【战略前沿】在不断变化的地球上实现繁荣——太空对地观测十年战略
来源: http://www.nap.edu/24938
被阅读 1624 次
2018-03-27

在不断变化的地球上实现繁荣——太空对地观测十年战略

 

美国国家科学工程医学院

共识研究报告

工程与物理科学局

太空研究理事会

《在不断变化的地球上实现繁荣——太空对地观测十年战略》委员会

美国科学院出版社

Washington, D.C.

预印本

前言

 

本报告是2017-2027年度天基地球科学与空间应用调查[1](“ESAS 2017”)的最终产出,是由美国科学院、工程院和医学院进行的第二次10年期地球科学与空间应用调查。该调查于2015年底正式开始,任命指导委员会开展此项研究,并委任支持其工作的研究小组。如任务说明所述(附录E中重印),该研究的首要任务是“为环境监测和地球科学与应用界,提出以综合和可持续的方式开展美国政府民用天基地球系统科学计划的建议”。正如本报告第一章所讨论的那样,对这项任务的解释产生的一些建议,将在已知限制条件(如预期预算)下,推动地球系统科学,提供关键信息,支持广泛的国家经济与社会需求。

2007年出版的这一科学领域首次10年期调查[2]旨在围绕为社会带来益处的地球系统科学总体主题开展。其最显著的成就是构成地球科学的各界,跨越一系列不同的学科界限,一反传统,聚集在一起,从而能够就10年期研究的优先事项达成共识。由此产生的综合方案证明对赞助机构和美国都非常有利,机构项目产生大量的信息和数据产品满足了国家迅速增长的需求[3]

“ESAS 2017”由美国国家航空与航天局(NASA)、国家海洋与大气管理局(NOAA)和美国地质调查局(USGS)等联邦机构资助,负责制定并执行太空对地观测民用计划。在内部,国家科学院此项调查工作由空间研究理事会领导,在大气科学与气候理事会、地球科学与资源理事会、海洋研究理事会、极地研究理事会以及水科学与技术理事会的专家与志愿者密切协作下,共同完成。

本调查由一个经过任命的指导委员会负责,该委员会全权负责此最终报告,包括所有调查的结果和建议,以及5个跨学科研究小组。此外,指导委员会还得到若干非正式工作组的信息通报,其中一些工作组侧重于任务陈述的具体内容,另一些侧重于跨学科主题(如技术与创新)以及“综合主题”(如碳、水以及能源循环)。这种结构——几种考虑方案之一——允许从多个有利角度接近任务陈述中的主题,实现丰富而全面的研究过程。

从指导委员会到每个研究小组,从每个研究小组到其他4个研究小组都指定了“联络员”,这有助于避免形成信息“烟囱”。此外,指导委员会联络人出席研究小组会议,研究小组联络人有机会参加其他研究小组的会议。在整个研究过程中,研究小组共召开了3次会议,其中有2次会议是与同时举行的指导委员会共同召开了联席分会。整个研究期间,指导委员会共召开了7次线下会议。在会议间隔期间,指导委员会与研究小组通过WebEx召开了多次网络会议。有关10年期调查组织的更多信息,参见链接:http://www.nas.edu/esas2017。

10年期调查的大部分工作都在研究小组内进行。他们选择了重点领域/主题,以便整合后可以跨越地球系统的主要组成部分。研究小组的组织由指导委员会在调查过程早期设计并确认,同时参考了科学界在第一次征求意见(RFI[4],见附录D)时反馈的信息。其他考虑因素包括希望建立一个能够满足资助方使命与目标的结构,同时与10年期调查任务陈述的内容相一致。

研究小组负责接收并分析科学界提供的意见,尤其是科学界对第二次征求意见调查问卷的回应。每个研究小组都包括一些跨学科专家,他们的集体专业知识跨越了研究小组从科学到应用的专题焦点领域。通过研究小组的信息输入,指导委员会随后提出了观测系统的优先方面,综合“了解和监测地球系统的目标”与“强调在一系列使用观测数据的应用环境”。研究小组及其重点关注领域如下[5]

 

1. 全球水文循环与水资源

水的流动、分布、可用性及其随时间的变化。

2. 天气与空气质量:从分钟到次季节

大气动力学、热力学、化学及其在陆地与海洋界面的相互作用。

3. 海洋与陆地生态系统以及自然资源管理

4. 气候变异与变化:从季节到百年

5. 地球表面与内部:动力学与灾害

岩心、地幔、岩石圈以及地表过程、系统相互作用及其产生的灾害。

 

ESAS 2017 任务陈述

 

为阐述ESAS 2017任务陈述中的内容,指导委员会(以下简称“委员会”)将工作重点放在以下4个广泛领域:

 

  1. 评估过去10年的进展情况;
  2. 确定未来10年的愿景与战略;
  3. 确定科学与应用目标的优先次序,并将这些优化制定到观测计划中;

4. 分别制定计划实施指南,专门针对来自以下机构的特定要求:

a. NASA

b. NOAA和USGS。

在该清单的第2和第3区中,任务陈述要求优先重点面向科学、应用和观测,而不是执行这些观测所需的仪器和任务。特别是,该任务陈述要求委员会“建议NASA通过一系列优先战略‘科学目标’(由指导委员会扩大为科学与应用目标)推动地球系统科学和应用的研究活动,为2018-2027年10年期的天基观测提供机遇”。正如第三章中详述的那样,一个科学目标是“一套与共同天基相关的可观测的科学目标。”指导委员会把与每个科学目标相关的观测值定义为目标观测值。

 

ESAS 2017:报告结构与主要特征

 

本报告的结构和主要特征反映了相当详细的任务陈述。尤其是:

 

  • 根据要求,委员会的建议战略是一项推进对地球系统的基本了解,并提供可用于社会服务的知识。

 

  • 针对NASA的特定任务要素,报告提供了一个优先排序的最高级科学与应用目标清单,并注重记录计划中的差距与机遇,以及测量途径的可行性。与NASA有关的任务构成(Task elements。译者注:本文将elements译为“构成部分/构成”,而未直译为“要素”。下同。)还包括分析地球科学局主要计划构成之间平衡的具体要求,以及在其飞行计划范围内,对不同的计划构成之间投入的平衡。

 

  • 针对NOAA和USGS的任务构成,着重于如何使现有和规划中的计划对其用户在实用性及成本效益方面(包括通过技术创新)更有效。

 

  • 根据2008年NASA授权法案[6],ESAS 2017安排了对正在优先考虑的主要候选项目投资进行独立成本与技术评估(CATE)[7]。这项分析是由航空航天公司(Aerospace Corporation)完成的,作为最近在太阳与空间物理学、行星科学、天文学和天体物理学方面进行的国家科学院10年期调查的一部分(详见第3章),该公司也执行了技术评估(CATEs)。

 

  • 为使NASA地球科学局便于制定并实施其推荐计划,ESAS 2017委员会假设调查开始时[8]可用的资源达到“预期水平”。它还提供了“决策规则”,以便在技术或预算方面出现突发问题时进行应对措施指导。

 

  • ESAS 2017指导委员会及其研究小组仔细考虑了利用技术进步、国际合作伙伴关系以及商业领域新兴能力等因素确保研究质量,同时降低地球观测成本机会。还关注了地球科学“大数据”开发。

 

  • 与所有联邦机构一样,NASA在互相竞争的优选投资领域方面,也面临着艰难选择。在地球科学局内部,这些选择包括是否继续投资一个现有的数据流还是另一个,还是投资于满足研究界需求的一个新观测能力的开发。在制定一个推荐计划时——可以预计NASA将在受到严重约束的预算内执行这项推荐的计划,指导委员会以及研究小组也面临着艰巨挑战,以在这些互相牵制的需求间达到适当平衡。在不增加预算的情况下,将进行多项“连续性”观测职责从NOAA向NASA转移,这种做法相当于为NASA增加了新职责,带来了新挑战[9]

 

  • 本调查获益于仔细解读行政部门相关高级指导文件[10]

最后,如果没有来自研究与应用界的资助机构及同事的协助,本报告将不可能完成。指导委员会感谢NASA、NOAA以及USGS的领导对调查工作的支持,尤其是提供了委员会和研究小组了解优先顺序所需的详细计划信息。此外,如果没有同事们投入大量实质性工作进行报告内容的写作,并参加市政厅式的会议,此10年期调查也不可能完成。这些输入对跨学科研究小组的工作特别重要,因为这些研究小组的产出形成了激动人心的科学与应用基本素材,而这些基本素材最终成为本调查推荐计划的基础。我们还要感谢航空航天公司的帮助,他们提供了独立的成本分析和技术可行性选项来确定本调查中的科学优先事项。

 

报告提纲

 

本报告分为以下两部分,黑体显示每一章的主题:

 

第一部分

  • 指导委员会报告摘要

 

  • 指导委员会报告全文

 

第一章:十年愿景

 

第二章:十年战略

 

本章回顾了过去10年的进展情况,评估了新出现的科学与社会需求,并以此为基础开始构建未来10年的战略框架。

 

第三章:科学、应用以及观测的优先计划

 

本章描述了委员会用来确定观测需求并确定优先顺序的过程,提出了推荐战略,用于提供一个符合预算预期的稳健而平衡的美国太空对地观测计划。

 

  •  

 

本章阐述了在执行推荐计划时作为重要程序的一些关键的机构特定问题。

 

第五章:结论

 

第二部分

 

  • 5个研究小组对各章节的贡献

 

第六章:全球水文循环与水资源

 

第七章:天气与空气质量:从分钟到次季节

 

第八章:海洋与陆地生态系统以及自然资源管理

 

第九章:气候变异与气候变化:从季节到百年

 

第十章:地球表面与内部:动态与灾害

 

摘要

 

本次对地球科学与空间应用的10年期调查,是美国国家科学院、工程和医学院继2007年首次发布的第一次10年期调查(NRC,2007年)之后,在地球科学与应用领域进行的第二次10年期调查。 本摘要对报告进行全面概述,但仅包括报告得出的17项调查结果和18项建议中的选定内容。

 

太空对地观测:一种变革性能力

从人类最早期时代起,关于地球的知识就成为我们命运和前景的基础。在过去的60年里,在获取这些科学与实践知识方面取得了极其迅速的进展,这很大程度上归因于天基对地观测所提供的特殊视角。

 

空间的有利位置,使我们能够看到地球不断变化的过程对我们生活的影响程度。这些观测过程在地区空间尺度上,比如河流流动提供淡水、气象和气候条件决定作物产量;在全球空间尺度上,比如洋流变化影响商业捕捞,以及促进全球变化与气候变异。天基的有利位置还可以确保我们观测在广泛时间尺度上发生的过程,从突发事件(如地震)到10年期间事件(如世界巨大冰盖的增长和消融),以及介于这两个尺度间的任何时间尺度。

 

从这个角度,我们认识到地球过程发生的复杂且不断变化的方式,同时认识到这些观测并了解在我们生活中起着至关重要的作用。

 

发现1A:天基对地观测提供了一个全球视角,包括:

 

  • 在过去60年间,转变了对地球的科学认识,揭示了它是一个在大气、海洋、陆地、冰以及人类社会之间在一系列时空尺度上动态相互作用的综合系统,跨越地域、政治或学科界限。

 

  • 尤其是在过去10年间,为个人、企业、国家和世界提供了巨大的社会应用价值。随着这些应用融入到人们的日常生活,这些应用正在不断地拓宽和深入,成为社会必不可少的信息基础设施元素。

 

在不断变化的地球上实现繁荣

 

在日常层面,这种对地球观测的综合能力对每个人而言都非常重要。地球信息——简单举例来说,用于互联网地图、每日天气预报、土地利用规划、交通运输效率以及农业生产力等——是生活的核心,为经济发展、国家安全以及人身安全做出实质性贡献。它有助于为这个蓬勃发展的社会提供保障。

在我们整个日常生活中依赖的地球信息,是对地球科学持续探索与应用承诺的科研结果,也已成为一种先进的国家间和国际间观测系统、科学研究及应用的基础设施。地球科学与应用领域存在一个特殊优势,那就是兴趣驱使型科学研究(curiosity-based science)在很大程度上与应用导向型科学(applications-oriented science)和社会效益不可分割地结合在一起。这种鼓舞人心的实践科学的持续奉献,已多倍地为社会带来益处,并将在进一步的支持下继续做出贡献。

实际上,在过去60年的天基观测中,最明智也最重要的启示是地球正在以多种方式和原因发生变化的程度。即使对最早期的人类,即使不能解释清楚,比如天气这种日常变化,也是显而易见的。长期性的变化,特别是全球范围内发生的变化,直到现在才得以了解并引起公众的认识。这些变化中,有些与气候有关,比如厄尔尼诺的南方扰动的更替,但还有许多并非如此。除气候以外,空气质量、水资源可利用性、农业土壤养分以及其他地球资源的变化主要由人类活动驱动。要想成功地管理与这些变化相关的风险并识别机遇,需要清楚地了解其背后的人为驱动和自然过程。

 

挑战性的十年及更长期愿景

我们永远无法从过去的经验中了解一个不断变化的地球。它的发展演化和新兴特征必须通过观测来不断探索。要想继续有效地将知识用于社会福祉,我们的科学好奇心必须寻求并揭示地球变化之后产生的那些新的以及改变的过程。在这10年间做出的决定,对于预测未来的潜在变化,以及这些变化是否发生、如何发生及其影响至关重要。接受这种新范式来理解不断变化的地球,制定一项解决方案,是我们在未来10年及以后更长时期的主要挑战。

 

建议2.1:地球科学与应用是国家信息基础设施的重要组成部分,需要确保美国对地观测计划的强健、富有弹性以及适当平衡。NASA、NOAA和USGS与其他感兴趣的美国机构合作,应当在国家层面战略性协调并推进该计划,确保快速有效地利用美国的资源,这也是2007年地球科学与应用10年期调查中所建议的内容。

 

这种社会需求与知识机遇的背景,为本报告提出的地球观测计划提供了基础。社会发展的基本愿望,支持这种愿望所需的不断扩大的科学知识,以及不断提高的应用能力,这些都是本委员会建议的初衷。为了实现这一愿景,让我们拥抱理解地球的目标——在我们不断变化的星球上蓬勃发展——激发了未来10年及以后更长时间的一种新范式。

 

未来十年地球科学与应用范式

 

地球科学及其衍生的地球信息已成为日常生活、商业成功以及社会进步能力不可或缺的一个组成部分。这一社会进步的扩展需要我们专注于了解并可靠预测地球不断变化的多种途径。

 

实现进展的结构化途径

要想在未来10年取得进展,相当不容易。财务与人力资源方面的制约可能会对进展带来挑战(第一章)。这些限制相继迫使NASA、NOAA和USGS制定、采用并实施战略来推进技术与程序化进展。委员会提出以下8个要素作为建议的战略框架(第二章):

 

1、致力于持续的科学与应用

2、为综合科学/应用提供创新方法

      3、扩大科学与应用的交叉效益

      4、利用外部资源与伙伴关系

      5、制度化流程的灵活性与平衡

6、利用技术与用户需求的外部趋势

7、拓展运用竞争机制,以及

8、尽管有制约,仍然追求雄心勃勃的科学

将要面临的挑战,以及克服这些挑战的创新战略思维需求,在以下科学界挑战中体现。

 

十年期科学界的挑战

追求日益雄心勃勃的目标和创新性解决方案,增强并加速天基对地观测与分析的科学/应用价值,即使受到资源制约,也能以为国家乃至世界提供巨大价值的方式,确保进一步投资将会获得重大回报。

 

委员会认为,应对上述挑战将激励科学界在如何进行科学研究方面开辟创新方法,重点强调程序化与技术创新,以更少的成本完成更多目标;更加关注国内和国际伙伴关系以及日益增长的商业资源能力等的潜在利益(第三章和第四章)。

委员会与10年期调查5个研究小组紧密协作开展工作,每一个小组开展跨学科研究,全体研究小组共同合作代表跨地球系统科学所有学科的研究。调查过程的总结见图S.1。 该图的设计旨在把大量科学组织提供的可能性——汇集到最终的数量小的一组科学与应用优先项目(以蓝色显示)以及观测系统优先项目(以绿色显示),这些优先项目对满足国家地球科学与应用需求非常必要。该过程假定记录计划(POR)中现有以及计划中的设备均如期正常运行。

图S.1  2017地球科学与空间应用路线图,来自于空间10年期调查(ESAS 2017)

报告基于调查委员会确定的识别未来10年优先事项的途径,从科学组织征求意见(RFIs)开始,精选这些输入,确定优先的科学与应用问题以及目标,然后确定新型观测系统优先事项(假设记录计划如期完成)。这些优先事项由程序化建议进行补充。

 

确立科学与应用优先顺序

从最初设定的290个科学社区提交的意见开始,委员会与5个跨学科小组合作,将这些意见缩小到未来10年内拟解决的35个地球科学与应用关键问题。综合这些问题可以发现,这些问题全面阐述了一些需要提高的领域,同时包括由好奇心科学驱动和实际问题导向的地球科学领域,以及相应的地球信息的实际应用领域。为了确定解决这些问题所需的观测能力,委员会随后确定了一组基本的科学与应用目标,将之评估并分配至3个优先级类别之中:最重要(MI)、非常重要(VI)、重要(I)。

这一过程在委员会所提建议3.1中有以下阐述:NASA、NOAA和USGS致力于解决表S.1中概述的关键科学与应用问题(在报告正文中有更详细描述)。这些问题涉及未来10年科学与应用的核心优先事项。

 

建议3.1:根据适当分工以及经过确认的机构任务与优先事项,NASA、NOAA和USGS应当协同工作,实施一种程序化途径,推进基于表S.1所列出的地球科学与应用方面的问题和观测目标。表S.1列出了2017-2027期间10年科学与应用优先事项。

 

表S.1:2017-2027十年期科学与应用优先事项

 

科学与应用领域

 

水与能量循环耦合

(H-1)水循环如何变化?蒸散量与降水量的变化是否正在加速,蒸散量增大导致降水量增加,这些变化如何反映在降雨、降雪、蒸散的时空分布中,以及在诸如干旱和洪水等极端事件的频率和幅度中?

 

(H-2)人为引起的气候、土地利用、水的利用及蓄水等方面的变化如何在当地、区域以及全球范围内,和水与能源循环产生交互作用并改变水与能源循环,它们的短期与长期后果如何?

 

生态系统变化

 

(E-1)地球生态系统的结构、功能以及生物多样性如何,它们在时间与空间上如何及为什么变化?

 

(E-2)生态系统与大气、海洋和固体地球之间的通量(碳、水、养分与能量)状态,它们如何及为什么发生变化?

 

(E-3)生态系统内部的碳、水、养分与能量的通量状态,它们如何及为什么产生变化?

 

延长并改善天气与空气质量预报

(W-1)为什么行星边界层(PBL)过程是空气-地表(陆地、海洋和海冰)能量、动量与质量交换不可或缺的组成部分,这些如何影响天气预报和空气质量模拟?

 

(W-2)如何将天气与空气质量的环境预测扩展到在1周至2个月时间段对地球系统状况的预报?

 

(W-4)为何对流风暴、强降水及云等现象会精确地出现在某些特定的时间和地点?

 

(W-5)哪些过程决定了重要空气污染物的时空结构及其对人类健康、农业与生态系统的不利影响?

 

减少气候不确定性并为社会响应提供信息

(C-2)如何减少未来地球变暖(作为化石燃料排放的函数)的不确定性,提高预测当地和区域气候对自然与人类胁迫的反应能力,以及如何减少全球气候敏感性(其对未来经济影响及减排/适应战略会产生不确定性)的不确定性?

 

海平面上升

(C-1)在未来10年及更长时期,全球和区域海平面会上升多少,冰层与海洋的热储存作用是什么?

 

(S-3)未来10年到一个世纪期间,世界各沿海岸线海平面变化如何?

 

地表动力学、地质灾害与灾难

(S-1)大型地质灾害如何准确预报,并最终在一个社会相关时间范围内预测?

 

(S-2)地质灾害在事件发生后如何直接影响地球系统以及如何影响社会?

 

(S-4)什么过程与相互作用决定地形景观变化的速率?

非常重要

(概述)

 

(H-4)水循环对自然灾害及防灾的影响

 

(W-3)地球表面变异对天气与空气质量的影响

 

(C-3)碳循环变异对气候与生态系统的影响

 

(C-4)地球系统对海气相互作用的响应

 

(C-5)气溶胶对全球变暖的影响

 

(C-6)改进季节性到10年期气候预报水平

 

(C-7)大气/海洋环流与影响的10年期变化

 

(C-8)极地气候变化放大作用对地球系统的影响

 

(S-5)能量如何从地核流向地表

 

(S-6)深层地下水对地质过程与供水的影响

 

重要(概述)

 

(H-3)淡水供应及其对生态系统/社会的影响

 

(W-6)长期空气污染趋势及影响

 

(W-7)影响对流层臭氧的过程及其对大气的影响

 

(W-8)甲烷变异及对对流层大气组成与化学的影响

 

(W-9)云微物理特征对气溶胶与降水的依赖

 

(W-10)云对辐射强迫及天气可预测性的影响

 

(E-4)量化碳汇及其变化

 

(E-5)碳汇的稳定性

 

(C-9)臭氧层变化的影响

 

(S-7)改善能源、矿物与土壤资源的探测能力

 

注:最高优先级的问题(定义为“最重要”目标相关的问题)已全部列出;“非常重要”或“重要”目标相关的其他问题在本表中简要概述。类别中再无进一步优先级,主题按字母顺序排列。括号中的字母与数字组合是指研究小组(H =“水文”,W =“天气”,E =“生态系统”,C =“气候”,S =“固体地球”)以及每个小组的问题编号。本表的完整版本见表3.3与附录B。

通过努力突破这些优先事项,将会在科学挑战领域和直接影响人们生活的领域都取得重大进展。委员会观测计划建议的一个主要组成部分是对一系列观测能力(在下一节中概述)的承诺,这将有助于在以下所有科学与应用领域取得实质性进展:

 

  • 提供关于气溶胶与云的组成与分布的重要信息,从而改进对未来气候条件的预测,并帮助我们评估气溶胶对人体健康的影响;

 

  • 阐述云层覆盖与降水变化如何影响未来气候、气象以及地球能量平衡的关键问题,提高对大气中空气与能量运动及其对气象、降水及强风暴影响的了解;

 

  • 确定冰川与冰盖的缩减程度及其对海平面上升的贡献程度,是正在加速、减速还是保持不变;

 

  • 量化储存在陆地的水(例如地下水库)的趋势以及对人类消耗与灌溉可用水量等问题的影响;

 

  • 了解地表特征与景观的变化(如积雪、融雪、滑坡、地震、火山爆发、城市化、土地覆盖与土地利用)以及对诸如风险管理与资源管理等应用的影响;

 

  • 评估陆地植被与水生生态系统的演变特征与健康状况,这对了解其对作物产量、碳吸收及生物多样性等关键影响十分重要;以及

 

  • 检查陆地与冰面运动,以冰为例,确定冰快速损失的可能性以及显著加速的海平面上升速率;以陆地为例,应变速率的变化会影响并提供关于地震、火山喷发、山体滑坡以及构造板块变形等的关键见解。

 

此外,委员会提议具有竞争力的观测机遇,也将在下一部分概述,涉及至少以下3个科学与应用领域:

 

  • 了解二氧化碳与甲烷的源与汇,以及影响其未来浓度的过程;

 

  • 了解冰川与冰盖对海平面上升速率的贡献,及其可能如何影响未来海平面上升;

 

  • 提高对海洋环流、海洋与大气间的交流及其对天气与气候的影响

 

  • 评估臭氧与其他气体的变化及其对人类健康、空气质量与气候的影响;

 

  • 确定积雪的数量与融化率及其对水资源、天气、气候、洪水、干旱等的相关影响;

 

  • 量化生物量并表达生态系统的结构特征,评估大气中碳吸收和土地覆盖的变化,以支持资源管理;以及

 

  • 污染物传输、风能、云过程以及陆地或海洋表面与大气间的能量传输提供重要见解。

 

这一推荐的计划将促进科学知识在已成熟的领域获得发现并直接影响今天的生活方式。通过这项科学计划,未来10年发展起来的知识,在为未来的行动与投资活动提供信息具有光明的前景。

 

实施一项创新性观测计划

要解决委员会提出的科学与应用问题,需要在记录计划中(POR)对现有的和规划建设的设备及卫星提供持续的建设承诺。委员会建议的观测计划正是以此为基础建立的,填补POR中的观测空缺,以实现未来10年关键科学与应用目标。此观测计划在表S.2及相应的建议3.2中作了概述。大多数可观测任务被分配给NASA两项新飞行计划构成部分之中:一组被称为指定的观测组(Designated),另一个竞争组称为地球系统探索组(Earth System Explorer)。在这两项新的飞行计划中,表S.2所列的8项优先观测需求将作为仪器、仪器组件或任务实施。此外,还有几项可观测任务被分配给称为孵化(Incubation)的一项新计划构成部分之中,主要是为了加速这些观测项目的准备工作,这些属于目前从飞行成本效益角度看尚不可行却具有高优先级的可观测项目。最后,委员会提出一个扩展的风险投资计划,用于小型任务竞争,以增加对连续性驱动观测的关注。综上所述,这些新的计划内容补充了NASA现有飞行计划要素,例如风险投资计划。

表S.3所列的基本观测中——有5项归入指定观测组(Designated),是委员会特别建议的执行工作;有3项将从选入地球系统探索组(Earth System Explorer)的7项认定的候选项目中择优选出——这些观测扩充了现有记录计划(POR),并在资源允许的情况下,可有效地最大程度解决本调查所述的35个优先科学与应用问题。根据研究报告的任务陈述,没有确定特定的任务与设施,这样做可以确保资助机构能够在实施一套建议观测计划时,酌情确定那些最具成本效益和恰当的天基途径。NASA的每一项新飞行计划要素都承诺要采用创新手段,利用竞争机制及其他应用程序工具,来提高飞行计划的节奏与质量,同时优化成本与风险。

 

表S.2:观测系统优先级

 

 

目标观测项目

科学/应用概述

候选测量方法

指定任务

 

探索任务

孵化任务

气溶胶

气溶胶特性、气溶胶垂直剖面、云特性,用于了解它们对气候与空气质量的影响

 

后向散射激光雷达与多通道/多角度/偏振成像辐射计在同一平台上一起飞行

X

 

 

云、对流与降水

-降水耦合状态与动态,用于监测全球水文循环并了解包括云反馈在内的贡献过程

 

雷达,带有多频被动微波与亚毫米辐射计

X

 

 

质量变化

通过地球大气、海洋、地下水及冰盖内部和之间质量分布变化测量大尺度地球动力学

 

航天器重力异常测距

X

 

 

表面生物学与地质学

地球表面地质与生物学,地面/水温、积雪反射率、活跃的地质过程、植被性状及藻类生物量

 

可见光与短波红外波段高光谱图像,热红外多光谱或高光谱图像

X

 

 

地表形变与变化

从地震与滑坡到冰盖与冻土的地球表面动态

 

具有电离层校正的干涉合成孔径雷达(InSAR)

X

 

 

温室气体

二氧化碳与甲烷通量与趋势,量化全球与区域点源并确定源与汇

 

多光谱短波红外与热红外探测器,或激光雷达**

 

X

 

冰高程

全球冰特征描述,包括陆地冰海拔变化,评估其对海平面的贡献,以及海冰超出海平面高度,评估海冰/海洋/大气的相互作用

Lidar**

激光雷达**

 

X

 

海洋表面风与洋流

重合的高精度洋流与矢量风评估海-气动量交换并推断上涌、上层海洋混合以及海冰漂移

 

多普勒散射仪

 

X

 

臭氧与痕量气体

全球和高空间分辨率臭氧与痕量气体(包括水蒸气、一氧化碳、二氧化氮、甲烷及氧化亚氮)的垂直廓线

 

紫外/可见/红外微波临边/天底探测以及紫外/可见/红外太阳/恒星掩星

 

X

 

积雪深度与雪水当量

包括山区高空间分辨率的积雪深与雪水当量

 

雷达(Ka / Ku波段)高度计,或激光雷达**

 

X

 

陆地生态系统结构

陆地生态系统的三维结构,包括森林树冠和地面生物量以及从森林砍伐和森林退化等过程中地面碳存量的变化

 

激光雷达**

 

X

 

大气风

对流层/ PBL中的三维风,用于输送污染物/碳/气溶胶以及水蒸气、风能,云动力和对流以及大规模循环

 

主动遥感(激光雷达、雷达、散射计),或被动图像或基于辐射测量的大气运动矢量(AMV)跟踪,或激光雷达**

 

 

X

X

行星边界层

昼夜3D PBL热力学特性与2D PBL结构,通过对PBL温度、湿度及高度的高垂直及时间廓线了解PBL过程对天气与空气质量的影响

 

微波、高光谱红外探测仪(例如,在地理坐标或小卫星星座中)、用于昼夜PBL温度、湿度及高度的GPS无线电掩星,水蒸气廓线DIAL激光雷达,以及激光雷达**探测的PBL高度

 

 

 

X

地球表面地形与植被

高分辨率全球地形,包括裸地地形和冰地形,植被结构以及浅水测深

 

雷达或激光雷达**

 

 

 

X

**可通过设计用于解决两个或多个目标观测物的多功能激光雷达来解决问题

 

ESAS 2017的其他目标观测任务,未分配给飞行计划要素

 

水生生物地球化学

 

交叉辐射定标

 

磁场变化

 

海面盐度

 

海洋生态系统结构

 

土壤水分

 

注:委员会确定在未来10年需要确定的观测(目标观测),除了在记录计划以内的,见最后3栏(及用颜色标记)显示的内容,分配给NASA新的3项飞行计划元素(指定任务、地球系统探索任务、孵化任务,见相关文字定义)。在这些类别中,观测目标按字母顺序排列。有些原先优先考虑过但未分配至此次计划构成部分中的观测目标,列在表格底部。

 

建议3.2NASA应实施一套基于本报告拟议的计划(设计为负担得起、全面、稳健并且平衡)的天基观测能力,方法是实施记录计划的一部分以及表S.2所述 “观测系统优先事项”中增加的那部分。实施计划应以预算考虑结合本报告提出的决策规则为指导,并通过5个不同的计划要素完成:

1.记录计划。 现有或以前计划的一系列观测项目,必须按计划完成。ESAS 2017建议的执行,要求从2018财年到2027财年(FY),NASA的记录飞行任务计划总成本应限制在36亿美元。

2.指定任务。是计划的构成部分之一,其涉及ESAS指定成本上限的大中型任务,对整个计划必不可少,这些观测内容由NASA酌情或通过竞争确定。

3.地球系统探索任务。是一项新的计划构成部分,涉及为服务于特定ESAS优先观测具有成本上限的中型设备与任务提供竞争机会。

4.孵化任务。是一项新的计划构成部分,侧重于在达到成本效益可行性的条件之前需要提高的优先观测能力投资,其中包括一项应对新兴需求的创新基金。

5.地球风险投资。是地球风险计划的构成部分,根据ESAS 2007的建议,通过增加一项新的风险连续性组合,为持续观测提供低成本机遇。

 

根据研究期间所进行的技术准备与成本分析,委员会有信心使推荐的观测任务具备可行的实施方案,可在规定的成本上限之内按计划日程完成。拟议的计划旨在既符合预期预算(根据本报告假定,仅随通货膨胀而增加),还能确保计划构成部分中各任务组合间的平衡(图S.2)。候选的设备与任务将视情况正式接受成本与技术评估(CATE),以评估预算需求。委员会认为发展成本管理对于有效实施该计划至关重要,能够避免影响其他计划的执行,避免变更期望达到的计划平衡。至于预算应该比预期的多还是少,本报告提供了用于在一定程度上调整计划的决策规则,以确保计划的整体完整性。

图S.2:ESAS 2017实际美元估计成本(彩色楔形部分),被本报告提出的NASA飞行计划构成部分分解,与预期的飞行预算(黑线)相比,显示出ESAS 2017如何将预算到2027年的总成本控制在34亿美元以内。假设NASA飞行部分预算总额以超过目前预算预测的通胀率增长。图中仅显示与ESAS 2017建议相关的投资。估计成本与可用预算之间的差额,表示已承诺用于其他非ESAS任务相关活动的资金。

 

计划授权

最后,计划的顺利启动离不开NASA、NOAA及USGS提供的强大支持,为提议的天基观测系统发展以及评估由此产生的数据提供启动资源。关键是,这些支持对科学进步转化为应用与社会效益至关重要。委员会提出了多种流程化的活动,旨在提高每个机构实施其天基观测计划的能力。

其中的关键是相关的发现与建议,包括确保平衡及健全程序结构(发现4D及4E),以及利用合作伙伴(例如建议4.5中提到的欧盟哥白尼/哨兵计划)的相关机会。这些发现与建议可以提高运营效率并确保机构在其可用资源范围内尽可能完成计划任务(发现4J,建议4.5、4.11及4.12)。

 

   发现4D健全而富有弹性的ESD计划具有以下属性:

 

  • 一种节奏健康的中小型任务,能够为科学组织提供定期飞行机会,充分利用技术与能力方面的进步,迅速应对新兴科学需求。

 

  • 少量大型成本受制约的任务,其实施不会从较小和更频繁的机会中占用过多资源。

 

  • 与美国政府和非美国空间机构建有强大的合作伙伴关系。

 

  • 空基、地面以及其他辅助观测的补充计划。

 

  • 定期对每个计划构成部分带来的投资回报进行评估。

 

  • 一种强有力的交换机制,用于出现与现有测量连续性需求相悖的情况

 

  • 新的测量手段

 

发现4E最大限度地提高NASA地球科学计划的成功,需要在其计划构成部分之间进行均衡投资,计划的每一项构成部分都对整个计划至关重要。飞行计划提供观测结果,这些观测结果供研究与分析计划用于开展科学探索,应用科学计划进而将科学转化为现实世界福利,同时技术计划加速了飞行计划对技术进步的吸纳。目前,这4项计划的构成部分在很大程度上达到了合理平衡,从而实现了一个健全而富有弹性的地球科学计划,而且能够使用本报告建议的决策规则进行有效运行。正如本报告所建议的那样,每项计划构成部分内部的平衡调整还是有保证的。

 

发现4J通过与其他天基观测项目协同,扩展了Landsat的能力,也为Landsat数据的使用开辟了新的机遇。通过Sentinel-2卫星的交叉定标和数据共享,欧洲航天局(ESA)已见证了这些成就。这些成就为未来合作伙伴关系以及与其他天基观测项目的进一步协同提供了模式。

 

建议4.5由于扩展和延伸的国际伙伴关系可以使国家受益,因此:

 

  • NASA在执行本10年期调查的优先观测任务时,应考虑加强现有伙伴关系,寻求新的伙伴关系。
  • NOAA应加强并扩展其已经很强大的国际伙伴关系,通过:a)与合作伙伴协调,进一步确保补充能力与运营备份,同时尽量减少不必要的冗余;以及b)将伙伴关系扩展到更完整的观测系统生命周期,包括未来能力的科学与技术开发。
  • USGS应通过与诸如欧洲哨兵计划等的进一步合作,扩大可持续陆地成像(SLI)计划的影响。

 

建议4.11NOAA应当建立其自身位于主要政府机构中开发商业数据源的潜在价值,同时评估其观测数据组合的收益与风险。为了实现这一目标,它应    当创新新型政府-商业伙伴关系,在必要时开辟新商业模式,并寻求可以接受的解决方案,以解决诸如国际合作伙伴使用权利这样的障碍。NOAA的商业数据合作伙伴关系,应确保在必要且适当的情况下获得所需的数据特征与质量信息,同时,如果数据对NOAA的核心功能至关重要,那么在面对任何单一数据来源/提供者的损失时,NOAA应采取强有力的措施。

 

建议4.12NOAA应与NASA共同建立一个灵活的联合活动框架,提升能力以及NOAA观测能力的效益。该框架应当能够实施具体的项目合作,其中每一项合作都可能有其独特的要求,还应当确保:a)分工明确,b)共同利益,c)生命周期相互作用,d)多学科方法论,e)多元化专业知识,f)合理的预算机制。

 

十年期的预期进展

在本报告中,委员会确定了科学与应用、观测以及程序化支持需求,这些内容使深刻了解我们不断变化的星球的本质这一愿景成为现实。正如本摘要和报告正文中所述,委员会期望在该10年计划结束之前完成以下工作:

 

机构内的流程实施将通过以下方式提高效率:

 

  • 提高计划的成本效益。促进并扩大对中型任务的竞争机制,更好利用创新,发挥合作伙伴关系的作用。

 

  • 科学连续性的制度化可持续。 在前期科学探索完成后,建立方法以便优先考虑并促进继续开展那些对于监测地球社会重要方面至关重要的观测。

 

  • 发挥未被开发的NASA-NOAA协同作用。建立更有效的手段,为NASA与NOAA合作,联合开发下一代天气观测仪器,加速NOAA整合先进的运行能力。

 

改进的观测将带来激动人心的新的科学与应用,主要通过以下方面:

 

  • 启动或部署8个以上新的优先级地球观测任务。开发或启动任务及设备,以解决服务于科学与应用的新的和/或扩展的优先观测区域。委员会为NASA提供的推荐计划中,有5项是规定计划,有3项从委员会提供的7项候选优先级事项中择优选拔出来,这些事项将形成一个NASA新的竞争性中型任务类型的基础。除了这些新的观测优先级事项,还将补充另外2项新的小型任务和6项新仪器事项,这些将通过NASA现有的地球风险计划构成加以选择,还通过该计划的新风险-连续性链选择出2个持续观测的机遇。现有的和计划建设的记录计划也将按预期执行。

 

  • 突破重大科学问题。提高调查提出的35个关键科学问题中(表S.1)的部分知识,以解决关于地球系统关键未知问题,并承诺带来新的社会应用与福利。

 

企业与个人将从科学进步和地球信息改善中获得更多价值,例如:

 

  • 增加操作系统终端用户的利益。强化的流程将使NOAA和USGS对其所服务的用户群体产生更大的影响,并将为这些机构提供改进的工具,以利用低成本商业与国际天基观测手段推进其使命。

 

  • 加速科学的公共利益。提高科学向应用的转化能力,将有可能更快速、更有效地实现科学探索的社会效益,并使应用能够更好地响应不断变化的社会需求。

 

  • 通过新的观测与相关数据,为创新商业用途提供数据支持。

 

在过去几十年成功与发现的基础上,本报告的平衡计划为通过太空对地观测实现巨大的科学与社会效益提供了一条途径。在未来10年,它将确保美国继续成为对地观测领域有远见的领导者与合作伙伴,激励下一代地球科学与应用创新,同时激励实现这一目标的人们。

 

原文题目:

Thriving on Our Changing Planet A Decadal Strategy for Earth Observation from Space

资料来源:

http://www.nap.edu/24938

 

(黄铭瑞、王化编译,殷永元审核)

 


1、十年期调查项目因其在深入研究科学界的研究兴趣、愿望和需求方面的能力而受到广泛关注。主要调查委员会和科学界成员组成的专题小组通过严格的程序,构建优先科学目的与目标程序,并明确达到这一目标的可执行策略。这些报告为美国确定在今后10年及以后更长时间,在这些科学领域的安排,发挥了关键作用,而且远远超出了这一范围。参见2015年美国国家科学院、工程和医学院《空间科学十年调查:经验教训与最佳实践》,华盛顿特区,美国国家科学院出版社,网址:https://doi.org/10.17226/21788。

2、参见2007年美国国家研究委员会《地球科学与空间应用:国家未来十年及以后更长时间的紧迫任务》,华盛顿特区,美国国家科学院出版社,网址:https://doi.org/10.17226/11820。有关这项调查成功与不足之处的综述,请参阅2012年国家研究委员会《地球科学与空间应用:美国国家航空航天局实施十年调查中期评估报告》,华盛顿特区,美国国家科学院出版社,网址:https://doi.org/10.17226/13405。2016年,M.A. Wulder等人关于Landsat数据使用增长的讨论,《全球Landsat档案:状态,合并与方向》,遥感环境185:271-283。为了管理其日益增长的数据档案,NOAA发起“大数据项目”,参见网站:http://www.noaa.gov/big-data-project。

3、根据数据存档的大小以及数据用户进行数据检索的数量推断。例如,2016年2月16日,地球科学局(DK)地球科学数据系统科学任务理事会,NASA总部《NASA地球科学数据系统计划》的演示文稿中可以查看https:// smd-prod.s3.amazonaws.com/science-blue/s3fs-public/atoms/files/5-Big_Data-Earth_Science-tagged.pdf,幻灯片第18页。

4、第一次征求意见(RFI)在调查开始前发布,要求科学界提供信息输入,帮助了解空间观测在解决未来10年地球系统科学面临的主要挑战和问题方面的作用。通过设计,第一次征求意见并没有向科学界提出如何解决已确定的挑战或问题的想法。在第一次RFI基础上,第二次RFI要求提供有关特定科学和应用目标(即具体目标)的想法,这些具体目标有望使研究小组增加对一个或多个地球系统科学主题的了解。

5、在本报告中,5个研究小组缩写如下:全球水文循环与水资源=“H”或“水文”,天气与空气质量:从分钟到次季节=“W”或“天气”,海洋与陆地生态系统以及自然资源管理=“E”或“生态系统”,气候变异与气候和变化:从季节到百年=“C”或“气候”,地球表面与内部:动力学与灾害=“S”或“固体地球”。

6、“2008年法案”第1104节“指导管理者定期与国家科学院签订年度调查协议,评估地球与空间科学学科领域以及航空研究的现状与机遇,建议未来10年研究和计划领域的优先事项”。此外,该法案“要求此类协议包括生命周期成本的独立评估以及调查期间随时可能开展的任务技术准备情况评估”。参见2008年《国家航空和航天局授权法案》,PL 110-422,第1104节(2008年10月15日)。

7、参见《空间科学十年调查》附录B:《实施CATE过程》,同前。

8、正如第3章所解释的那样,NASA官方提供了这份调查的预算记录,并表示预计最近资金水平不会出现大幅度变化。本报告建议所依据的假设是当时预算仅随通货膨胀而增长。

9、本调查受益于2015年美国国家科学院、工程和医学院的分析框架,《NASA对地观测的连续性:价值框架》,华盛顿特区,美国国家科学院出版社,网址:https://doi.org/10.17226/21789。

10、这些内容于2015年5月7日ASPRS 2015年会上,由美国地球观测计划主任Tim Stryker提出的《国家对地观测规划与评估》中进行讨论,详见:https://calval.cr.usgs.gov/wordpress/wp-content/uploads/ASPRS-slides_Stryker_final.pdf。