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NOAA 研究与开发愿景领域:2020-2026 发布日期 :2024-04-07  
♦编译
  此为期 7 年的 NOAA 研究与开发愿景领域(愿景)阐述了 NOAA 2020-2026 年研究开发活动的重点和指南。该愿景为 NOAA 的研究开发指出了方向,并有助于采取积极行动来调整NOAA 的资源、预算和职能活动,以实现既定目标。研究与开发是 NOAA 各类科学评估、预报能力、环境传感器和技术推进以及与利益相关方及国际组织交流合作的基石。
  愿景领域包括以下三个方面:
  1. 减轻危险天气及其他环境现象对社会的影响
  2. 海洋及沿海资源的可持续利用和管理
  3. 健全有效的研究、开发和转化事业
  NOAA 将以此文件用于规划项目并确定项目优先级,同时指导 NOAA 在其所资助研究开发领域的投资。因此,本愿景为横跨七年的预算期,涵盖本年度目标、来年的目标、预算年目标及其后四年计划期的目标。NOAA 在研究开发工作的成功率取决于国会的拨款(图 1)。NOAA 各部门的年度指导和运营计划会根据预算现实和新兴需求记录本愿景的实施情况,NOAA 研究与开发数据库和 NOAA 年度科学报告中也会加以记录。

愿景领域 1. 减轻危险天气及其它环境现象对社会的影响
  此愿景的研究开发侧重于影响社会的环境现象。它还包含旨在更好地了解人们如何判读和评估 NOAA 预报和预警的社会科学,从而对天气、水和气候相关事件作出准备和应对。所涉物理现象包括局部发生的极端天气(例如热浪、北极寒流、龙卷、飓风、洪水及干旱)到全球尺度气候变率(例如全球平均温度、海平面上升、海冰、海洋变暖和酸化)再到太阳变率引起的空间天气(例如地磁暴、电离层扰动以及高能粒子辐射)。NOAA 保护生命财产的能力得益于它了解风险信息通报会如何促进社会对灾害天气预报和环境现象变化预报作出响应。NOAA 依靠州、地方及部落的应急管理部门、水资源管理部门及其它政府机构为其各社区做出明智的决策。优化 NOAA 的风险信息通报有助于做出明智的决策并积极地应对风险,从而促进社会和经济产 出,建立起天气常备型国家。

1.1 如何改进对危险天气及其它环境现象的预报和预警?
  目标:
  • 基于团体共同开发,结合高性能计算的进步以及对过程的了解,开发和运行下一代天气和地球系统统一模式。
  • 发展各时间尺度和各流域尺度的综合物理及生态水集成模拟和预测,并具备有助于为决策提供依据所需的适当时效性、分辨率、可靠性和准确性。
  • 将水质(包括温度、盐度、溶解成分和悬浮成分)纳入到具备相关决策支持服务的综合水预测能力中。
  • 对影响危险天气的发生和严重程度的次季节和季节(S2S)条件作出可靠及时的基本预报,并推进对 S2S 时间尺度高影响事件的归因。
  • 提供快速、准确检测和测量海啸生成事件的方法,并为促进社区备灾及保障港口运营提供基于模式和测量的海啸预报能力。
  • 促进了解旨在完善对流尺度表示法的数据同化方法并优化对特定对流灾害的预测能力。
  研究亮点:
  有限体积立方球面动力核心(FV3)是可扩展和灵活的天气及气候模拟动力核心,NOAA正在将它纳入其业务预报系统。FV3 是统一预报系统(UFS)的核心,而 UFS 是 NOAA 正用于研究和业务的社区模拟框架。2019 年,NOAA 将首个 UFS 实例用于其名为全球预报系统(GFS)的业务模拟套件。除了 GFS 之外,NOAA 正在升级其全球集合预报系统(GEFS),该系统将在 2020 年夏季与全球海浪和气溶胶预报相结合,采用更高分辨率(25 米)的相同FV3 动力核心,并将集合预报数量从 21 个增加至 31 个,同时将预报时间从 16 天延长至 35天。FV3 动力核心的主要优点是其在云端解析 1 公里及以上分辨率的天气预报能力。NOAA正在利用这种可扩展性,采用单兵区域(SAR)配置外加多个可移动群组,以满足 UFS 框架内改进精细尺度和短期预报的需求。目前正在利用 FV3 进行研究开发,以显著提高 NOAA 准确预测强风暴、飓风和冬季风暴事件的能力。
1.2 全球气候状况如何?气候变化会如何影响局地天气,包括极端事件、环境灾害以及水质及其利用率?
  目标:
  • 推进对各尺度气候变率和变化的研究,重点是天气极端事件和沿海洪水的影响以及淡水资源、海冰范围和海洋条件的变化。
  • 推进关于海洋-冰冻圈-气候过程的研究,并将其纳入气候和天气模式,以及同化海洋/冰冻圈观测。
  • 推进关于地球系统中大气化学、成分以及过程的研究,并量化其对空气质量、气候和天气系统的影响。
  • 评估地球系统内部变率、自然辐射强迫(例如,太阳变化、火山喷发、耦合的海洋-大气-冰-陆地变率)以及不断变化的辐射强迫(来自温室气体和气溶胶)在导致气候系统季节到年代际变化中的作用,包括极端事件。
  • 确定美国各纬度、经度、海拔和地形的实测区域和季节趋势差异(例如温度、降水、能见度、风、气溶胶、云)的起因,以改进尤其是对极端事件的预测和预估。
  • 加强对北极气候和生态系统变化的基本了解和检测能力。
  • 促进了解所有时间尺度气候现象对人类健康的影响(例如高温、与病媒有关的疾病、空气质量和水质)。
  研究亮点:
  NOAA 研究与开发引领了“第四次国家气候评估”,此评估报告是美国跨机构全球变化研究计划的成果。评估报告综合了对未来温度、降水、海平面上升、大尺度气候变率、极端风暴、北极变化以及海洋酸化的观测和预估。评估报告中的预测和预估为规划和减缓努力提供了依据。在国家气候评估的进程中,每一步都体现出 NOAA 的持续研发贡献:用于气候模式的二氧化碳长期观测资料、预测未来状况的气候模式,以及与各地区、州和当地社区合作谋划应对和减缓预估的影响。
1.3 如何提升空间天气产品和服务的效用?
  目标:
  • 开发新型通信、导航和辐射产品,以满足国际民航组织(ICAO)的需求,并建立空间天气预测中心(SWPC)作为 ICAO 全球空间天气中心。
  • 将全大气模式 – 电离层等离子体层电动力学(WAMIPE)模式向业务运行过渡,并为通信和导航客户提升产品规格和促进预报。
  • 为即将到来的人类探索计划、卫星运行以及商业空间运输改进辐射-环境产品。
  • 与机构间伙伴及国际伙伴协调,落实国家空间天气战略和行动计划,以推进 NOAA产品和服务以及国家备灾。
  研究亮点:
  空间天气预测中心正在引入大气-电离层耦合模式(WAM-IPE)来预测高层大气和电离层的动力状态。该模式将涵盖在低层大气中生成并向上传播的干扰,以及太阳活动从上方驱动的干扰。该模式将能够更准确地预测那些影响通信、导航和卫星定轨及防碰撞的电离层扰动和高层大气扰动。
1.4 NOAA 如何强化通信、产品及服务来保障作出明智的决策?
  目标:
  • 评估人们如何接收、判读、感知和响应涉及保护性行动决策方面的天气、水、气候和空间信息,尤其是预警。
  • 确定和实施最佳的预测性信息内容,包括风险阈值、不确定性、概率信息以及时效,以便设计出能够有助于决策且最大程度提高预报有效性的产品和服务。
  • 促进了解决策需求、能力以及天气、水、气候和空间天气信息的使用。
  • 利用社会和行为科学评估和了解对预报员的认知要求,了解预报员的业务决策环境,以优化新型建模工具和技术的可用性。
  • 促进将社会科学、行为科学和经济科学纳入天气、水和气候研究开发中,以便了解如何将预报进展与社会需求和响应相融合。
  研究亮点:
  预报连续的环境威胁(FACET)是天气监视和预警过程的一种新范式。在这种新范式下,天气预报员可利用在有新信息时可快速更新的“威胁网格”来通报公众对危险天气的脆弱性,并可更加准确地监视和预警。社会科学和行为科学可被纳入 FACET 研究开发,因为危险天气预报是人为人类所做的物理科学。例如,通过研究概率和强度在如何阐释极端天气风险方面的重要性,NOAA 已开展了基线研究,以便能够更好地了解这些更精确监视和预警如何影响人们的行为。这些研究结果将用于设计更方便用户的风暴信息以保护生命财产安全。 
愿景领域 2. 海洋及沿海资源的可持续利用和管理
  此愿景领域的研究与开发是检测生态系统的生物/地质/化学(生地化)要素,包括物理现象对生地化过程的影响,以及反之生地化对物理领域的影响。人类是生态系统的一部分,能够并且确实改变着地球的生地化和物理方面;因此,在这些必须加以了解的领域之间存在着重要的相互联系。为了更好地了解生态系统,NOAA 需要拓展知识、开发工具和技术,以便了解、保护和恢复沿海及海洋生态系统并开展基础研究。对这些资源的管理可在保护与可持续利用之间取得平衡,例如既保障生存,又开展娱乐性和商业性捕鱼,既创造娱乐机会,又开展可再生能源生产和海上贸易。整体是要能够了解相关决策对各界的社会经济影响。

2.1 如何利用知识、工具和技术更好地了解、保护和恢复生态系统?
  目标:
  • 开发和使用新兴技术,例如无人驾驶的空中、水下和地面运载工具、eDNA、被动和主动声学测绘,以提升调查能力并提供关键海洋渔业、受保护物种种群及其栖息地的更准确、精确的天气信息。
  • 利用新兴技术改进生物质和死亡率估算以及应对测量和过程的不确定性,并在现有调查中增加环境采样。
  • 增进对大气、海洋、冰冻圈和陆基强迫所致环境变化的机制及其对海洋物种和生态系统的综合影响等方面的知识和了解(例如,包含传统生态知识)。
  • 开发分析模式和工具,用以了解和量化环境变化对大型海洋生态系统和相关物种(包括受保护物种)的影响。
  • 改进和推广现有及创新的沿海及海洋生态系统恢复技术(例如在受损珊瑚礁上进行珊瑚繁衍和种植)。
  • 拓展对生态系统和生态系统组成部分变化的预测能力,以应对环境驱动因素(例如,气候、极端天气、污染、酸化、改变的生境)。
  研究亮点:
  NOAA 正在开发先进的无人飞机系统(无人机)技术,以改变对海洋哺乳动物调查的方式。NOAA 研究人员已与 GeoThinkTank 和康涅狄格州米斯蒂克水族馆合作开发无人机技术,用于调查阿拉斯加普里比洛夫群岛北方海狗幼崽。它们正在结合视觉成像和热成像(多光谱)来区分海豹幼崽和多岩石海岸线。2018 年收集的现场数据将加以分析,以便将这一新兴技术与标准的海狗幼崽调查技术进行交叉校准,并确定关于开发定制无人机加载传感器的后续措施。除了减少对海狗群落造成干扰和风险之外,这一先进技术的成功开发还有可能降低完成年度调查所需的成本和人员数量。
2.2 如何在维系健康和多样的生态系统的同时满足土著捕捞、休闲捕捞和商业捕捞各群体的需求?
  目标:
  • 编写下一代渔业和受保护物种存量评估报告,涵盖环境变化和气候变化对存量动态的影响,同时结合空间特定的生境质量模式,以便在保育受保护物种的同时优化可持续的商业捕捞、休闲捕捞和维生捕捞。
  • 改进支持海产品监测的分析方法和技术,旨在记录和防止非法捕捞的鱼类进入美国港口和市场,并实现全球可持续渔业。
  • 制定安全有效的方法来监测和防止附带捕捞那些可导致商业和休闲渔业关闭的非目标物种,包括鱼类、海洋哺乳动物以及海龟。
  • 制定环境和社会指标,从而促进对生态系统的进一步了解以及促进可持续沿海发展和休闲捕捞。
  研究亮点:
  2001 年发布了首个 NOAA 渔业资源存量评估改进计划(SAIP)。自此,每年完成的渔业资源存量评估次数从 2001 年的 50 次增加到 2015 年的近 190 次。在同一时期,过度捕捞后的存量(年捕捞率过高)或过度捕捞的存量(种群规模过低)分别下降了 30%和 24%。2018 年发布了下一代(NG)SAIP。NGSAIP 呼吁进行“更全面和与生态系统相关联的”评估,而且要利用“创新的科学和技术进步来改进数据”开展存量评估。鉴于气候变化影响着生态系统,存量评估要阐明非平衡的生态系统状况、存量资源生产力的变化、捕捞对多重叠加存量的累积影响以及社会经济驱动因素。虽然这可通过扩大评估范围和用于评估的数据量来实现,但这必须根据机构资源的情况量力而行,而且要阐明不确定性。目前需要对评估数据进行更直接的校准以及开展更多的研究,从而更好地了解和阐释鱼类资源的动态及这些动态的物理、生物和社会经济驱动因素。
2.3 如何加快美国可持续的水产养殖增长?
  目标:
  • 开发各种模式、编写各种手册以及开发多种新技术(例如,eDNA),以更好地确定适于水产养殖的海洋空间、保护自然生态系统及最大限度减少空间使用冲突。
  • 促进了解和开发各类工具来管理水产养殖对海洋环境、物种、生境的影响,包括可最大限度减少水生动物间疾病传播的措施。
  • 开展关于促进水产养殖(鱼类遗传学和应用基因组学、选育、疾病和孵化场饲料)以及了解环境变化对水产养殖影响的研究。
  • 开发和改进各项技术(例如,海洋水产养殖饲料、自动化系统),以降低成本。
  研究亮点:
  NOAA 为促进水产养殖实践和成功开展研究,并为了监测和应对腐蚀性条件,资助开发更好的技术用于贝类水产养殖业。例如,NOAA 研究人员帮助确定了涌升和海洋酸化所致的碳酸盐化学变化是 2005 年至 2007 年太平洋西北地区孵化场牡蛎幼体无法生长,从而给产值3500 万美元的牡蛎产业造成影响的原因。NOAA 研究人员与华盛顿州、大学和产业界合作伙伴合作,确定低 pH 值水涌入孵化场使牡蛎幼体难以成壳,导致大量牡蛎死亡。研究人员一起想出了在低 pH 值水中牡蛎养殖解决方案,包括用海洋观测系统监测入流水的 pH 值,从而孵卵场工作人员能够缓冲水的 pH 值并使牡蛎幼体能够存活,此外还包括探索牡蛎的某些菌株是否更适应海洋酸化和低pH值水。华盛顿州海洋酸化蓝丝带专家组发布了几份报告(2012、2017),记录了该州为减缓海洋酸化的影响而采取的进一步行动。目前正在开展研究,以期了解低 pH值水体的物理驱动因素、对牡蛎的生物影响及其它有重要商业价值的物种以及对该地区的社会影响。
2.4 如何在保护沿海和海洋资源、生境及设施与发展旅游业和娱乐业之间取得平衡?
  目标:
  • 提高对有损沿海生境和资源(例如,缺氧、海洋热浪)或对人类健康构成风险(例如,有害的藻华、病原体、离岸流)的慢性和急性压力源的模拟、监测和预测能力。
  • 开发或改进环境传感器及监测平台方法和技术,提升对相关物理和生地化目标更好(例如准确度、精确度等)、更快及最具成本效益地进行测量的能力。
  • 改进恢复沿海生境、维系生态系统服务、促进生态旅游以及探索自然适应解决方案的方法。
  • 了解此类温度、海洋酸化、海平面上升和有害藻华的过程以及对海洋生物、生态系统和沿海社区的影响。
  研究亮点:
  NOAA 的有害藻华(HAB)预报要保持特定区域的全国能力。这项工作始终需要有及时的信息,比如水华开始的时间、生物质和地理覆盖范围会有多大、在多大毒性程度足以引起公共卫生官员和沿海资源管理部门的警觉,以及水华的强度何时可能减弱。在有些地区的工作涵盖会引起广泛关切的一系列 HAB 物种(例如,腰鞭毛藻、赤潮鞭毛藻、多环马格里夫藻)。HAB 研究重点是要基本了解 HAB 爆发的原因、毒素产生的原因以及毒素如何通过食物网扩散并滞留在人类食用的鱼类和贝类体内。其它的工作主要围绕开发简易且可靠的方法来检测和分析 HAB 毒素并了解其对人类和海洋生物的毒性。这些内容结合 HAB 预报可为沿海管理部门提供重要信息,从而减少有毒藻华对人类的影响。
2.5 在海上交通量增加及船舶体量增大的情况下,如何最大限度地提高效率和提高安全性?
  目标:
  • 改进针对美国主要港口的海岸模式及其它海洋产品,解决船体更宽、吃水更深的船舶流量增加的问题。
  • 发展新的海洋及海冰观测和预报能力(例如,地球系统统一模式),以改进对爆发性海洋风暴的预测以及保障极地航道、安全和可持续利用。
  • 修正北极定位的米级误差,并为保障北极航行提供新的垂直参考坐标系。
  • 支持国内和国际以创新性溢油及其它事故应对技术和程序为重点的研发,特别是那些适合北极环境的技术和程序研发。
  • 了解航运交通增量及海洋活动对受保护物种安全和健康的影响。
  研究亮点:
  2018 年 1 月,一艘满载液化天然气的油轮在没有破冰船帮助的情况下,沿北海航线航行通过了冬季的北冰洋。北极海冰范围的最新趋势表明全年都在减小,而夏季的急剧减小导致秋季冰扩张速度减缓,总体上减少了多年(较厚)的冰。海冰范围和厚度减小将会导致北极船舶通行量增加。NOAA 已开发并正在评估北极耦合预报系统(CAFS),以改进冰雪预报,这对于沿海社区和安全航行至关重要。经过对区域北极系统模式 22 进行修改完善,CAFS 得到了发展,可用于短期天气预报。试验模拟系统可结合多个组分模式,涉及大气(WRF3.5.1)、陆地(CLM4.5)、海洋(POP2)和冰(CICE5.1)。CAFS 目前正在制作实验性海冰预报。
2.6 在未经探索的海域中存在着什么?
  目标:
  • 推进测绘技术、工具和方法的发展,以支持海上贸易、发现考古遗址和遗产地、确定海洋热点和产卵聚集地,并扩大对适合开展经济活动的海底的科学了解,例如资源开采选址。
  • 实现对深海美国专属经济区(EEZ)和延伸大陆架(ECS)的高分辨率测绘,从而促进谨慎的资源利用和工业活动(例如,能源开发、矿产资源测绘、渔业特征描述)。
  • 利用当前及新兴的观测平台和技术(例如,自动水下航行器、遥感、eDNA、组学),进一步开展海底勘探,以便阐明和绘制生境及环境特征。
  • 积极参与对大部分尚未勘探的北极大陆架地区的绘制和资源监测,以便为长期监测获取基线数据,并提供后续建议。
  研究亮点:
  NOAA 支持各项全球倡议,例如联合国海洋科学促进可持续发展十年,以及日本财团-GEBCO 海床 2030 项目,以便创建地球海床高分辨率水深图。通过领导美国国内对美国专属经济区(EEZ)的勘探,以及通过共享国际水域海床绘图数据来促进全球计划,NOAA 正使海洋勘探变得更加便捷,并通过绘制和特征说明工作填补对全球深海水域和海底科学了解的知识空白。关键部分是要推进无人系统等新技术和新兴技术,因其可优化数据的采集和处理,以实现对美国专属经济区和全球海洋更偏远地区的测绘目标。详尽的海床地图对以下方面至关重要:航行安全;国家安全;遗产;通信电缆;预报天气、海啸和风暴潮事件;气候变化预估;以及判明海底生态系统。
2.7 NOAA 如何利用和完善社会经济信息来增强生态系统服务的可持续性、强化公众参与做法和增进经济效益?
  目标:
  • 为水产养殖企业提供经济研究和相关宣传计划,以提高其成效和效率。
  • 将捕捞行为的社会经济驱动因素纳入鱼类资源存量评估模式,从而用于发展渔业动态预报,以及预测未来捕捞量和存量状况。
  • 了解环境退化(例如,海洋垃圾、石油泄漏)和沿海灾害如何影响沿海社区的经济和社会福祉,包括对社会的直接和间接成本。
  • 为那些实施 NOAA 精确导航计划的港口开展社会经济分析,包括效益-成本指标。
  • 改进可通报人类健康风险的信息产品和宣传工作,并在特定事件或现象(例如,有害藻华事件或污染事件)发生后通过社交媒体和网络计量来评估社会不同群体的响应。
  研究亮点:
  改进对以自然基础设施和功能完善的沿海生态系统(例如,通过湿地和珊瑚来减少风暴潮)降低灾害影响的模拟,以便量化这些系统提供的降低风险服务。NOAA 正在开展一项研究,旨在了解海洋垃圾如何影响沿海旅游业社区的经济。海洋垃圾能够影响多个经济行业,包括水产养殖业、渔业、通商航运、休闲出海、沿海地方政府、沿海旅游业,以及紧急响应服务。与海洋垃圾有关的成本有直接成本(即清理海滩、更换齿轮)或间接成本(即对生物多样性和生态系统服务的影响)。为了更好地了解海洋垃圾对国内旅游业的影响,开展了区域试点研究,这是首次尝试将海滩游选择与海滩海洋垃圾估算相联系。此项工作的相关地区包括五大湖(OH)、大西洋中部(DE)、墨西哥湾(AL)以及西海岸(CA)。利用该信息以及之前研究得出的数据,意在根据海洋垃圾的增减来评估旅游支出的变化,促进我们了解海洋垃圾对经济的影响,并划定美国未来需要优先采取预防和清除工作的地区。
愿景领域 3. 健全有效的研究、开发及转化事业
  此愿景领域是健全有效的研究、开发及转化事业,它侧重于研发事业自身的基本构件。NOAA 依靠观测平台收集长期和复杂的数据集(通常称之为大数据),并加以分析,从而了解物理和生地化现象。这些数据可用于为模拟系统和预测系统变化而建立的简易和复杂的模式(例如,大气、生地化、物理、经济、生态系统、综合、耦合及嵌套等模式)。这些模式还可产生大数据。NOAA 正在推进将经济和社会科学数据与物理和生态信息相结合。根据《循证决策基础法案》8,这些未受立法或法律要求限制的数据集可提供给公众。根据该法案形成的《公众获取研究成果行政令》,为私营部门提供了发展新应用的机会。

3.1 如何整合及改进统一模拟的技巧、效率以及服务利益攸关方的适合性?
  目标:
  • 利用与外部研究团体协同合作,运用统一模拟方法,以便采用通用的、物理上一致的框架实现跨学科的互操作性。
  • 推进数据整合、同化以及地球系统模拟框架(ESMF)的连通性,用于在全球和区域尺度耦合大气、海洋、陆地和冰的 NOAA 研究及业务模式。
  • 量化关于 NOAA 所有业务模式和预报产品的模式不确定性和技能,包括量化了解其不同气候模式之间的预估不确定性。
  • 为多个区域空间和时间尺度的气候应用开发健全的模式降尺度技术,包括嵌入和嵌套区域地球系统预估能力。
  • 将监测设施的环境数据纳入高分辨率业务模式(例如,流体动力模式),以制作环境预报(例如,盐度和温度)和决策支持工具,促进海洋资源的可持续利用并确定重要的生境。
  • 开发先进的数据同化技术、进一步挖掘观测能力以及开发先进的数值方法,并将其纳入 NOAA 模式,以提高预测能力。
  研究亮点:
  起始于 2019 年,建立地球预测创新中心(EPIC),促进美国天气预报能力的协调和发展,并夺回在天气预报预测方面的国际领导地位,以保护生命和财产,并促进国家的经济发展。EPIC 将作为支持研发的中心,通过 NOAA 及其伙伴之间的合作以及参与业界团队模拟工作,快速开发新模式。通过指定该中心,NOAA 正在根据 2018 年 NOAA 业界模拟评审委员会报告的建议,开发有效的机制,获取整个模拟团体的支持。天气和气候模拟方面的改进将有助于促进业务预报产品,将影响许多美国经济行业,包括从农业和渔业管理到能源市场以及内陆水资源管理。
3.2 如何促进地球观测及优化其相关的平台以满足 NOAA 需求?
  目标:
  • 评估当前观测数据业务模式和替代方案技术能力(包括商业产品的使用),以优化NOAA 当前和未来观测系统,旨在促进效用、理解、准确度、特征描述和监测(包括生态系统状态和过程),同时将成本减到最小。
  • 牵头开展环境传感器、无人系统及其它观测系统开发和应用方面的创新工作,提高效率和效力并将成本减至最小,例如小型化、压缩传感、机会采样和适应采样平台的开发利用。
  • 牵头开发对卫星传感器环境参数(例如,水分、海冰)的新型和增强型反演,并扩大卫星观测资料在 NOAA 业务和应用中的使用。
  • 牵头开展数据处理和人工智能(包括机器学习等技术)方面的创新,以促进观测数据有力和高效的利用。
  • 与各区域协会(例如美国综合海洋观测系统)合作,支持开发实时数据共享产品,包括来自私营部门、学术界和研究机构的,以确保在 NOAA 的预报中及时和准确地使用海洋和沿海数据。
  • 探索对私营部门数据网络的开发利用以改进模式初始化。
  研究亮点:
  从 2016-2019 年,NOAA 发射了五颗新卫星,分别是 Jason-3、GOES-16、GOES-17、JPSS- 1 和 COSMIC-2,为及时准确的天气预报提供了全球数据。这些卫星可制作对探测和观测环境现象至关重要的数据,从而助力并促进 NOAA 的研发工作。例如,卫星数据已向联邦应急管理局(FEMA)提供了洪水地图,以协助预报、预警重大飓风并从灾害中恢复。NOAA 的研发工作可通过结合人工智能(AI)增强这些观测系统的能力,更好地从数据中提取信息,从而可根据卫星图像和数据作出更好的分析和预测。例如,NOAA 科学家已开始探索如何利用人工智能弥补卫星数据中的时间和空间差距,以及如何自动识别卫星图像中的重要特征,例如发展中的飓风。人工智能的使用有可能会减少处理巨量卫星数据所需的时间,同时可能还会增加用于预测的数据量。
3.3 如何利用和改进信息技术、大数据和人工智能来加快和转化研发工作,并形成新的商业和经济增长点?
  目标:
  • 促进大数据和 AI 分析,并利用云计算平台来识别、了解和预报地球系统的变化(例如,环流型、沿海和海洋生态系统、海平面上升)。
  • 制定关于改进大型数据集之间数据和信息互操作性及同步性的方法,以便促进创新、效用和可获取性。
  • 综合运用预测分析、认知计算和高性能计算以及自动化,将预报信息与影响信息相结合。
  • 利用社会科学中的先进技术和领先做法来促进数据获取和数据存档。
  • 开发具成本效益和高效的方法来加工和分析大型数据集(例如,数据挖掘),包括图像、视频和基因组数据。
  • 研究混合云计算平台及商业云计算平台,以支持与外部研究团体的积极合作,促进科学进步和创新。
  研究亮点:
  借助公-私伙伴关系,并通过现代化的云平台扩大 NOAA 数据的使用和分发,NOAA 大数据项目继续表明其成功。截至 2020 年,NOAA 已可通过与微软 Azure、谷歌云平台、亚马逊网络服务、IBM 和开放共享联盟等合作的云平台提供 100 多个 NOAA 数据集。这项工作使美国公众能够更便捷地获取和使用 NOAA 的数据,有助于促进商业和经济增长。
3.4 NOAA 如何确保其投资以重点社会科学研究和应用为依据?
  目标:
  • 制定并运用研究方法来评估目标受众,并使社区级利益攸关方群体参与提高 NOAA有力和高效地为决策提供信息的能力。
  • 利用团队科学确定和实施各类方法和程序(例如,信心、特殊性、潜在影响、信息传递),提高公众对 NOAA 公告和预警(例如有害藻华、海上航行安全、国家海洋保护区管理、灾害性天气预警)的认知并促进可行应对决策。
  • 制定方法将气候和生态数据与经济和人文数据相结合,纳入到耦合模式和决策支持工具中,以更好地了解人们如何响应环境变化。
  • 更多了解那些正式及非正式教育组织从事 NOAA 相关科学内容整合的情况,更多了解其与 NOAA 科学家合作开发课程、展品、媒体、材料以及项目以支持 NOAA 使命的情况,以及这样做可带来的利益。评估 NOAA 及 NOAA 资助的项目的价值。
  • 评估和优化 NOAA 公民科学计划的公众参与度。
  研究亮点:
  对人类行为的研究将借助 FishSET 被纳入渔业管理决策,FishSET 是渔业空间经济学工具箱,它可提供数据、模拟和政策工具,促进更好地了解渔业管理做法(例如禁渔区、捕捞份额和气候变化)对渔民行为的影响。这些结果将用于为渔业决策更好地提供信息。
交叉主题
  NOAA 的许多研究领域跨越了本文件的三个愿景领域。表中列出了选定的交叉活动,以不同颜色突出标示出这些主题领域可在愿景中出现的位置。

  NOAA 的研发事业整合了各个不同科学学科,以促进了解地球上的各类复杂系统。NOAA研发事业的发展可通过追溯之前的三项计划加以了解,从中可看到在指导、制定和评估研发方面所做的重大努力。研发事业可支持 NOAA 的使命,即了解和预测气候、天气、海洋和海岸等方面的变化,与其它各方共享此类知识和信息,以及保护和管理沿海及海洋生态系统和资源。NOAA 持续与各类伙伴及利益攸关方合作,以实现其关于健康生态系统、社区和经济的愿景,使之面对变化具有抗御力。此愿景面对变化未曾改变,在当今仍具有现实意义。