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(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”（Living Planet Symposium，LPS）帶來一個清晰的信號：即氣象和大氣科學(xué)過去數(shù)百年時間里走出的主要針對地球大氣層的“觀測網(wǎng)+數(shù)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(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。

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(xué)會議，吸引了超過5000名參會者、240場科學(xué)會議和1300多個口頭報告，不僅打破了ESA活動的紀(jì)錄，更是在全球疫情態(tài)勢依然不明的情況下，歐洲學(xué)界的一次具有喚醒意義的學(xué)術(shù)活動。會議表明，當(dāng)世界來到全球應(yīng)對氣候危機(jī)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，在太空能最好地感知我們居住星球的脈搏（會議的副標(biāo)題），并幫助人類采取行動保護(hù)地球，使其繼續(xù)充滿活力。

1 活力星球會議主題領(lǐng)域?qū)Φ厍蚩茖W(xué)的新映射

LPS會前，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(nèi)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(lǐng)域（關(guān)鍵詞）

LPS的5個主題內(nèi)容的詳盡闡述，似乎已經(jīng)超出了一次學(xué)術(shù)會議對討論內(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，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(quán)、領(lǐng)導(dǎo)力和責(zé)任感。從本次會議所展示的學(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、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，更為天基遙感觀測重塑氣象和大氣科學(xué)，乃至整個地球科學(xué)學(xué)科未來5～10年的新格局提供機(jī)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(chǔ)

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(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、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(wù)無一例外地超出預(yù)期。EE一般選擇相對較小衛(wèi)星設(shè)計，著眼于地球環(huán)境研究所需的新技術(shù)的顯示。EE項目覆蓋大氣、生物圈、水圈、冰凍圈和地球內(nèi)部，強(qiáng)調(diào)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(jī)會”項目兩類，前者以科學(xué)意義為主導(dǎo)，后者則強(qiáng)調(diào)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(jī)會項目。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)行的四個項目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、磁場和大氣環(huán)流的關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)。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(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展人們對地球系統(tǒng)的知識。其中EarthCARE推進(jìn)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(guān)于森林在碳循環(huán)中作用的知識。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。

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(dá)21個項目響應(yīng)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(jīng)過評選FORUM（Far-Infrared-Outgoing-Radiation Understanding and Monitoring，遠(yuǎn)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(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(yuǎn)紅外電磁波，未能被測量到。為了填補(bǔ)這一空白，F(xiàn)ORUM將測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(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，項目瞄準(zhǔn)解決與海洋、冰和陸地動力學(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(guān)的變化，從而有助于風(fēng)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(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”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(yùn)動；當(dāng)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(fēng)、波浪、洋流并提供數(shù)據(jù)的項目，這些數(shù)據(jù)可以提高空氣和海表相互作用的認(rèn)識，再加上對海面熱差異和云運(yùn)動的測量，將實(shí)現(xiàn)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(jìn)行的EE-11候選項目競爭，是會議討論的一個重要興奮點(diǎn)，又因為4個項目涉及地球觀測的廣泛內(nèi)容，引發(fā)更為廣泛的關(guān)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(yù)計將在2023年秋天分出最終勝負(fù)。

圖2 EE-11的4個候選項目

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

CAIRT（changing-atmosphere infrared tomography，變化大氣紅外斷層）或成為是第一個在太空中使用傅里葉變換紅外成像技術(shù)的探測儀，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)有或計劃中的衛(wèi)星任務(wù)無法提供的關(guān)鍵觀測數(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)和動力學(xué)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(guān)，因此，該任務(wù)可以為氣候變化下重要的社會應(yīng)用和環(huán)境政策做出貢獻(xiàn)。

WIVERN（wind velocity radar nephoscope，風(fēng)速雷達(dá)觀測器）或成為世界上唯一可以測量云中的風(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)報模型中高影響天氣和危險預(yù)警的預(yù)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(wù)。Seastar將進(jìn)一步回答有關(guān)海洋動力學(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生產(chǎn)力相關(guān)的海氣相互作用。這些小尺度動力學(xué)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(dá)。

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(zhì)上，是技術(shù)和科學(xué)齊頭并進(jìn)。

3 氣象和大氣科學(xué)的新生長點(diǎn)：生態(tài)、水和碳循環(huán)的全面遙感數(shù)據(jù)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(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維度上的擴(kuò)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(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，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)。

3.1 MAAP：或?qū)⒀莼癁槿蛏鷳B(tài)環(huán)境模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)框架

多任務(wù)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(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是歐美兩個最強(qiáng)大的空間機(jī)構(gòu)ESA和NASA的一個合作項目，專注于提高對地球陸地碳動力學(xué)的理解。MAAP將提供一個具有與數(shù)據(jù)共存的計算通用平臺，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（EO）項目的數(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)的知識產(chǎn)權(quán)和共享問題。

3.2 衛(wèi)星多維度協(xié)同觀測：更持久、精細(xì)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(shù)據(jù)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(shí)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(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，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(shù)的一個最重要的標(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)星遙感探測技術(shù)，是最早并具有極大影響力的技術(shù)。在EE-10“和諧”項目中，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，試圖針對地表細(xì)微形變帶來類似無線電掩星技術(shù)量級的新技術(shù)創(chuàng)新，尤其值得期待。

3.3 數(shù)字孿生：吸引市場的新手段

本次會議數(shù)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(jī)構(gòu)ESA更是在多個報告中，提出了數(shù)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(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)因為直接與應(yīng)用對接，它對EO市場的促進(jìn)也不容小覷。

4 結(jié)果討論

本次會議表明，ESA要成為天基遙感的全球領(lǐng)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(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，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(xué)框架具有積極的學(xué)科發(fā)展意義

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，觀測無疑具有“第一推動”的意義和價值。為了更好地認(rèn)識LPS會議大量以觀測為視角的新進(jìn)步信息對學(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

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

本次會議的一個看點(diǎn)，就是ESA展示數(shù)十年來通過地球探索者（EE）系列項目取得的領(lǐng)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(zhǔn)科研，立項的主導(dǎo)是技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性和對前端研究的促進(jìn)。

● EE項目采用大約每3年一個階段的周期，通過發(fā)布招標(biāo)計劃方式，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，還不斷將EO的領(lǐng)域向地球各個圈層延伸。由于EE較少有業(yè)務(wù)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(wù)衛(wèi)星（如氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星）探測范圍的限制，從而在不同時期，讓EO達(dá)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(jié)果是讓業(yè)務(wù)能力受益最大化，其中源自EE項目的風(fēng)神衛(wèi)星走向業(yè)務(wù)化，就是例證。

4.3 在生態(tài)保護(hù)方面走在前面的歐洲，或?qū)⒗闷湫l(wèi)星遙感上的強(qiáng)大優(yōu)勢引領(lǐng)地球系統(tǒng)科學(xué)觀測、模擬和預(yù)測應(yīng)用的新范式

本次會議揭示了地球科學(xué)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(biāo)?！疤佳h(huán)”是目前認(rèn)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(jī)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(chǔ)和規(guī)范是無法回避的科學(xué)挑戰(zhàn)。本次會議表明：遙感探測技術(shù)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(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)測和模擬時，如何將學(xué)科優(yōu)勢更充分發(fā)揮和拓展學(xué)科發(fā)展的領(lǐng)域。

本文對內(nèi)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(lǐng)的歐洲EO活動，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)計和實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)在全球展示了勃勃生機(jī)，會以技術(shù)領(lǐng)先更明顯的優(yōu)勢，在未來5～10年重新洗牌地球觀測技術(shù)和相關(guān)的學(xué)科、領(lǐng)域。