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美国NASA地球科学事业(ESE)应用战略



2002—2012年应用战略

0   前言
“应用计划”通过推动国家航空航天局(NASA)资助的、借助于遥感系统的“观测”和来自于科学研究的“预测” 的实际应用来为NASA地球科学事业(Earth Science Enterprise,ESE)和国家服务。NASA通过与公众的、私人的和学术机构的合作关系来实施其研究计划。这些合作关系主要着眼于有关利用地球科学信息以提供能够在全国范围应用的决策支持的创新方法。
 ESE“应用战略”建立在ESE的研究计划和技术计划的战略和成果之上。ESE“研究战略”主要是回答了地球科学的一个核心科学问题和5个相关的科学问题:
地球系统是如何变化的?地球系统的变化对地球上的生命的后果是什么?
(1)地球系统是如何变化的?
(2)地球系统变化的主要原因是什么?
(3)地球系统是如何响应自然和人为变化的?
(4)地球系统变化对人类文明的后果是什么?
(5)我们如何预测地球系统的未来变化?
“ESE技术计划”通过利用创新的遥感技术,开发与轨道和亚轨道任务有关的先进的技术和手段以支持ESE的研究计划。目前,ESE提供的观测数据来自Terra、QuickScat、Landsat 7、Jason及其他卫星任务。ESE计划在2002年发射Aqua卫星、2003年发射Aura卫星。重力恢复与气候试验(GRACE)、云激光雷达和红外导航卫星观测(CALIPSO)以及Cloudsat等这些卫星任务为重点科学研究目标提供额外的测量。部分观测数据也可以通过购买获得,包括来自SeaWiFs的海洋彩色图像,来自IKONOS和QuickBird和其他私有部门的卫星的高分辨率光学图像,还有来自Landsat数据连续任务(LDCM)的土地覆盖数据。
本报告描述了“ESE应用计划”在2002—2012年期间的方向。基于NASA的远景和ESE的任务,本报告还介绍了计划的任务和目标,描述了计划的规划战略以及实施战略的概念,并且确定了对计划执行情况进行评价的衡量方法。该计划的远景、任务、目标和战略与高一级的指导原则相一致,并且与联邦其他机构的需求相一致,以满足它们支持美国国家政策的目标与计划。
1  远景、计划、任务和目标
1.1 NASA的远景
NASA战略规划(2000)将NASA的远景描述为:
NASA 是对美国未来的投资,作为探索者、倡导者和创新者,NASA极大地拓展了空中和太空地研究领域,以此鼓舞和服务美国,并使地球上的生活质量受益。
ESE应用计划对NASA远景的贡献在于:能够使公共、私有部门的机构及人员日常提供和应用地球科学信息,这些信息有助于提高决策水平以达到保护生命、保护资源和提高生活质量的目的。
ESE对NASA上述远景的贡献地一些特殊方面如:
•提供先进的和不断改善的空间观测数据来提高天气预报的准确率和时间范围;
•为联邦机构提供有关地球科学(如天气、气候和自然灾害)的适宜数据和信息,强化已有的成果并开发新的产品和服务,然后提供给各州、地方和部落的各级组织,以服务于公众。
•提供重要的地球科学观测、数据同化、研究和模拟结果,以满足与决策有关的天气、气候和自然灾害研究的需求。
NASA与其合作伙伴一起,把美国建成为有效利用地球科学信息和相关模型的国际基准国家。
1.2  ESE的传统工作和计划
NASA一直基于其与国家海洋与大气管理局(NOAA)合作的经验和传统,给NOAA进行天气预报的计算机模型提供星载观测数据。自1960年以来,NASA已经发展多颗空间卫星为NOAA提供天气预报的观测参数。NASA在天气观测仪器方面的先进技术,连同NOAA不断改进的天气预报模型模拟能力使得现在3天内的预报准确率达到了93%。1972年以来,NASA提供了Landsat系列卫星,可用于土地利用与土地覆盖的监测与制图。陆地卫星不断发展的全球陆地观测标准为美国地质调查局(USGS)、美国农业部(USDA)、国家图像与制图局(NIMA)以及世界各地的相关组织提供了决策支持。
未来10年中,NASA  ESE计划提高天气、气候和自然灾害等的预报的准确率,延长预报时间(表1)。准确率的提高主要依赖于对气候变率、大气组分、水循环变化、碳循环变化、生态系统变化以及岩石圈和自然灾害的科学研究。通过提高准确率,NASA将为资源配置、全球变化和自然灾害方面的国家政策制定与经济决策提供可靠的科学依据。

表1   ESE关于预测能力的规划

 

当前

2010年目标

 

 

天气

准确率为93%*3天预报;

准确率为62%*7天预报;

不能实现3天降水预报;

着地飓风速度为23 +/-400km

逐日空气质量预报。

准确率大于90%5天预报;

准确率为75%710天预报;

3天降水的常规预报;

着地飓风速度为23 +/-100km

2天空气质量预报。

 

气候

612个月的预测试验; E1 Nino的机理已清楚;

粗模型的10天气候预测,强迫和响应因子具有明显的不确定性的。

612个月的季预测;

1224月常规试验;

10年气候预测试验;强迫和响应因子的可信度达到中等至高等。

 

自然

灾害

地面变形的厘米级测量;

长期构造运动的准确描述,但欠缺短期地震预报能力;

火山活动的准确描述,但长期预测的准确性欠缺。

脆弱地区地表变形的连续观测,精度至毫米级;

改进地震和火山喷发预测的时间维;

改进对火山喷发后的灾害评估。

* 是指冬季北半球海平面气压的预报准确率

NASA也将利用其关于地球系统的数据和信息为业务部门服务。在NASA地球科学与NOAA的天气和气候监测机构共同为国家的天气预报和广播服务的同时,其他的业务用户则需要将数据和信息集成并打包成“系统”,以向公众提供可靠的信息产品服务。NASA确定具有相应信息基础设施的机构利用其地学研究结果,以满足森林火灾、海岸带环境、农业、传染病影响、航空安全、灾害预测等方面的观测需求。这些国家和国际性的需求将不断变化,NASA应用计划的实施将有助于为NASA满足这些不断变化的需求做出贡献。通过国家研究委员会(NRC)3年一次的综合评估,ESE计划对该应用战略予以年度更新。
作为美国全球变化研究计划(USGCRP)的组成部分,NASA通过提供地球系统的关键科学观测结果、数据同化、研究结果和模拟来支持科学研究和政策制定。NASA独一无二的空间地球观测也为国家科学基金会(NSF)、美国农业部(USDA)、国防部(DOD)、能源部(DOE)、内政部(DOI)、环境保护局(EPA)、卫生与人类服务部及国家卫生研究所(HHS/NIH)等的全球变化研究、固体地球和自然灾害方面的研究需求提供必要的服务。NASA的研究与观测结果也被世界气象组织(WMO)、联合国粮农组织(FAO)、联合国环境规划署(UNEP)、气候变化政府间专门委员会(IPCC)等国际组织用来进行国际科学评估。这些组织的知识与信息需求预期在未来10年中将持续地增长,这将为NASA的遥感技术、数据与计划的应用提供特别的机遇。
为了论证不断演变的地球系统科学知识的可应用性,NASA将与USDA、NOAA、DOD、DOE、DOI、EPA、HHS/NIH、联邦紧急管理局(FEMA)、工程兵部队(Corps)、NIMA、政府部门、其他联邦级组织以及各州、地方和部落的组织等开展合作。NASA及其合作伙伴通过拓展观测、数据处理、数据同化及模拟等方面的研究和发展,为决策所需的一系列空间信息需求提供优先性服务。
1.3  ESE和应用任务
正如ESE战略计划(2001)所确定的,NASA ESE的任务是:拓展对地球系统及其响应自然和人为引起的变化的科学理解,以使我们能够改善对当代和今后的气候、天气、自然灾害的预测。
与ESE的任务相一致,应用计划的任务是:拓展和加速实现地球科学、信息和技术的社会和经济效益。
实施应用计划的任务并实现其社会和经济效益,需要NASA及其合作伙伴致力于那些以公众为中心的、结果导向的、市场驱动的解决方法。如图1所示,能够使公众受益的“业务方法”和“应用”能够通过天气、全球气候变化和自然灾害的遥感和应用研究的相互联系的适当结果而实现。反过来,应用研究则建立在地球科学的基础研究和技术发展的基础之上。基础研究与开发、应用研究以及业务方法之间的关系是动态变化和相互演进的。NASA通过评价其提供观测、通讯和计算能力的业务和商业方法以评价其支持地球科学基础和应用研究的能力。来自生物地球物理科学(biogeophysical sciences)的同行评议研究为地球科学的基础与应用研究建立了基础。

图片1


1 地球科学金字塔


1.4  应用计划的目标
认识到环境变化的不可避免性,应用计划任务的重心是支持NASA的远景和ESE的任务的专门目标。这些目标应该灵活、有效地响应变化的环境变化,而且长期时间上应该协调一致,以鼓励经验的积累和对用户需求的了解。应用计划的主体目标是建立地球系统科学研究成果与数据和预测能力的应用之间的关系,以便在决策支持中得到可靠、持续的应用。应用计划的相关目标包括以下几个方面:
• 简化、综合地球系统科学数据与预测结果,以便政府在决策时采纳;
• 加强ESE和美国私有部门提供的数据集、通信、计算和模拟能力的可利用性、互操作性及效用,以服务于具体应用和研究。
• 形成公众为中心的、结果导向的、市场驱动的项目结果的原型、准则、评估结果和文件。
• 使项目结果作为制定政策和业务应用的基准,并通过联邦政府、州、地方以及部落组织使用而受益于民众。
2  应用计划的规划战略
对实现NASA远景、任务和目标至关重要的计划规划战略,主要是确定并选择国家最优先的需求和机会。在这方面,国家需求包括由联邦政府的执行机构和立法机构确定的研究建议,以及为支持联邦机构任务而执行的国家计划,以及与州、地方和部落组织相关的国家计划。ESE数据和预测能力的潜在应用范围很广。为了系统地从国家利益出发确定应用优先领域,ESE将其应用战略的规划分为3个阶段。
2.1  候选应用项目的遴选
NASA ESE领导小组根据其潜力和服务的目前的国家需求确定候选应用项目。ESE选取候选应用项目主要看其是否具有以下特点:
•由执行和/或立法部门确定的国家优先计划;
•由一个或多个联邦机构参与实施的国家计划;
•证实具有应用地球科学、遥感研究及其成果的潜在需求;
•依据明确的度量标准,项目具有明显的社会和经济价值,例如生活质量的提高、潜在的生命保护、经济或资源的节约。
ESE在说明候选应用项目时用了一个系统的“路线图”来反映地球系统科学、ESE和其他组织实施的遥感活动及相关技术、潜在应用、期望的结果及预期影响之间的关系。NASA与客观的第三方一起工作,利用已经建立的准则和标准对候选应用计划进行独立的评估。
2.2  应用项目的优先性/选择
应用与ESE研究战略相一致的评判标准,ESE对候选应用项目进行再次评估。候选应用项目的评估与联邦预算过程的跨年度活动安排计划相一致。优先候选应用项目的评判标准如下(按优先顺序排列):
•社会经济价值。预期的社会和经济效益评估,如公共安全与健康、国家安全、环境质量、经济衰退与发展、人口影响以及其它相关因子。评估的依据是进行独立的价值/效益分析,该分析主要是估计可能的社会经济价值的范围。
•应用项目的可行性。主要对用户是否能将地球科学和技术的应用成果应用到业务运行环境的评估。审查中应考虑开发和实施一项应用项目所需的时间。应用项目的可行性界定是确定具体的信息授权或具体的决策支持系统从该应用项目得到的知识、数据和/或技术定义和建议所能获得的效益。
•有关监督。政府和/或国会对计划或项目的评审,指导NASA支持ESE实现其任务、目标。政府和/或国会指导资源可能包括总统执行办公室、立法、法令、预算需求,及其他行政指导。
•对NASA的适宜性。应用项目充分利用NASA独一无二的充足的资产及其技术能力,而不能由其他政府机构和私人团体有效实施的程度。
•合作机遇。应用项目开展的过程中能够与合作伙伴,尤其是与联邦机构的合作程度。建立合作伙伴关系的目的是形成资源的杠杆效应,并与公共和私人合作者建立将ESE成果转为有效业务应用的协议。
•科学和技术准备。科学和/或技术能够被开发至成熟水平的程度,这对于示范应用以及公共和私有研究机构采用研究成果是至关重要的。
•项目平衡。需要在应用领域(群落增长、环境评估)以及投资风险的类型、等级之间进行系统性地平衡应用项目的投资收益。
•成本/预算关系。根据可利用的预算和基金,对ESE的成本、限制因素和研究方向进行评价和分析。应用计划力求确保将项目的财政风险控制在可以接受的范围内,并且可以依靠潜在的成本节约或改进的用户决策来达到平衡。
每个财政年度,NASA都根据可以得到的基金数额确定对哪些优先应用项目进行投资。NASA也用同样的标准来评估应用计划执行优先应用项目的能力。
2.3   应用项目的确定/选择
在实施每个应用项目过程中,ESE都建立了现有科学技术能力与具体应用需求之间的联系。为了确立这种联系,NASA与它的合作伙伴协作制定了一个项目计划,说明了运用一些必要步骤验证合作组织持续执行这一项目的可行性的系统方法。这个阶段确定能完成应用项目规划确定的技术和/或商业难题的适宜的研究手段和组织机构。NASA提出需求以填补系统工程支持和项目征集间空白的需求,这些项目为公众、科研院所和私立部门等团体提供了解决问题的机遇。NASA在评估征集到的项目建议时运用与前面所述同样的优先标准。NASA为应用项目实施的所有阶段都编制了文件,并将有关过程和结果的文件公布于众。
3  计划实施的概念
本节叙述了实施应用



摘自:《地球系统科学发展战略研究》