譚娟 樊奕茜 賈朋群
EE-11的4個(gè)項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng),也開啟了ESA的FutureEO計(jì)劃。在這個(gè)嶄新的階段,所有成功立項(xiàng)的項(xiàng)目都需要具有一個(gè)共同的特征——本質(zhì)上,是技術(shù)和科學(xué)齊頭并進(jìn)。
歐洲空間局(ESA)2022年5月召開的“活力星球?qū)W術(shù)研討會(huì)”(Living Planet Symposium,LPS)帶來一個(gè)清晰的信號(hào):即氣象和大氣科學(xué)過去數(shù)百年時(shí)間里走出的主要針對(duì)地球大氣層的“觀測(cè)網(wǎng)+數(shù)值模擬”發(fā)展之路,或借助地球觀測(cè)(EO)能力的快速提升,將在地球多個(gè)圈層,乃至整個(gè)地球系統(tǒng)語境下,加快實(shí)現(xiàn)地球環(huán)境中更多要素,可以像天氣一樣進(jìn)行診斷和預(yù)報(bào)。
LPS于2022年5月23—27日在德國波恩以線下會(huì)議方式舉辦。這次每3年舉辦一次的地球科學(xué)會(huì)議,吸引了超過5000名參會(huì)者、240場(chǎng)科學(xué)會(huì)議和1300多個(gè)口頭報(bào)告,不僅打破了ESA活動(dòng)的紀(jì)錄,更是在全球疫情態(tài)勢(shì)依然不明的情況下,歐洲學(xué)界的一次具有喚醒意義的學(xué)術(shù)活動(dòng)。會(huì)議表明,當(dāng)世界來到全球應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時(shí),監(jiān)測(cè)地球系統(tǒng)的變化比以往任何時(shí)候都更加重要。EO衛(wèi)星所處的太空,是監(jiān)測(cè)地球環(huán)境的最佳地點(diǎn),在太空能最好地感知我們居住星球的脈搏(會(huì)議的副標(biāo)題),并幫助人類采取行動(dòng)保護(hù)地球,使其繼續(xù)充滿活力。
LPS會(huì)前,主要依靠來自ESA和兩家重要協(xié)辦機(jī)構(gòu)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)和歐洲氣象衛(wèi)星組織(EUMETSAT)專家的智慧,全面給出了會(huì)議的5個(gè)主題(表1)所涵蓋的分會(huì)內(nèi)容。會(huì)議的5個(gè)主題,全面闡述了我們所在的活力星球的方方面面。
表1 LPS會(huì)議的5個(gè)主題及延伸領(lǐng)域(關(guān)鍵詞)
LPS的5個(gè)主題內(nèi)容的詳盡闡述,似乎已經(jīng)超出了一次學(xué)術(shù)會(huì)議對(duì)討論內(nèi)容的學(xué)術(shù)領(lǐng)域劃分。例如,“了解地球系統(tǒng)”主題的一些領(lǐng)域細(xì)節(jié)和參考5個(gè)主題之完整技術(shù)體系,在更廣泛科學(xué)意義上,是全球面臨百年未有之大變局、地球多圈層挑戰(zhàn)層出時(shí)歐洲學(xué)者的集體回應(yīng):一方面,學(xué)界以EO為代表,在試圖用更多樣化、更精確和更完善的科學(xué)語言、架構(gòu)來面對(duì)挑戰(zhàn);另一方面,當(dāng)傳統(tǒng)地學(xué)領(lǐng)域融入全新的地球系統(tǒng)科學(xué)理念時(shí),以EO為技術(shù)抓手,5類主題及其研究、開放領(lǐng)域的劃分,也不失為一套接近完整的面向未來地學(xué)研究發(fā)展的一套EO經(jīng)緯路線圖。
借助LPS會(huì)議,主辦方歐空局也順勢(shì)提出了未來三年及以后雄心勃勃的計(jì)劃,以增加歐洲在太空的自主權(quán)、領(lǐng)導(dǎo)力和責(zé)任感。從本次會(huì)議所展示的學(xué)術(shù)信息來看,ESA擁有大量高水平的學(xué)者,尤其是在地球不同圈層結(jié)合處,這些學(xué)者引領(lǐng)和提出了大量觀測(cè)、模擬和應(yīng)用選題,為ESA未來獨(dú)樹一幟的發(fā)展埋下伏筆,更為天基遙感觀測(cè)重塑氣象和大氣科學(xué),乃至整個(gè)地球科學(xué)學(xué)科未來5~10年的新格局提供機(jī)遇。
ESA開發(fā)的衛(wèi)星項(xiàng)目按照功能劃分為幾個(gè)類別,其中偏向于研究的地球探索者(Earth Explorers,EE)項(xiàng)目是本次會(huì)議最引人關(guān)注的內(nèi)容之一,EE研發(fā)的“9+1+4”模式:即已經(jīng)完成或確定的9項(xiàng)、正在決策中的1項(xiàng)(圖1)和將要選擇的4(選1)項(xiàng)衛(wèi)星項(xiàng)目。
圖1 ESA的地球探索者項(xiàng)目
自2009年第一個(gè)EE衛(wèi)星成功發(fā)射以來,這些任務(wù)無一例外地超出預(yù)期。EE一般選擇相對(duì)較小衛(wèi)星設(shè)計(jì),著眼于地球環(huán)境研究所需的新技術(shù)的顯示。EE項(xiàng)目覆蓋大氣、生物圈、水圈、冰凍圈和地球內(nèi)部,強(qiáng)調(diào)對(duì)不同圈層系統(tǒng)之間相互作用及人類活動(dòng)對(duì)這些地球自然過程的影響。
EE項(xiàng)目又被分為“核心”項(xiàng)目和投入較低的“機(jī)會(huì)”項(xiàng)目?jī)深悾罢咭钥茖W(xué)意義為主導(dǎo),后者則強(qiáng)調(diào)投入不多的高效益項(xiàng)目。核心項(xiàng)目的例子包括GOCE、Aeolus和EarthCare等,而SMOS、CryoSat和Swarm劃為機(jī)會(huì)項(xiàng)目。重要的是,EE為開發(fā)業(yè)務(wù)衛(wèi)星打下了良好基礎(chǔ)。
EE-1于2013年完成,該項(xiàng)目以前所未有的細(xì)節(jié)繪制了地球引力的變化。目前在運(yùn)行的四個(gè)項(xiàng)目SMOS、CryoSat、Swarm和Aeolus,提供了關(guān)于土壤濕度和海洋鹽度、地球冰凍圈變化、磁場(chǎng)和大氣環(huán)流的關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)。2023年及以后發(fā)射的下一代EE項(xiàng)目,將利用開創(chuàng)性的太空技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展人們對(duì)地球系統(tǒng)的知識(shí)。其中EarthCARE推進(jìn)對(duì)云和氣溶膠在反射和捕獲地球輻射方面發(fā)揮的作用,而Biomass將測(cè)量全球森林碳,以增加關(guān)于森林在碳循環(huán)中作用的知識(shí)。FLEX任務(wù)將提供有關(guān)光合作用的信息,以闡明地球植被的功能。
為了爭(zhēng)取在EE 9中立項(xiàng),多達(dá)21個(gè)項(xiàng)目響應(yīng)ESA于2015年發(fā)出的提交概念模型邀請(qǐng),展示了豐富的地球探測(cè)不同要素的創(chuàng)新方案。經(jīng)過評(píng)選FORUM(Far-Infrared-Outgoing-Radiation Understanding and Monitoring,遠(yuǎn)紅外射出輻射理解和監(jiān)測(cè))勝出。該項(xiàng)目將為了解地球的輻射收支提供新的視角,有助于提高氣候變化評(píng)估的準(zhǔn)確性并為決策者提供建議。
地球表面的溫度是由大氣頂部的輻射平衡驅(qū)動(dòng)的,但這種平衡被溫室氣體的排放擾亂了,溫室氣體將熱量困在大氣中。超過一半的長(zhǎng)波能量是在遠(yuǎn)紅外電磁波,未能被測(cè)量到。為了填補(bǔ)這一空白,F(xiàn)ORUM將測(cè)量地球電磁波譜的遠(yuǎn)紅外部分。這將填補(bǔ)當(dāng)前氣候變化中長(zhǎng)波輻射和海氣相互作用的測(cè)量空白。
為了爭(zhēng)取EE第10個(gè)項(xiàng)目,3個(gè)項(xiàng)目于2018年9月進(jìn)入第一次可行性研究。ESA最終選擇了Harmony(和諧)進(jìn)入下一階段的開發(fā)。Harmony由兩顆衛(wèi)星組成并將與哥白尼Sentinel-1衛(wèi)星一起在軌道上運(yùn)行,項(xiàng)目瞄準(zhǔn)解決與海洋、冰和陸地動(dòng)力學(xué)相關(guān)的科學(xué)問題,即如研發(fā)機(jī)構(gòu)TU Delft在會(huì)議報(bào)告的題目所言:解決地球系統(tǒng)的壓力。Harmony將測(cè)量地表形狀的微小變化,例如與地震和火山活動(dòng)有關(guān)的變化,從而有助于風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)。它還將允許研究冰蓋快速變化的邊緣區(qū)域冰川的3D變形和流動(dòng)動(dòng)力學(xué),以便更好地了解海平面上升。如果ESA在2022年秋季做出全面實(shí)施的決定,兩顆“和諧號(hào)”衛(wèi)星還將攜帶多波束熱紅外儀器,在云層存在的情況下,儀器能夠測(cè)量高分辨的云層運(yùn)動(dòng);當(dāng)天空沒有云時(shí),多光束熱紅外儀器將測(cè)量海面溫差。該衛(wèi)星還將是第一個(gè)同時(shí)測(cè)量風(fēng)、波浪、洋流并提供數(shù)據(jù)的項(xiàng)目,這些數(shù)據(jù)可以提高空氣和海表相互作用的認(rèn)識(shí),再加上對(duì)海面熱差異和云運(yùn)動(dòng)的測(cè)量,將實(shí)現(xiàn)前所未有的海洋大氣邊界層的視圖。
LPS會(huì)議期間正在進(jìn)行的EE-11候選項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng),是會(huì)議討論的一個(gè)重要興奮點(diǎn),又因?yàn)?個(gè)項(xiàng)目涉及地球觀測(cè)的廣泛內(nèi)容,引發(fā)更為廣泛的關(guān)注(圖2)。這4個(gè)項(xiàng)目是從2020年5月征集得到的15個(gè)概念模型的競(jìng)爭(zhēng)中勝出的4個(gè),預(yù)計(jì)將在2023年秋天分出最終勝負(fù)。
圖2 EE-11的4個(gè)候選項(xiàng)目
4個(gè)項(xiàng)目觀測(cè)的目標(biāo)分別是大氣動(dòng)力層結(jié)、大氣成分、海洋小尺度動(dòng)力和全球風(fēng)云及降水等,LPS會(huì)議特別設(shè)了分會(huì)場(chǎng)(EE-11候選項(xiàng)目:下一個(gè)十年的科學(xué)),請(qǐng)4個(gè)候選項(xiàng)目介紹“0階段”進(jìn)展,而分會(huì)場(chǎng)的主題,無疑是會(huì)議主辦機(jī)構(gòu)希望借助這些候選項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思想,引領(lǐng)未來EO前沿。
CAIRT(changing-atmosphere infrared tomography,變化大氣紅外斷層)或成為是第一個(gè)在太空中使用傅里葉變換紅外成像技術(shù)的探測(cè)儀,將關(guān)注與大氣環(huán)流、成分和區(qū)域氣候變化之間相互的影響,提供現(xiàn)有或計(jì)劃中的衛(wèi)星任務(wù)無法提供的關(guān)鍵觀測(cè)數(shù)據(jù),以便在了解5~120 km高度范圍內(nèi)的氣候變化、大氣化學(xué)和動(dòng)力學(xué)之間的聯(lián)系。
Nitrosa(氮衛(wèi)星)測(cè)量的兩種活性氮化合物,是臭氧和顆粒物的前體。這兩種化合物都通過天然碳和氮循環(huán)之間的相互作用與氣候變化有關(guān),因此,該任務(wù)可以為氣候變化下重要的社會(huì)應(yīng)用和環(huán)境政策做出貢獻(xiàn)。
WIVERN(wind velocity radar nephoscope,風(fēng)速雷達(dá)觀測(cè)器)或成為世界上唯一可以測(cè)量云中的風(fēng),并提供雨、雪和冰水剖面的衛(wèi)星。WIVERN將攜帶94 GHz的雙極化、錐形掃描多普勒雷達(dá)。該任務(wù)將提高天氣預(yù)報(bào)模型中高影響天氣和危險(xiǎn)預(yù)警的預(yù)測(cè),并有助于云和降水剖面的氣候記錄。
Seastar(海星)由英國海洋研究中心提出,是EE-11唯一入選的海洋任務(wù)。Seastar將進(jìn)一步回答有關(guān)海洋動(dòng)力學(xué)和小規(guī)模海洋過程的科學(xué)問題,有助于理解與海洋食物鏈的初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)的海氣相互作用。這些小尺度動(dòng)力學(xué)對(duì)于石油和塑料污染的部分也很重要。該衛(wèi)星將攜帶一個(gè)雙天線沿軌干涉測(cè)量雷達(dá)。
EE-11 的4個(gè)項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng),也開啟了ESA 的FutureEO計(jì)劃。在這個(gè)嶄新的階段,所有成功立項(xiàng)的項(xiàng)目都需要具有一個(gè)共同的特征——本質(zhì)上,是技術(shù)和科學(xué)齊頭并進(jìn)。
LPS會(huì)議從天基遙感角度,重新審視和梳理了氣象和大氣科學(xué)與地學(xué)其他學(xué)科在交叉界面上的碰撞、碰撞可能帶來深度和廣度兩個(gè)維度上的擴(kuò)展,會(huì)議或許是在提示我們:天基衛(wèi)星遙感快速換代和借助大氣環(huán)流模式數(shù)字智慧的碰撞,或許讓生態(tài)、水和碳循環(huán)等領(lǐng)域與大氣科學(xué)有了更緊密聯(lián)系在一起的機(jī)會(huì),全面遙感數(shù)據(jù)和模擬能力最有可能讓地球系統(tǒng)科學(xué)真正走向統(tǒng)一、面向多圈層數(shù)據(jù)。
多任務(wù)算法與分析平臺(tái)(Multi-mission Algorithm and Analysis Platform,MAAP)在LPS國際合作主題分會(huì)的第一個(gè)報(bào)告中被提出,具有共享數(shù)據(jù)、建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、共享算法(軟件)和眾籌挖掘可視化和數(shù)據(jù)產(chǎn)品等多重意義。MAAP是歐美兩個(gè)最強(qiáng)大的空間機(jī)構(gòu)ESA和NASA的一個(gè)合作項(xiàng)目,專注于提高對(duì)地球陸地碳動(dòng)力學(xué)的理解。MAAP將提供一個(gè)具有與數(shù)據(jù)共存的計(jì)算通用平臺(tái),以及為支持這一特定研究領(lǐng)域以及解決與提高數(shù)據(jù)速率相關(guān)的問題和加強(qiáng)開放數(shù)據(jù)政策而開發(fā)的一套工具和算法,最大限度地利用BIOMASS、GEDI和NISAR等地球觀測(cè)(EO)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)。
MAAP的目標(biāo)包括:1)使研究人員能夠輕松發(fā)現(xiàn)、處理、可視化和分析來自兩個(gè)機(jī)構(gòu)的大量數(shù)據(jù);2)提供工具和基礎(chǔ)設(shè)施,將數(shù)據(jù)引入同一坐標(biāo)參考框架,以實(shí)現(xiàn)比較、分析、數(shù)據(jù)評(píng)估和數(shù)據(jù)生成;3)提供支持工具、共存數(shù)據(jù)和處理資源的版本控制的科學(xué)算法開發(fā)環(huán)境;4)解決與協(xié)同算法開發(fā)和數(shù)據(jù)和算法共享相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和共享問題。
會(huì)議介紹了地球觀測(cè)衛(wèi)星協(xié)同觀測(cè)的意義。在持續(xù)提供數(shù)據(jù)方面,針對(duì)海平面變化的衛(wèi)星觀測(cè)項(xiàng)目接力,堪稱典范之一。而在兩個(gè)以上衛(wèi)星項(xiàng)目之間相互借力,實(shí)施更精確觀測(cè)(如海冰觀測(cè))及和國家項(xiàng)目之間的協(xié)同,都給出了針對(duì)衛(wèi)星協(xié)同觀測(cè)的各自解讀。
這些協(xié)同中最值得關(guān)注的,是不同衛(wèi)星或衛(wèi)星星座之間的系統(tǒng),其產(chǎn)生的新觀測(cè),尤其是依靠單個(gè)衛(wèi)星項(xiàng)目很難完成的環(huán)境變量的新觀測(cè)方法,是遙感換代技術(shù)的一個(gè)最重要的標(biāo)簽。借助GPS衛(wèi)星星座和掩星已經(jīng)發(fā)展成熟的無線電掩星大氣廓線衛(wèi)星遙感探測(cè)技術(shù),是最早并具有極大影響力的技術(shù)。在EE-10“和諧”項(xiàng)目中,該衛(wèi)星將與已經(jīng)業(yè)務(wù)化的哨兵衛(wèi)星同步軌道上運(yùn)行,試圖針對(duì)地表細(xì)微形變帶來類似無線電掩星技術(shù)量級(jí)的新技術(shù)創(chuàng)新,尤其值得期待。
本次會(huì)議數(shù)字孿生這一相對(duì)較新的理念,幾乎貫穿了各個(gè)分會(huì)場(chǎng)。會(huì)議主辦機(jī)構(gòu)ESA更是在多個(gè)報(bào)告中,提出了數(shù)字孿生概念對(duì)EO的重要性:即成為地球觀測(cè)的新維度的根基,同時(shí)已經(jīng)在一些領(lǐng)域(水文、極地、水循環(huán)和冰雪圈等)率先得到了應(yīng)用。尤其是,數(shù)字孿生技術(shù)因?yàn)橹苯优c應(yīng)用對(duì)接,它對(duì)EO市場(chǎng)的促進(jìn)也不容小覷。
本次會(huì)議表明,ESA要成為天基遙感的全球領(lǐng)先者。從ESA不長(zhǎng)的歷史總計(jì)約80顆EO衛(wèi)星系列以及作為全球EO衛(wèi)星重要管理者之一參與管理的所謂遺產(chǎn)衛(wèi)星來看,作為引領(lǐng)者,ESA似乎還欠些火候。但從這些衛(wèi)星的含金量,尤其是在EO體系中具有的業(yè)務(wù)衛(wèi)星和探索衛(wèi)星雙軌優(yōu)勢(shì),再加上哥白尼項(xiàng)目錦上添花,歐洲地球觀測(cè)借ESA走到世界前列,完全有可能。
氣象和大氣科學(xué),無論從歷史發(fā)展過程,還是未來進(jìn)步的走勢(shì),觀測(cè)無疑具有“第一推動(dòng)”的意義和價(jià)值。為了更好地認(rèn)識(shí)LPS會(huì)議大量以觀測(cè)為視角的新進(jìn)步信息對(duì)學(xué)科發(fā)展的意義,以中國自然科學(xué)基金率先在地學(xué)領(lǐng)域推出的大氣科學(xué)編碼(D05)為視角,審視LPS主題對(duì)學(xué)科的滲透(圖3)。從結(jié)果中可以看到,更多的氣象和大氣科學(xué)學(xué)科新增長(zhǎng)點(diǎn)(析出關(guān)鍵詞),以及學(xué)科與地學(xué)乃至更廣泛學(xué)科交叉、碰撞,提出或啟發(fā)了新的科學(xué)問題。
圖3 用中國國家自然科學(xué)基金“大氣科學(xué)”編碼掃描LPS相關(guān)領(lǐng)域
本次會(huì)議的一個(gè)看點(diǎn),就是ESA展示數(shù)十年來通過地球探索者(EE)系列項(xiàng)目取得的領(lǐng)先于世界的地球觀測(cè)能力和令人激動(dòng)的未來發(fā)展計(jì)劃。
● EE項(xiàng)目瞄準(zhǔn)科研,立項(xiàng)的主導(dǎo)是技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性和對(duì)前端研究的促進(jìn)。
● EE項(xiàng)目采用大約每3年一個(gè)階段的周期,通過發(fā)布招標(biāo)計(jì)劃方式,吸引研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司參與投標(biāo),在貢獻(xiàn)最新技術(shù)的同時(shí),還不斷將EO的領(lǐng)域向地球各個(gè)圈層延伸。由于EE較少有業(yè)務(wù)人員參與其中,這些項(xiàng)目,無論是最初思想還是后來方案的完善過程,都很少受到業(yè)務(wù)衛(wèi)星(如氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星)探測(cè)范圍的限制,從而在不同時(shí)期,讓EO達(dá)到極限。
● 如其名稱所言,EE項(xiàng)目以探索姿態(tài)開展創(chuàng)新活動(dòng),其結(jié)果是讓業(yè)務(wù)能力受益最大化,其中源自EE項(xiàng)目的風(fēng)神衛(wèi)星走向業(yè)務(wù)化,就是例證。
本次會(huì)議揭示了地球科學(xué)發(fā)展的一個(gè)顯著新趨勢(shì),即通過“碳循環(huán)”將地球系統(tǒng)統(tǒng)一起來的趨勢(shì)。而圍繞碳循環(huán)天基平臺(tái)能做什么,幾乎是本次會(huì)議唯一的共同目標(biāo)?!疤佳h(huán)”是目前認(rèn)識(shí)到的地球系統(tǒng)中貫穿幾乎所有圈層的“大氣”和“水”以外的又一個(gè)重要機(jī)制,但是,碳循環(huán)的觀測(cè)困難重重。不同圈層環(huán)境變量之間、參與碳循環(huán)眾多要素之間要建立量化的觀測(cè)基礎(chǔ)和規(guī)范是無法回避的科學(xué)挑戰(zhàn)。本次會(huì)議表明:遙感探測(cè)技術(shù)是觀測(cè)包括全球碳循環(huán)的最佳手段之一!
值得思考的是,無論是中國還是全世界,最先完成全球觀測(cè)網(wǎng)(19世紀(jì)中葉)、最先實(shí)現(xiàn)全球大氣圈環(huán)流數(shù)值模式模擬(20世紀(jì)中葉)的氣象和大氣科學(xué)學(xué)科,在人類走向以碳循環(huán)為代表的地球系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和模擬時(shí),如何將學(xué)科優(yōu)勢(shì)更充分發(fā)揮和拓展學(xué)科發(fā)展的領(lǐng)域。
本文對(duì)內(nèi)容繁雜、新理念頻出的LPS 2022會(huì)議的介紹,雖然僅僅是管窺,掛一漏萬,但還是揭示出了足夠的信號(hào):即ESA引領(lǐng)的歐洲EO活動(dòng),通過最新技術(shù)理念的提出和最先進(jìn)衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),已經(jīng)在全球展示了勃勃生機(jī),會(huì)以技術(shù)領(lǐng)先更明顯的優(yōu)勢(shì),在未來5~10年重新洗牌地球觀測(cè)技術(shù)和相關(guān)的學(xué)科、領(lǐng)域。
Advances in Meteorological Science and Technology2022年4期