天基遙感觀測如何改變地球科學的面貌
——ESA活力星球2022年研討會評介

譚娟 樊奕茜 賈朋群

EE-11的4個項目的競爭，也開啟了ESA的FutureEO計劃。在這個嶄新的階段，所有成功立項的項目都需要具有一個共同的特征——本質上，是技術和科學齊頭并進。

歐洲空間局（ESA）2022年5月召開的“活力星球學術研討會”（Living Planet Symposium，LPS）帶來一個清晰的信號：即氣象和大氣科學過去數百年時間里走出的主要針對地球大氣層的“觀測網+數值模擬”發(fā)展之路，或借助地球觀測（EO）能力的快速提升，將在地球多個圈層，乃至整個地球系統(tǒng)語境下，加快實現地球環(huán)境中更多要素，可以像天氣一樣進行診斷和預報。

LPS于2022年5月23—27日在德國波恩以線下會議方式舉辦。這次每3年舉辦一次的地球科學會議，吸引了超過5000名參會者、240場科學會議和1300多個口頭報告，不僅打破了ESA活動的紀錄，更是在全球疫情態(tài)勢依然不明的情況下，歐洲學界的一次具有喚醒意義的學術活動。會議表明，當世界來到全球應對氣候危機的關鍵節(jié)點時，監(jiān)測地球系統(tǒng)的變化比以往任何時候都更加重要。EO衛(wèi)星所處的太空，是監(jiān)測地球環(huán)境的最佳地點，在太空能最好地感知我們居住星球的脈搏（會議的副標題），并幫助人類采取行動保護地球，使其繼續(xù)充滿活力。

1 活力星球會議主題領域對地球科學的新映射

LPS會前，主要依靠來自ESA和兩家重要協(xié)辦機構歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）和歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）專家的智慧，全面給出了會議的5個主題（表1）所涵蓋的分會內容。會議的5個主題，全面闡述了我們所在的活力星球的方方面面。

表1 LPS會議的5個主題及延伸領域（關鍵詞）

LPS的5個主題內容的詳盡闡述，似乎已經超出了一次學術會議對討論內容的學術領域劃分。例如，“了解地球系統(tǒng)”主題的一些領域細節(jié)和參考5個主題之完整技術體系，在更廣泛科學意義上，是全球面臨百年未有之大變局、地球多圈層挑戰(zhàn)層出時歐洲學者的集體回應：一方面，學界以EO為代表，在試圖用更多樣化、更精確和更完善的科學語言、架構來面對挑戰(zhàn)；另一方面，當傳統(tǒng)地學領域融入全新的地球系統(tǒng)科學理念時，以EO為技術抓手，5類主題及其研究、開放領域的劃分，也不失為一套接近完整的面向未來地學研究發(fā)展的一套EO經緯路線圖。

借助LPS會議，主辦方歐空局也順勢提出了未來三年及以后雄心勃勃的計劃，以增加歐洲在太空的自主權、領導力和責任感。從本次會議所展示的學術信息來看，ESA擁有大量高水平的學者，尤其是在地球不同圈層結合處，這些學者引領和提出了大量觀測、模擬和應用選題，為ESA未來獨樹一幟的發(fā)展埋下伏筆，更為天基遙感觀測重塑氣象和大氣科學，乃至整個地球科學學科未來5～10年的新格局提供機遇。

2 歐洲EE“9+1+4”衛(wèi)星格局 最先打下完整天基多圈層監(jiān)測平臺的基礎

ESA開發(fā)的衛(wèi)星項目按照功能劃分為幾個類別，其中偏向于研究的地球探索者（Earth Explorers，EE）項目是本次會議最引人關注的內容之一，EE研發(fā)的“9+1+4”模式：即已經完成或確定的9項、正在決策中的1項（圖1）和將要選擇的4（選1）項衛(wèi)星項目。

圖1 ESA的地球探索者項目

自2009年第一個EE衛(wèi)星成功發(fā)射以來，這些任務無一例外地超出預期。EE一般選擇相對較小衛(wèi)星設計，著眼于地球環(huán)境研究所需的新技術的顯示。EE項目覆蓋大氣、生物圈、水圈、冰凍圈和地球內部，強調對不同圈層系統(tǒng)之間相互作用及人類活動對這些地球自然過程的影響。

EE項目又被分為“核心”項目和投入較低的“機會”項目兩類，前者以科學意義為主導，后者則強調投入不多的高效益項目。核心項目的例子包括GOCE、Aeolus和EarthCare等，而SMOS、CryoSat和Swarm劃為機會項目。重要的是，EE為開發(fā)業(yè)務衛(wèi)星打下了良好基礎。

EE-1于2013年完成，該項目以前所未有的細節(jié)繪制了地球引力的變化。目前在運行的四個項目SMOS、CryoSat、Swarm和Aeolus，提供了關于土壤濕度和海洋鹽度、地球冰凍圈變化、磁場和大氣環(huán)流的關鍵測量數據。2023年及以后發(fā)射的下一代EE項目，將利用開創(chuàng)性的太空技術進一步擴展人們對地球系統(tǒng)的知識。其中EarthCARE推進對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將測量全球森林碳，以增加關于森林在碳循環(huán)中作用的知識。FLEX任務將提供有關光合作用的信息，以闡明地球植被的功能。

2.1 EE-9：地球也是一個輻射體

為了爭取在EE 9中立項，多達21個項目響應ESA于2015年發(fā)出的提交概念模型邀請，展示了豐富的地球探測不同要素的創(chuàng)新方案。經過評選FORUM（Far-Infrared-Outgoing-Radiation Understanding and Monitoring，遠紅外射出輻射理解和監(jiān)測）勝出。該項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估的準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動的，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。超過一半的長波能量是在遠紅外電磁波，未能被測量到。為了填補這一空白，FORUM將測量地球電磁波譜的遠紅外部分。這將填補當前氣候變化中長波輻射和海氣相互作用的測量空白。

2.2 EE-10：“和諧”創(chuàng)造地球環(huán)境的更多和諧

為了爭取EE第10個項目，3個項目于2018年9月進入第一次可行性研究。ESA最終選擇了Harmony（和諧）進入下一階段的開發(fā)。Harmony由兩顆衛(wèi)星組成并將與哥白尼Sentinel-1衛(wèi)星一起在軌道上運行，項目瞄準解決與海洋、冰和陸地動力學相關的科學問題，即如研發(fā)機構TU Delft在會議報告的題目所言：解決地球系統(tǒng)的壓力。Harmony將測量地表形狀的微小變化，例如與地震和火山活動有關的變化，從而有助于風險監(jiān)測。它還將允許研究冰蓋快速變化的邊緣區(qū)域冰川的3D變形和流動動力學，以便更好地了解海平面上升。如果ESA在2022年秋季做出全面實施的決定，兩顆“和諧號”衛(wèi)星還將攜帶多波束熱紅外儀器，在云層存在的情況下，儀器能夠測量高分辨的云層運動；當天空沒有云時，多光束熱紅外儀器將測量海面溫差。該衛(wèi)星還將是第一個同時測量風、波浪、洋流并提供數據的項目，這些數據可以提高空氣和海表相互作用的認識，再加上對海面熱差異和云運動的測量，將實現前所未有的海洋大氣邊界層的視圖。

2.3 EE-11：4個候選方案，個個精彩

LPS會議期間正在進行的EE-11候選項目競爭，是會議討論的一個重要興奮點，又因為4個項目涉及地球觀測的廣泛內容，引發(fā)更為廣泛的關注（圖2）。這4個項目是從2020年5月征集得到的15個概念模型的競爭中勝出的4個，預計將在2023年秋天分出最終勝負。

圖2 EE-11的4個候選項目

4個項目觀測的目標分別是大氣動力層結、大氣成分、海洋小尺度動力和全球風云及降水等，LPS會議特別設了分會場（EE-11候選項目：下一個十年的科學），請4個候選項目介紹“0階段”進展，而分會場的主題，無疑是會議主辦機構希望借助這些候選項目的設計思想，引領未來EO前沿。

CAIRT（changing-atmosphere infrared tomography，變化大氣紅外斷層）或成為是第一個在太空中使用傅里葉變換紅外成像技術的探測儀，將關注與大氣環(huán)流、成分和區(qū)域氣候變化之間相互的影響，提供現有或計劃中的衛(wèi)星任務無法提供的關鍵觀測數據，以便在了解5～120 km高度范圍內的氣候變化、大氣化學和動力學之間的聯(lián)系。

Nitrosa（氮衛(wèi)星）測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，因此，該任務可以為氣候變化下重要的社會應用和環(huán)境政策做出貢獻。

WIVERN（wind velocity radar nephoscope，風速雷達觀測器）或成為世界上唯一可以測量云中的風，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。該任務將提高天氣預報模型中高影響天氣和危險預警的預測，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。Seastar將進一步回答有關海洋動力學和小規(guī)模海洋過程的科學問題，有助于理解與海洋食物鏈的初級生產力相關的海氣相互作用。這些小尺度動力學對于石油和塑料污染的部分也很重要。該衛(wèi)星將攜帶一個雙天線沿軌干涉測量雷達。

EE-11 的4個項目的競爭，也開啟了ESA 的FutureEO計劃。在這個嶄新的階段，所有成功立項的項目都需要具有一個共同的特征——本質上，是技術和科學齊頭并進。

3 氣象和大氣科學的新生長點：生態(tài)、水和碳循環(huán)的全面遙感數據和模擬能力

LPS會議從天基遙感角度，重新審視和梳理了氣象和大氣科學與地學其他學科在交叉界面上的碰撞、碰撞可能帶來深度和廣度兩個維度上的擴展，會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)流模式數字智慧的碰撞，或許讓生態(tài)、水和碳循環(huán)等領域與大氣科學有了更緊密聯(lián)系在一起的機會，全面遙感數據和模擬能力最有可能讓地球系統(tǒng)科學真正走向統(tǒng)一、面向多圈層數據。

3.1 MAAP：或將演化為全球生態(tài)環(huán)境模擬數據的基礎框架

多任務算法與分析平臺（Multi-mission Algorithm and Analysis Platform，MAAP）在LPS國際合作主題分會的第一個報告中被提出，具有共享數據、建立數據標準和規(guī)范、共享算法（軟件）和眾籌挖掘可視化和數據產品等多重意義。MAAP是歐美兩個最強大的空間機構ESA和NASA的一個合作項目，專注于提高對地球陸地碳動力學的理解。MAAP將提供一個具有與數據共存的計算通用平臺，以及為支持這一特定研究領域以及解決與提高數據速率相關的問題和加強開放數據政策而開發(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（EO）項目的數據。

MAAP的目標包括：1）使研究人員能夠輕松發(fā)現、處理、可視化和分析來自兩個機構的大量數據；2）提供工具和基礎設施，將數據引入同一坐標參考框架，以實現比較、分析、數據評估和數據生成；3）提供支持工具、共存數據和處理資源的版本控制的科學算法開發(fā)環(huán)境；4）解決與協(xié)同算法開發(fā)和數據和算法共享相關的知識產權和共享問題。

3.2 衛(wèi)星多維度協(xié)同觀測：更持久、精細展示地球環(huán)境變量

會議介紹了地球觀測衛(wèi)星協(xié)同觀測的意義。在持續(xù)提供數據方面，針對海平面變化的衛(wèi)星觀測項目接力，堪稱典范之一。而在兩個以上衛(wèi)星項目之間相互借力，實施更精確觀測（如海冰觀測）及和國家項目之間的協(xié)同，都給出了針對衛(wèi)星協(xié)同觀測的各自解讀。

這些協(xié)同中最值得關注的，是不同衛(wèi)星或衛(wèi)星星座之間的系統(tǒng)，其產生的新觀測，尤其是依靠單個衛(wèi)星項目很難完成的環(huán)境變量的新觀測方法，是遙感換代技術的一個最重要的標簽。借助GPS衛(wèi)星星座和掩星已經發(fā)展成熟的無線電掩星大氣廓線衛(wèi)星遙感探測技術，是最早并具有極大影響力的技術。在EE-10“和諧”項目中，該衛(wèi)星將與已經業(yè)務化的哨兵衛(wèi)星同步軌道上運行，試圖針對地表細微形變帶來類似無線電掩星技術量級的新技術創(chuàng)新，尤其值得期待。

3.3 數字孿生：吸引市場的新手段

本次會議數字孿生這一相對較新的理念，幾乎貫穿了各個分會場。會議主辦機構ESA更是在多個報告中，提出了數字孿生概念對EO的重要性：即成為地球觀測的新維度的根基，同時已經在一些領域（水文、極地、水循環(huán)和冰雪圈等）率先得到了應用。尤其是，數字孿生技術因為直接與應用對接，它對EO市場的促進也不容小覷。

4 結果討論

本次會議表明，ESA要成為天基遙感的全球領先者。從ESA不長的歷史總計約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衛(wèi)星來看，作為引領者，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)務衛(wèi)星和探索衛(wèi)星雙軌優(yōu)勢，再加上哥白尼項目錦上添花，歐洲地球觀測借ESA走到世界前列，完全有可能。

4.1 本次會議揭示的ESA EE項目的科學框架具有積極的學科發(fā)展意義

氣象和大氣科學，無論從歷史發(fā)展過程，還是未來進步的走勢，觀測無疑具有“第一推動”的意義和價值。為了更好地認識LPS會議大量以觀測為視角的新進步信息對學科發(fā)展的意義，以中國自然科學基金率先在地學領域推出的大氣科學編碼（D05）為視角，審視LPS主題對學科的滲透（圖3）。從結果中可以看到，更多的氣象和大氣科學學科新增長點（析出關鍵詞），以及學科與地學乃至更廣泛學科交叉、碰撞，提出或啟發(fā)了新的科學問題。

圖3 用中國國家自然科學基金“大氣科學”編碼掃描LPS相關領域

4.2 ESA 在其發(fā)展框架中設置EE系列具有促進研究和借助市場智慧的效果

本次會議的一個看點，就是ESA展示數十年來通過地球探索者（EE）系列項目取得的領先于世界的地球觀測能力和令人激動的未來發(fā)展計劃。

● EE項目瞄準科研，立項的主導是技術可實現性和對前端研究的促進。

● EE項目采用大約每3年一個階段的周期，通過發(fā)布招標計劃方式，吸引研究機構和商業(yè)公司參與投標，在貢獻最新技術的同時，還不斷將EO的領域向地球各個圈層延伸。由于EE較少有業(yè)務人員參與其中，這些項目，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)務衛(wèi)星（如氣象業(yè)務衛(wèi)星）探測范圍的限制，從而在不同時期，讓EO達到極限。

● 如其名稱所言，EE項目以探索姿態(tài)開展創(chuàng)新活動，其結果是讓業(yè)務能力受益最大化，其中源自EE項目的風神衛(wèi)星走向業(yè)務化，就是例證。

4.3 在生態(tài)保護方面走在前面的歐洲，或將利用其衛(wèi)星遙感上的強大優(yōu)勢引領地球系統(tǒng)科學觀測、模擬和預測應用的新范式

本次會議揭示了地球科學發(fā)展的一個顯著新趨勢，即通過“碳循環(huán)”將地球系統(tǒng)統(tǒng)一起來的趨勢。而圍繞碳循環(huán)天基平臺能做什么，幾乎是本次會議唯一的共同目標?！疤佳h(huán)”是目前認識到的地球系統(tǒng)中貫穿幾乎所有圈層的“大氣”和“水”以外的又一個重要機制，但是，碳循環(huán)的觀測困難重重。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基礎和規(guī)范是無法回避的科學挑戰(zhàn)。本次會議表明：遙感探測技術是觀測包括全球碳循環(huán)的最佳手段之一！

值得思考的是，無論是中國還是全世界，最先完成全球觀測網（19世紀中葉）、最先實現全球大氣圈環(huán)流數值模式模擬（20世紀中葉）的氣象和大氣科學學科，在人類走向以碳循環(huán)為代表的地球系統(tǒng)監(jiān)測和模擬時，如何將學科優(yōu)勢更充分發(fā)揮和拓展學科發(fā)展的領域。

本文對內容繁雜、新理念頻出的LPS 2022會議的介紹，雖然僅僅是管窺，掛一漏萬，但還是揭示出了足夠的信號：即ESA引領的歐洲EO活動，通過最新技術理念的提出和最先進衛(wèi)星系統(tǒng)的設計和實現，已經在全球展示了勃勃生機，會以技術領先更明顯的優(yōu)勢，在未來5～10年重新洗牌地球觀測技術和相關的學科、領域。