一、国际组织和主要发达国家地球系统综合观测进展
(一)世界气象组织
1.WIGOS业务进展
WMO一直重视全球气候基础设施建设,推动观测系统不断发展。2007年第十五次世界气象大会上批准发展WMO全球综合观测系统(WIGOS),以加强对地球系统五大圈层的综合观测,支撑WMO推进无缝隙气象业务和科研。
WIGOS观测系统主要包括地基观测和空基观测。地基观测主要包括:全球观测系统(GOS)、全球大气监视网计划(GAW)的观测部分、飞机气象数据中继计划(AMDAR)、WMO水文观测系统(WHOS)、全球冰冻圈监视网(GCW)的观测部分,以及全球气候观测系统(GCOS)和全球海洋观测系统(GOOS)。空基观测通过专用卫星观测大气、地球表面和海洋的特征,以及太阳活动和空间环境信息,该子系统主要由气象卫星协调组(CGMS)所有会员所运行的卫星组成。
2016年起,WIGOS进入试运行阶段,2020年1月1日WIGOS进入正式运行阶段。WIGOS作为WMO的一项核心活动,被视为支持WMO所有计划和应用领域的一项基本的基础设施,将继续完善以全面服务于WMO各应用领域。
2.WIGOS 2040发展愿景
2019年第十八次世界气象大会通过了《WIGOS 2040年愿景》,充分考虑未来可能出现的气象服务新需求,从空基观测系统和地基观测系统两个方面,预测2040年全球综合观测系统格局。其中,空基观测系统重点是卫星系统的发展规划,规划到2040年骨干卫星系统比现在的业务卫星系统有很大的改进和增强,并鼓励和吸纳由WMO其他会员国和第三方贡献的卫星。《愿景》中卫星发展呈现以下几个趋势,一是气象卫星操作者从目前少数几个国家为主,向更多操作者国家加入转变,二是卫星星座从以业务气象环境卫星为主,向业务卫星加先进的研发卫星系统相结合的多星座体系转变,三是卫星轨道从传统的地球同步(静止)轨道和近极地太阳同步轨道,向多种轨道平面转变,四是卫星遥感仪器从以被动遥感为主,向被动与主动遥感相结合转变,从传统的可见光红外和微波光谱段观测,向全光谱覆盖和高光谱分辨率观测转变;地基观测系统列举了不同类型的仪器或观测类型可预见的未来发展及趋势,以及所测量的地球物理变量。
3.WMO鼓励整合气象部门以外的观测系统
整合全球不同观测系统是始终贯穿着WIGOS的核心。《愿景》指出,未来国家气象水文部门将不再是观测数据的唯一提供方。不同部门、各种组织正在运行与WMO应用领域相关的观测系统,这些可能是在农业、能源、运输、旅游、环境、林业、水资源等部门下运作的不同政府机构,也可能是非营利组织和商业实体。因此,WMO也积极推动尽可能地整合其他观测系统,即在WIGOS的框架下,通过解决与数据质量、数据格式、通信线路和数据存储库相关的技术问题,制定有关数据政策的协议,与这些外部的观测提供方建立起伙伴关系,使之成为一个综合的地球观测系统,以满足会员开展地球系统预报和服务对于观测不断变化的需求。
(二)地球观测组织
1.GEO基本情况及业务进展
地球观测组织(GEO)是为响应对地球状况进行协调观测的迫切要求,于2005年建立的政府间多边科技合作机制,是目前在地球观测领域规模最大、最权威的政府间国际组织。截至2023年,有115个成员国和151个参加组织,其核心为建立一个全球综合地球观测系统(GEOSS),通过综合不同来源的对地观测结果,包括星载、机载、地面平台以及公众观测,以了解地球系统的过去、现在的情况,以及它们之间的交互作用。自成立以来,GEO促进了数据开放获取,发展了服务,并协调加强了对地观测的利用。
2.GEO发展战略
2023年GEO发布第三个十年规划,强调从2025年起的新方向:人人共享地球智能(earth intelligence for all)。在新规划中,GEO重申其致力于全面和开放获取地球观测数据、知识、产品和服务,还重申其致力于促进数据和知识共享以及共同开发服务,使用户能够做出合理的环境决策,创造经济机会并促进良好治理。为了确保地球观测的社会效益和影响得到充分实现,GEO从2025年起做出两项新的承诺:一是追求地球观测的全球公平,提供资源和机会,为不同需求和能力的社区带来最佳结果;二是不仅致力于提供地球观测,而且致力于提供地球智能。这意味着GEO将继续促进地球观测数据的供应,但同时加强以需求为主导的活动,为用户提供更好决策的见解,这些见解来自整个地球观测价值链,涵盖多个主题领域。
展望未来,GEO将采取以下五项行动:一是使地球智能成为可持续发展知识决策的基本支柱,为人类和地球建设一个包容、可持续和有复原力的未来;二是促进从注重发展服务转向注重向所有人提供基于需求的服务,以弥合全球知识和信息差距;三是通过确定政策和决策需求,设计支持这些需求所需的服务,创建实现这些服务的产品;四是将地球观测、模型和创新的新技术(包括人工智能、机器学习、数字孪生、云计算)整合到提供地球智能的服务设计中;五是加强GEO的包容性和适应性,利用科学界、土著人民和地方社区、私营部门、民间社会和国际金融机构的专门知识和资源,促进开放数据和知识,加强能力建设。
(三)美国
1.NASA地球科学事业(ESE)和地球观测系统(EOS)
1991年,NASA启动地球科学事业(ESE)项目,将地球作为一个综合系统来研究。ESE利用空间、飞机和地面观测为了解全球变化提供科学依据。该项目生成云层、陆地和海洋植被、大气臭氧、海面温度和其他全球过程的长期地图。这些信息通过地球观测系统数据和信息系统(EOSDIS)提供给科学家和决策者。ESE项目涉及与美国、欧洲空间局(ESA)和日本宇宙航空研究开发机构(NASDA)的合作,同时也是美国全球变化研究计划跨部门合作的一部分。
ESE由三部分组成:一系列对地观测卫星、先进的数据处理系统和对卫星数据进行研究的科学家团队。其核心是地球观测系统(EOS),由一系列相互协调的极轨和低倾角卫星组成。EOS是第一个提供地球过程综合测量的观测系统,对陆地表面、生物圈、固体地球、大气和海洋进行长期全球观测。EOS任务侧重于以下科学领域:辐射、云、水汽和降水、海洋、温室气体、陆地表面水文和生态系统过程、冰川、海冰和冰原、臭氧和平流层化学、自然和人为的气溶胶。目前EOS完成卫星发射48颗,在轨运行35颗,未来计划发射12颗。
此外,ESE还包括NASA当前收集全球环境重要数据的地球科学任务,如高层大气研究卫星(UARS)和海洋地形实验(TOPEX/POSEIDON)、航天飞机实验(ATLAS)和飞机飞行活动。
2.空间对地观测10年战略
美国国家研究委员会(NRC)针对美国2007—2017年和2017—2027年的空间地球科学任务规划情况,分别于2007年和2018年,开展了两次全面调查,称为“十年调查”(ESDS)。2018年,NRC发布《在不断变化的地球上繁荣发展:空间对地观测10年战略(2017—2027年)》,建议NASA主导实施地球科学与应用的5项“指定”任务,包括气溶胶与云,对流和降水,地球表面生物学和地质学,地球表面形变,雪、冰和海水的质量变化等;还建议实施3项“地球系统探险者”(ESSP)任务,包括温室气体探测、臭氧和痕量气体监测,以及海洋表面风力与洋流测量。
基于ESDS报告的建议,NASA等机构在EOS/ESE的基础上,制定了后续的空间地球科学发展计划,将ESDS任务作为规划重点,提出并实施“地球系统任务”(ESM)计划,帮助进一步提升对全球气候变化和人类活动之间关系的了解,以从根本上改进其未来的空间地球科学能力,从而更好地为科学管理地球资源等政策决策提供参考。
美国当前的空间地球科学计划核心内容即为NASA主导的ESDS报告任务。ESDS报告针对天气、固体地球表面及内部、碳循环、生态系统、水和能源循环、气候多样性和变化以及大气成分组成等地球科学领域的问题,提出一系列卫星和技术开发任务,主要为“地球系统任务”(ESM)和“地球系统科学探索者”(ESSP)计划。其中,前者包含了EOS及其后续的ESE、ESDS报告任务,可覆盖多学科领域研究,致力于发展对地球系统的科学了解;后者主要为中低成本研究和应用任务。
3.NASA地球系统观测台(ESO)
2021年5月,NASA正式公布了建立地球系统观测台(ESO)的计划。ESO计划标志着NASA地球科学的复兴,将有效解决2018年美国“十年调查”中专家组提出的关于地球表面和内部的相关问题,并为美国政府应对气候变化提供新思路。ESO将成为先进星载地球观测系统的新架构,在地球大气、陆地、海洋和冰川相互作用过程的关键方面,为世界提供前所未有的了解。ESO的建设目前正处在设计阶段,首期工作任务利用NASA-ISRO合成孔径雷达(NISAR)对全球进行综合测量,以了解地表变化的原因和后果。
ESO代表了美国下一代对地观测研究的新方向,重点包括:(1)监测气溶胶变化。气溶胶是影响全球能量平衡的关键因素,其变化会给气候变化带来巨大的不确定性。(2)监测云、对流和降水。它们是未来气候变化预测、空气质量预测和恶劣天气预测中最大的不确定性来源。(3)观测大规模地表变化。用于干旱评估和预测,相关农业用水规划,以及应对自然灾害。(4)系统认知地表生物学和地质学,掌握生态系统与大气、海洋和地球内部的碳、水、营养和能量流动规律,以了解气候变化如何影响粮食和农业、居住和自然资源。(5)监测地表形变和变化,以更好地规避自然灾害,如地震、火山、海啸、滑坡等。
4.美国综合地球观测系统战略计划(IEOS)
作为对GEOSS的贡献,2005年美国发布了《综合地球观测系统(IEOS)战略计划》,旨在将分散的地球观测仪器和数据综合为一个新的功能更强大的系统,这个系统将提供新的能力以认识、预测和管理环境及其复杂过程。IEOS战略计划由17个联邦机构组成的地球观测联合工作组(IWGEO)联合起草。
IEOS战略计划围绕以下9大社会效益领域展开:(1)改进天气预报;(2)减少灾害造成的生命和财产损失;(3)保护和监测海洋资源;(4)理解、评估、预测、减缓和适应气候变率和变化;(5)支持可持续农业和林业,遏制土地退化;(6)理解环境因素对人类健康和福利的影响;(7)发展生态预测能力;(8)保护和监测水资源;(9)监测与管理能源资源。
IEOS将以新的和现有的地球观测系统和能力为基础,满足国家和国际社会、科学和经济方面的需要,并提出了以下目标:(1)从所有社会效益出发,确定当前和不断变化的需求。(2)根据需要确定投资的优先次序,包括对新需求的投资。(3)利用现有的和/或开发新的技术、仪器、系统和能力,以满足已确定的需求和优先事项。(4)简化和维持实现社会效益所必需的现有地球观测系统。(5)制定美国的地球观测和数据管理政策,继续实施美国对观测数据的开放获取政策,鼓励其他国家也这样做。(6)在地方、州、地区、部落和联邦层面扩大现有的政府伙伴关系,并与产业界、学术界、K-12教育界、非政府组织和国际组织发展新的长期伙伴关系,以进一步实现这些战略目标。(7)发展人员能力和机构能力,将观测结果转化为社会效益。
IEOS由政策、技术、财政和社会公益4个部分组成,并承担了9项数据功能:数据收集、数据管理、数据发掘、数据访问、数据传输、数据归档、数据处理、数据建模、数据质量控制。
5.美国地球观测工作组(USGEO)
美国是GEO的四个联合主席之一。美国在地球观测组织(GEO)的成立过程中发挥了重要作用。白宫科技政策办公室(OSTP)在国家科技委员会(NSTC)下成立了一个地球观测工作组,该工作组于2005年底发布了美国综合地球观测系统(IEOS)战略计划,作为美国对全球对地观测分布式系统的国家贡献。该工作组后来重新组建为USGEO,负责开始实施美国综合地球观测系统,是各部门和联邦机构民用地球观测活动的机构间协调机制。2010年,美国地球观测组织向国会提交了题为“实现和维持地球观测:基于美国地球观测组织战略评估的初步计划”的报告,这是一项提高美国观测地球及其相互关联的大气、地质和环境系统的能力的战略方法。2005—2011年期间的工作最终形成了美国地球观测工作组(USGEO)。USGEO由OSTP与NASA、NOAA和USGS共同担9任主席,其成员包括联邦机构和总统行政办公室的各个部门。
USGEO的目的是:(1)与国内利益相关者合作协调、计划和评估联邦地球观测活动;(2)促进改善整个联邦政府的地球系统数据管理和互操作性;(3)让机构间和国家利益攸关方参与制定美国对国际地球观测组织(GEO)的立场,并协调美国对该组织的参与。
(四)欧盟
1.哥白尼计划
哥白尼计划是欧盟的地球系统观测计划,其目标是实现全球、连续、自主、高质量、大范围的地球观测能力,提供准确、及时和易于获取的信息,以改善环境管理,了解和减轻气候变化的影响,并确保公民安全。该计划由欧盟委员会牵头组织管理,欧洲空间局(ESA)、欧洲气象卫星开发组织(EUMETSAT)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和欧盟成员国负责具体实施。
哥白尼计划由空间部分和服务两个部分组成。空间部分由哨兵系列卫星和其他共享卫星组成。“哨兵”(Sentinel)卫星是专门为满足哥白尼信息服务及其用户的需要而设计的。“哨兵”卫星共有六个系列,涵盖了哥白尼观测的广泛需求,包括陆地和海洋表面、海面地形和空气质量,测量大气中的微量气体等,确保了欧洲独立自主的对地观测能力。此外还有超过30颗贡献任务卫星提供补充数据,以确保满足一系列观测要求。
服务部分旨在利用对地观测数据和地面数据为欧洲各国提供大气监测、海洋环境管理、土地管理、气候变化监测、应急管理、安全服务等六大服务。(1)大气监测服务(CAMS)通过监测和预报诸如温室气体、反应性气体、臭氧和气溶胶等成分,提供有关全球大气成分的每日信息。(2)海洋环境监测服务(CMEMS)旨在提供以航海安全和环境为目标,用于全球海洋和欧洲海域的信息产品,提供的观测和预报支持所有海洋应用。(3)土地管理服务(CLMS)为欧洲和世界各地的环境地面应用领域提供有关土地覆盖及其变化、土地利用、植被状态、水循环和地球表面能量变化的地理信息。(4)气候变化服务(C3S)提供气候数据记录,以监测和记录气候变化主要驱动因素(例如地表气温)。(5)应急管理服务(EMS)为参与自然灾害、人为紧急情况和人道主义危机管理的所有参与者,提供来自卫星遥感、外场观测及开放数据源的及时、准确的地理空间信息。(6)安全服务旨在通过提供信息以应对欧洲的安全问题。
哥白尼计划每天提供16TB的高质量数据,是世界上最大的空间数据提供商,已累积了70多万用户,下载了超过540PB的数据。其数据和信息主要通过2种方式对外提供服务:一是哥白尼数据空间生态系统,主要提供对地观测数据产品,也提供基于数据衍生的信息;二是哥白尼服务,面向6大应用领域提供专业信息服务,所提供的信息是通用的、标准化、多用途信息,其中许多是在国家或地区层面实施的,旨在实现可持续性。值得注意的是哥白尼计划的数据和信息服务是免费的,哥白尼计划生成的数据和信息(即哨兵任务数据和哥白尼服务信息),对用于商业或非商业目的的使用、复制和再分配,都没有限制。机构和商业公司以满足特定用户需求为目标,使用哥白尼数据和信息开发的增值服务,可以免费或收费。
当前“哨兵”卫星系列是哥白尼计划的核心,未来六个优先级较高的任务有:哥白尼人为二氧化碳监测、哥白尼陆地表面温度监测、哥白尼高光谱成像任务、L波段合成孔径雷达、哥白尼成像微波辐射仪和哥白尼极地冰雪地形高度计。
2.“目标地球”计划
2021年3月,欧盟委员会提出为期7—10年的“目标地球”(DestinE)计划,旨在创建一个高度精确的地球数字模型,即地球的数字孪生模型,以尽可能准确地进行全球自然资源与现象的数字建模,提供应对重大环境退化与灾难的决策支持。该计划将激发在全球尺度对地球自然资源和相关现象进行数字建模的潜力,如气候变化、水/海洋环境、极地地区和冰冻圈等,以加快绿色转型并帮助制定应对重大环境退化和灾难的规划。
在组织架构上,欧盟委员会委托ECMWF、ESA和EUMETSAT共同开发“目标地球”计划,还建立了协调小组和战略咨询委员会两个专家组,以促进欧洲、国家和区域层面的合作协同,为计划的实施和进一步发展提供技术和科学建议。
“目标地球”计划开发的超高精度地球数字模型,将监测与模拟自然和人类活动,建立能够支持欧洲环境政策的可持续发展情景,并对这些情景进行测试。通过开放访问整个欧洲区域的公共数据集,“目标地球”计划的用户将能够访问大量的自然和社会经济信息,以便持续监测地球的健康状况,例如研究气候变化、海洋状况、冰冻圈、生物多样性、土地利用和自然资源的影响;支持欧盟政策的制定和实施,例如评估环境政策和相关立法措施的影响与效率;对地球自然系统进行高精度、动态的模拟;改善模拟和预测能力,例如帮助预测飓风等极端天气事件和自然灾害,并规划相应的应对措施,分析具有重大社会经济影响的事件;增强欧洲在仿真、模拟、预测数据分析、人工智能以及高性能计算方面的工业和技术能力。
“目标地球”计划的核心是一个基于云的联合建模和仿真平台,可提供对数据、先进计算基础设施(包括高性能计算)、软件、人工智能应用和分析的访问。该计划将集成数字孪生,即囊括了地球系统各个方面的数字副本,例如天气预报和气候变化、粮食和水安全、全球海洋环流和海洋生物地球化学等,为用户提供专题信息、服务、模型、场景、模拟、预测和可视化,使应用开发和用户数据的集成成为可能。“目标地球”计划最初将为公共机构提供服务,逐步向科学和工业界用户开放,以刺激创新,实现模型和数据的基准测试。
“目标地球”计划的实施规划如下:2023年,推出可运行的基于云的支持平台和两个数字孪生;2025年,集成4~5个可运行的数字孪生,并为公共部门用户提供服务,以建立、监测和评估有关环境和气候的拟议政策和立法措施的影响;2025—2030年,通过对平台已经提供的数字孪生进行融合,向完整的地球数字孪生发展。
到2024年底,“目标地球”计划将由以下部分组成:(1)核心服务平台:由ESA运营,将提供基于开放、灵活和安全的云计算系统的决策工具、应用程序和服务。(2)数据湖:由EUMETSAT运营,将提供存储空间和对数据集的无缝访问。数据湖将建立在现有的科学数据集之上,包括数字孪生、EUMETSAT地球观测卫星系统、哥白尼数据和信息获取服务等,并辅以其他基于传感器的环境数据和社会经济数据。(3)数字孪生:由ECMWF开发,包括数字孪生引擎、下一代超高精度预报模式所需的复杂软件和硬件环境和两个数字孪生系统——天气和地球物理极端事件数字孪生和气候适应数字孪生。
(五)英国
1.英国地球观测技术战略
英国2013年发布了《地球观测战略2013—2016》,2015年发布了《地球观测战略实施方案》。2019年,英国对地观测仪器中心发布了《英国地球观测技术战略》,该战略由英国航天部门与英国学术界、产业界共同协商制定。英国航天局将以ESA地球观测项目的主要资助者为基础继续发展,建立一个广泛而深入的生态系统,处理地球观测问题。
未来英国关于地球观测的技术和数据方面的主要愿景包括:一是利用ESA从对欧投资及对欧洲的定位中获得利润,确保英国在未来机遇中的地位;二是充分利用英国航天局在欧盟哥白尼计划中的机遇;三是将地球观测作为支撑产业战略、政策和社会需求的基础设施;四是促进技术研发、应用等创新和增长;五是激励和支持下一代创新者和就业提供者。
另外,英国于2023年9月7日同意与哥白尼建立联系,从2024年工作计划开始,英国能充分参与“欧洲地平线”和“哥白尼计划”,该联系将使英国能够获得最先进的能力来监测地球及其服务。
2.英国地球观测重点投资领域
2022年,英国政府宣布向英国地球观测行业投资2亿英镑,并在2023—2024年提供4700万英镑以促进英国地球观测部门的活动和创新。重点项目包括:(1)ESA地球观测研究和发展计划(FutureEO),英国卫星观测部门将在整个卫星观测价值链中产生影响并获得机会,包括新卫星的建造和测试。(2)资助开发创新商业产品和服务,从建造卫星到地面应用,或者开发新的地球观测商业模式以产生和利用地球观测图像和数据集的价值。(3)数字孪生地球项目,利用近乎实时的地球观测数据,创建整个地球环境的数字表征,将地球观测数据与人工智能和建模技术结合。(4)地球观测技术计划,在未来十年,不断增强可持续能力,开发创新地球观测仪器和空间技术,以满足用户对未来科学、业务和商业地球观测任务的优先需求。(5)英国地球观测组织气候信息服务,编制新的气候数据,帮助指导英国提高抵御气候变化影响的能力。(6)英国地球观测海洋和气候任务开发计划,收集英国的需求、研究和行业优势以及空间技术,建设和运行英国主导的地球观测系统,支持应对气候变化和实现净零排放。(7)地球观测创新计划,将地球观测用于新型商业应用,降低新技术和新应用的开发风险,从而促进英国企业的发展。
(六)日本
2015年,日本地球观测推进委员会出台了《未来10年日本地球观测实施方针》。《方针》指出,未来十年的地球观测应成为重要的社会基础设施,整合迄今为止的各类观测,为全面了解和应对地球及人类社会的现状和未来预测提供基础数据,形成以解决课题为实际导向的地球观测体系。
《方针》提出,在基础、共通的地球观测计划方面,做好观测数据归档,促进数据整合与利用,构建全球环境信息平台,推进开放数据化;推进领域间合作,促进各个利益相关者的参与及人才培养,强化社会与研究相结合的地球观测,促进市民参加型地球观测发展;确立实施长期的地球观测体制,确定必要的观测项目等;推动地球观测技术的高度化、利用数据创造新产业,确保数据的公正性与透明性等;对科技外交、国际合作的地球观测方面,以及对GEOSS的发展作出贡献。
2023年,日本地球观测推进委员会发布报告,对《方针》的实施进展进行总结,强调有效嵌入Society5.0的地球观测数据的推进是至关重要的,还强调气候变化对地球观测的要求越来越高,减缓气候变化是当务之急。
二、加快推进我国地球系统综合观测的建议
贯彻落实党的二十大精神和党中央、国务院有关生态文明建设、美丽中国等战略部署,要求不断提高地球系统综合观测能力,为科学应对气候变化、提高防灾减灾能力、构建人类命运共同体、促进可持续发展等战略提供支撑和服务。
一是加强统筹,制定中国地球系统综合观测发展战略。在已经成熟的中国气象和气候观测系统的基础上,进一步谋划地球系统综合观测布局的研究与设计,制定中国地球系统综合观测发展战略,提升地球系统多圈层及其相互作用的监测能力。
二是强化部际协调,建立完善共建共用共享工作机制。建立和完善跨部门的管理协调机制和政策,以及数据开放共享的相关规定和鼓励政策,推进共建共用共享机制落实,提升共享数据和设备可靠性和可用性,协同推进地球系统综合观测。
三是瞄准未来科学突破,超前部署关键核心技术攻关。聚焦我国地球系统观测技术和探测设备研发能力短板,紧盯国际发展前沿,超前部署地球系统新型探测设备研发,继续发展陆、海、空、天多手段协同观测技术,提高实时、立体、精密观测的技术能力。
四是加快推进数字孪生、人工智能等新技术应用,建设自动化智能化地球系统综合观测体系。协调基础科学、应用6研究、建模、算法开发、机器学习、人工智能和数据融合方面的活动,加快推进我国数字孪生大气工程设计,持续提高人工智能应用水平,提升我国地球观测系统智能化水平。
五是开放融合,提升我国地球系统综合观测数据服务能力。积极响应国际数据开放共享呼吁,制定和完善我国相关数据国际开放共享的相关政策,稳步提高我国数据的开放度和对我国数据的依赖度,提升我国的话语权,充分利用我国现有技术和能力,开展多种形式的国际合作,实现协作共赢。
- 联系我们
- 联系电话:(010)68409247 68407975
- 主办单位:中国气象局气象干部培训学院
- 地址 : 北京市中关村南大街46号中国气象局气象干部培训学院 邮编 : 100081