑战。在运行计划中,样机已经飞行多次,目的就是要简化这个过程。虽然样机不消除校准和表征研究的需求,这种方法――包括精心挑选的集团采购的仪器或宇宙飞船――将降低成本,通常会在提供长期连续记录中降低风险。

观测质量,在连续的背景下尤为重要,而且主要以其合成标准不确定性为特点,也就是受以下一些因素的影响:仪器校准不确定性、可重复性;时空采样;气候变量(算法、再加工及实用性)的数据系统与交付――所有这些都依赖科学目标。平台观测特征的变化(例如,高度和当地观测时间)会给整个系统带来扰动。通过任务重叠、现场验证,以及基于地面可以追溯到国家标准与技术研究所标准等发展校准方法,是必要的,以便为提供地球物理变量长期和可重复观测数据。

有鉴于此,委员会认为,以下是可用于专注于科学目标的整个地球科学分支学科分析框架的充分、高层次的观测连续性定义:

发现:当一个特定的量化地球科学目标的观测质量,保持在由目标设定的所需时间和空间域内时,对地观测存在连续性。

量化目标这一概念是委员会推荐决策框架的出发点。一个精心编制的量化目标的特征如下:

◎它直接关系到NASA.ESD实现总体科学目标;

◎它以这种方式提出所需的观测数据及其分辨率(空间、时间以及辐射测量)、校准不确定性及可重复性、以及其他可追溯到总体科学目标的需求;以及

◎它的表达方式允许地球科学目标重要性以及针对地球物理变量满足科学目标的实用性为目的进行分析评估。

第三章举出了几个量化目标的例子。

建议:提议天基连续性观测应放在他们所针对的量化地球科学目标的背景下进行评估。

委员会设想NASA ESD依据为发展其项目计划提供的相同信息来源,尤其(包含)行政与国会分支机构在NRC.10年调查与指导中表述的那些来自科学界对优先发展事项的共识,建立一套小的量化目标。国会授权的10年调查中期评估,为科学社会评价这些目标提供了一个额外的机会。一个建立的数据集的连续性观测将与提议的新数据观测,以及多重观测“强化”,诸如为了对一个特定气候过程更详细了解的倡导进行竞争。后者的提议应当通过一个量化目标明确其定义,然后可通过委员会的建议框架,或其他类似的ESD建立为连续性观测进行量化,公开、客观的评价。

建议:NASA,预计将是下一个地球科学与空间应用10年调查的主要资助方,可以部署10年调查任务,确立、以及可能进行优先分级量化地球科学目标,并提出推荐的科学目标。

除了他们以研究为导向的目标,对地观测及其获取的信息产品为众多政府内、外的用户群体提供支持。把委员会的决策框架延伸到那些注重社会效益的应用观测是符合愿望的,但需要地球科学界以外的专业知识来制定类似的地球应用的量化目标。

建议:NASA应发起研究,以确定并评估与高优先级、社会效益好的领域相关的量化的地球应用目标。

根据来自成本效益分析和决策理论的经验,委员会发现,一个价值核心框架能够有效区分相关的对地观测;经过适当实施,它将实现开放性与透明度的改善。本报告所建议的价值核心途径包括观测效益以及承受能力两方面的考虑。该研究确定了一组相对少的、易于开展效益评估追踪的特性,连同支付能力一起,允许在许多竞争者之间进行结对的观测/量化目标价值区分3。它们是:

1.量化目标的科学重要性(I);

2.为实现一个量化目标的地球物理变量数据的应用价值(U);

3.为提供所需地球物理变量记录的观测数据质量(Q);以及

4.实现观测及其相关地球物理变量记录的成功概率(S);

5.提供观测及其地球物理变量记录的承受力(A)。

认识到额外既影响效益又影响承受力的交叉因素,在本报告所论述的框架内,对它们的适当处理方法进行了讨论。交叉因素的例子包括在实现科学目标过程中利用其他观测机会的能力,以及在观测质量方面地球物理变量记录对于意外退化(或缺口)的恢复力。

正如报告所讨论的,委员会发现,当观测数据的持续获取时间长于单卫星任务传统使用期限时,质量指标起着决定性作用。最关键的因素是观测数据合成标准的不确定性,对于解决量化目标是否(或不)充分。一个相关因素是数据差距的影响(参见第3章3.4.2节),它本身依赖于观测数据校准的不确定性(即溯源到绝对规模),以及在差距持续时间内观测数据的自然变异。虽然在连续观测的背景下有许多方法来评价质量,一个有用的质量指标,预期在用于短期操作的连续性需求(比如,天气预报、灾害预警、农业作物监测),与用于科学目标诸如那些与全球气候变化相关的需求之间将会有变化4。第4章给出了有关评估质量的例子。

发现:评估一个特定的连续性观测数据的质量,需要具备观测数据的合成标准不确定性的知识,这种不确定性来自仪器校准不确定性、可重复性、时间与空间采样、以及数据系统和气候变量(算法、再加工和实用性)的交付等方面,以及来自数据缺口对相关量化科学目标的影响。

建议:委员会建议NASA负责细化质量特性的评估途径。

观测承受力以及对决策目的的价值评估,能够通过许多同样有效的方法完成,其中一些被本报告研究。无论NASA与社区采纳那种评价方法,在应用时应该统一使用具有详细记录和了解的工具与研究,如下面突出显示的建议所示。

建议:NASA应当采纳一个统一的方法来评估地球物理变量的实用性,以便实现量化地球科学目标。委员会指出,这种方法也可以在地球科学10年调查中用于评估优先建议。

建议:NASA应当扩展其当前任务的成本工具,为决策框架估测所需与连续性观测相关的成本。

ESD官员做出明智决策的能力,需要有效益和承受力的没有偏见、一致的信息,这些信息要在NASA规划的适当时间框架下定期重新评估与发布。委员会建议,这些评价的输入内容应当来自诸如提交的提案以及对观测倡议者的面谈等来源。

建议:NASA地球科学处应当为量化地球科学与应用及其配套观测的严格评估与修正,建立常规流程。委员会建议,创建一个类似当前对卫星运行的高级评审,利用来自不同科学界的高级研究人员,并为ESD主任提出一致性的建议。

综上所述,委员会提供了以下建议:

建议:NASA应当建立以价值为基础的决策途径,包括清晰的对建议框架特性进行评价的方法,以及通向价值评估的明确的总结方法。

 

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1 2015年7月1日生效,该机构被称为国家科学、工程与医学院。本报告关于国家研究委员会的引用被用于7月1日前的历史背景识别计划中。

2 本报告中委员会使用的地球物理变量及其他几个术语的定义见专栏2.1。

3 委员会就有关框架特点选择进行长时间辩论;目标是得出一套很大程度上独立的最少量特性(指标),将能对连续性观测的提议提供有意义评价。认识到这些指标在统计意义上并不完全独立。例如,成功率(S)和承受力(A)并不完全独立;然而,它们之间的关系相当复杂,以至于在框架中保留两者非常必要。举个例子:NASA“买跌”风险(即,通过降低A提高S)的能力,因为技术复杂不容易量化;同样,计算其他国家和国际合作伙伴战略计划为例——一个棘手的问题——在框架内分别处理成功和承受力因素,比较容易处理。因此,委员会选择保留成功率与承受力两个特性。通过保留成功率,决策过程中对不确定性的把握更容易实现。

4 委员会指出,与气候变化目标有关的观测,质量要求往往在全球范围内会最严格,在划区或区域尺度上要求并不太高。(南极上空的臭氧、气溶胶区域变化以及极地冰盖等属于例外,在那些地方,区域人类信号可以在全球性平均信号之前被探测到。)因此,在本报告的许多例子中,仪器的精度与可重复性,常被全球平均水平分析驱动。然而,委员会的分析框架可在任何空间尺度下用于量化目标。

 

参考文献

NRC(国家研究理事会),2007,地球科学与空间应用:今后10年及更长期未来的国家要务,国家科学院出版社,华盛顿特区。

NRC,2012,地球科学与空间应用:NASA实施10年调查中期评估,国家科学院出版社,华盛顿特区。

原文题目:Continuity.of.NASA.Earth.Observations.from.Space—A.Value.Framework

资料来源:http://www.nap.edu/21789

 

(黄铭瑞编译,殷永元审核)