工程與物理科學(xué)處

空間研究局

NASA持續(xù)遙感空間對(duì)地觀測(cè)需求框架分析委員會(huì)

摘要

　　美國(guó)航空航天局（NASA）地球科學(xué)處（ESD）開展了大范圍衛(wèi)星與亞軌道飛行任務(wù)，作為一項(xiàng)改善把地球作為一個(gè)綜合系統(tǒng)的了解的項(xiàng)目一部分，觀測(cè)地球陸地表面與內(nèi)部、生物圈、大氣層、冰凍圈以及海洋。對(duì)地觀測(cè)為重要科學(xué)進(jìn)展提供了基礎(chǔ)，來(lái)自觀測(cè)活動(dòng)的環(huán)境數(shù)據(jù)產(chǎn)品被用于資源管理和非同尋常的一系列社會(huì)應(yīng)用領(lǐng)域，包括天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)、海平面變化、水資源管理、疾病早期預(yù)警、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害。

　　由于社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性及其環(huán)境干擾脆弱性的不斷增加，對(duì)更深層次的科學(xué)見解和更可操作的信息需求持續(xù)上升。為滿足這些需求，NASA.ESD面對(duì)挑戰(zhàn)，將其有限資源在各項(xiàng)探索新的科學(xué)前沿的觀測(cè)活動(dòng)中進(jìn)行的優(yōu)化分配，仔細(xì)描述地球系統(tǒng)的長(zhǎng)期變化，并持續(xù)支持進(jìn)行中的各項(xiàng)社會(huì)應(yīng)用。這一挑戰(zhàn)的最為嚴(yán)峻之處在于決策的抉擇，是支持獲取地球科學(xué)研究計(jì)劃重要組成部分（包括但不限于，與氣候相關(guān)的測(cè)量）的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)流，還是支持新的觀測(cè)能力建設(shè)。

　　雖然區(qū)分觀測(cè)數(shù)據(jù)是面向“研究”還是“應(yīng)用”有點(diǎn)人為因素（通常在支持特定的社會(huì)應(yīng)用方面這兩種類型的觀測(cè)數(shù)據(jù)都需要，而且，研究與應(yīng)用目的可能都需要連續(xù)或持續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)），它們的需求并不一致。特別是，許多應(yīng)用對(duì)近期實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可用性有相關(guān)需求，氣候變化科學(xué)的目標(biāo)通常需要準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)以及長(zhǎng)期、穩(wěn)定、不間斷的時(shí)間序列。此外，在聚焦科學(xué)/研究類的觀測(cè)數(shù)據(jù)方面，用于地球系統(tǒng)過(guò)程研究的新觀測(cè)的需求，與繼續(xù)更好理解與氣候變化相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)量的需求有區(qū)別。

　　由于假設(shè)其他機(jī)構(gòu)支持高優(yōu)先級(jí)的氣象、氣候、地表連續(xù)觀測(cè)，來(lái)自國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）¹第一次地球科學(xué)與空間應(yīng)用10年調(diào)查（NRC，2007）提供給NASA.ESD的社區(qū)指導(dǎo)意見主要集中在新的測(cè)量上。然而，出于各種原因，包括技術(shù)與預(yù)算方面的挑戰(zhàn)，其中的一些假設(shè)沒(méi)有得到滿足（NRC，2012）。為了應(yīng)對(duì)這些變化，也為了響應(yīng)來(lái)自政府和國(guó)會(huì)的指導(dǎo)，NASA的地球科學(xué)任務(wù)組合已擴(kuò)大，包含了繼續(xù)開展一些之前由其他機(jī)構(gòu)在以前啟動(dòng)的觀測(cè)活動(dòng)的新職責(zé)。

　　隨著10年調(diào)查建議的執(zhí)行，以及新功能和應(yīng)用的展示，NASA預(yù)計(jì)越來(lái)越多的觀測(cè)以及相關(guān)的儀器與任務(wù)將有望成為后續(xù)行動(dòng)。機(jī)構(gòu)對(duì)于本研究（任務(wù)的陳述已再版，見附錄A）的要求，認(rèn)識(shí)到這一趨勢(shì)以及建立一個(gè)對(duì)連續(xù)觀測(cè)與測(cè)量結(jié)果差距更定量化了解的需求的重要性。除了要求的“連續(xù)性”工作定義以外，任務(wù)陳述要求提供決策框架，幫助優(yōu)化資源配置。

　　本報(bào)告，來(lái)自NASA持續(xù)遙感空間對(duì)地觀測(cè)需求框架分析委員會(huì)，是對(duì)這些要求的響應(yīng)。正如報(bào)告中所詳述，該委員會(huì)向NASA推薦了一個(gè)決策框架，基于關(guān)鍵連續(xù)性特點(diǎn)，有效地區(qū)別不同連續(xù)性觀測(cè)之間的競(jìng)爭(zhēng)。建議的框架大力強(qiáng)調(diào)定量評(píng)價(jià)方法，以實(shí)現(xiàn)過(guò)程的客觀性和透明度。

　　在發(fā)展一個(gè)易于實(shí)施的框架過(guò)程中，該委員會(huì)專注于氣候變化的科學(xué)目標(biāo)，連續(xù)性天基觀測(cè)有望在這方面做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。在這個(gè)特殊關(guān)注下，建議框架的目的是作為一種新方法來(lái)評(píng)估科學(xué)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)性任務(wù)，并代表了對(duì)NASA現(xiàn)有關(guān)于《NASA地球研究公告與地球風(fēng)險(xiǎn)聲明機(jī)遇》建議評(píng)估過(guò)程的補(bǔ)充。

　　此框架應(yīng)被視為向更全面方法邁進(jìn)的一個(gè)初始步驟。正如報(bào)告中所討論，修改框架將允許用于確定新的、一流的觀測(cè)優(yōu)先事項(xiàng)，也用于檢測(cè)基于運(yùn)行或基于應(yīng)用的觀測(cè)。適當(dāng)開發(fā)后，該委員會(huì)設(shè)想提供一種單一的綜合評(píng)價(jià)方法，用于對(duì)新的和持續(xù)觀測(cè)的評(píng)估，包括科學(xué)和/或應(yīng)用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目。

委員會(huì)決策框架組成

　　在發(fā)展所需要決策框架中，該委員會(huì)從觀測(cè)在時(shí)間和空間上的連續(xù)性做出明確定義入手。確保從“改進(jìn)”儀器上獲取地球物理變量²或從同一儀器拷貝序列的連續(xù)性，需要仔細(xì)計(jì)劃校準(zhǔn)、儀器表征與對(duì)照以及驗(yàn)證。雖然空間優(yōu)勢(shì)有利于對(duì)地球開展全球及可重復(fù)的觀測(cè)，但長(zhǎng)期觀測(cè)時(shí)間序列具有的小型、合并標(biāo)準(zhǔn)不確定性特點(diǎn)，仍對(duì)多空間尺度有挑戰(zhàn)。在運(yùn)行計(jì)劃中，樣機(jī)已經(jīng)飛行多次，目的就是要簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程。雖然樣機(jī)不消除校準(zhǔn)和表征研究的需求，這種方法――包括精心挑選的集團(tuán)采購(gòu)的儀器或宇宙飛船――將降低成本，通常會(huì)在提供長(zhǎng)期連續(xù)記錄中降低風(fēng)險(xiǎn)。

　　觀測(cè)質(zhì)量，在連續(xù)的背景下尤為重要，而且主要以其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定性為特點(diǎn)，也就是受以下一些因素的影響：儀器校準(zhǔn)不確定性、可重復(fù)性；時(shí)空采樣；氣候變量（算法、再加工及實(shí)用性）的數(shù)據(jù)系統(tǒng)與交付――所有這些都依賴科學(xué)目標(biāo)。平臺(tái)觀測(cè)特征的變化（例如，高度和當(dāng)?shù)赜^測(cè)時(shí)間）會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)擾動(dòng)。通過(guò)任務(wù)重疊、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，以及基于地面可以追溯到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所標(biāo)準(zhǔn)等發(fā)展校準(zhǔn)方法，是必要的，以便為提供地球物理變量長(zhǎng)期和可重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

　　有鑒于此，委員會(huì)認(rèn)為，以下是可用于專注于科學(xué)目標(biāo)的整個(gè)地球科學(xué)分支學(xué)科分析框架的充分、高層次的觀測(cè)連續(xù)性定義：

　　發(fā)現(xiàn)：當(dāng)一個(gè)特定的量化地球科學(xué)目標(biāo)的觀測(cè)質(zhì)量，保持在由目標(biāo)設(shè)定的所需時(shí)間和空間域內(nèi)時(shí)，對(duì)地觀測(cè)存在連續(xù)性。

　　量化目標(biāo)這一概念是委員會(huì)推薦決策框架的出發(fā)點(diǎn)。一個(gè)精心編制的量化目標(biāo)的特征如下：

　　◎它直接關(guān)系到NASA.ESD實(shí)現(xiàn)總體科學(xué)目標(biāo)；

　　◎它以這種方式提出所需的觀測(cè)數(shù)據(jù)及其分辨率（空間、時(shí)間以及輻射測(cè)量）、校準(zhǔn)不確定性及可重復(fù)性、以及其他可追溯到總體科學(xué)目標(biāo)的需求；以及

　　◎它的表達(dá)方式允許地球科學(xué)目標(biāo)重要性以及針對(duì)地球物理變量滿足科學(xué)目標(biāo)的實(shí)用性為目的進(jìn)行分析評(píng)估。

　　第三章舉出了幾個(gè)量化目標(biāo)的例子。

　　建議：提議天基連續(xù)性觀測(cè)應(yīng)放在他們所針對(duì)的量化地球科學(xué)目標(biāo)的背景下進(jìn)行評(píng)估。

　　委員會(huì)設(shè)想NASA ESD依據(jù)為發(fā)展其項(xiàng)目計(jì)劃提供的相同信息來(lái)源，尤其（包含）行政與國(guó)會(huì)分支機(jī)構(gòu)在NRC.10年調(diào)查與指導(dǎo)中表述的那些來(lái)自科學(xué)界對(duì)優(yōu)先發(fā)展事項(xiàng)的共識(shí)，建立一套小的量化目標(biāo)。國(guó)會(huì)授權(quán)的10年調(diào)查中期評(píng)估，為科學(xué)社會(huì)評(píng)價(jià)這些目標(biāo)提供了一個(gè)額外的機(jī)會(huì)。一個(gè)建立的數(shù)據(jù)集的連續(xù)性觀測(cè)將與提議的新數(shù)據(jù)觀測(cè)，以及多重觀測(cè)“強(qiáng)化”，諸如為了對(duì)一個(gè)特定氣候過(guò)程更詳細(xì)了解的倡導(dǎo)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。后者的提議應(yīng)當(dāng)通過(guò)一個(gè)量化目標(biāo)明確其定義，然后可通過(guò)委員會(huì)的建議框架，或其他類似的ESD建立為連續(xù)性觀測(cè)進(jìn)行量化，公開、客觀的評(píng)價(jià)。

　　建議：NASA，預(yù)計(jì)將是下一個(gè)地球科學(xué)與空間應(yīng)用10年調(diào)查的主要資助方，可以部署10年調(diào)查任務(wù)，確立、以及可能進(jìn)行優(yōu)先分級(jí)量化地球科學(xué)目標(biāo)，并提出推薦的科學(xué)目標(biāo)。

　　除了他們以研究為導(dǎo)向的目標(biāo)，對(duì)地觀測(cè)及其獲取的信息產(chǎn)品為眾多政府內(nèi)、外的用戶群體提供支持。把委員會(huì)的決策框架延伸到那些注重社會(huì)效益的應(yīng)用觀測(cè)是符合愿望的，但需要地球科學(xué)界以外的專業(yè)知識(shí)來(lái)制定類似的地球應(yīng)用的量化目標(biāo)。

　　建議：NASA應(yīng)發(fā)起研究，以確定并評(píng)估與高優(yōu)先級(jí)、社會(huì)效益好的領(lǐng)域相關(guān)的量化的地球應(yīng)用目標(biāo)。

　　根據(jù)來(lái)自成本效益分析和決策理論的經(jīng)驗(yàn)，委員會(huì)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)價(jià)值核心框架能夠有效區(qū)分相關(guān)的對(duì)地觀測(cè)；經(jīng)過(guò)適當(dāng)實(shí)施，它將實(shí)現(xiàn)開放性與透明度的改善。本報(bào)告所建議的價(jià)值核心途徑包括觀測(cè)效益以及承受能力兩方面的考慮。該研究確定了一組相對(duì)少的、易于開展效益評(píng)估追蹤的特性，連同支付能力一起，允許在許多競(jìng)爭(zhēng)者之間進(jìn)行結(jié)對(duì)的觀測(cè)/量化目標(biāo)價(jià)值區(qū)分³。它們是：

　　1.量化目標(biāo)的科學(xué)重要性（I）；

　　2.為實(shí)現(xiàn)一個(gè)量化目標(biāo)的地球物理變量數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值（U）；

　　3.為提供所需地球物理變量記錄的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量（Q）；以及

　　4.實(shí)現(xiàn)觀測(cè)及其相關(guān)地球物理變量記錄的成功概率（S）；

　　5.提供觀測(cè)及其地球物理變量記錄的承受力（A）。

　　認(rèn)識(shí)到額外既影響效益又影響承受力的交叉因素，在本報(bào)告所論述的框架內(nèi)，對(duì)它們的適當(dāng)處理方法進(jìn)行了討論。交叉因素的例子包括在實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)過(guò)程中利用其他觀測(cè)機(jī)會(huì)的能力，以及在觀測(cè)質(zhì)量方面地球物理變量記錄對(duì)于意外退化（或缺口）的恢復(fù)力。

　　正如報(bào)告所討論的，委員會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的持續(xù)獲取時(shí)間長(zhǎng)于單衛(wèi)星任務(wù)傳統(tǒng)使用期限時(shí)，質(zhì)量指標(biāo)起著決定性作用。最關(guān)鍵的因素是觀測(cè)數(shù)據(jù)合成標(biāo)準(zhǔn)的不確定性，對(duì)于解決量化目標(biāo)是否（或不）充分。一個(gè)相關(guān)因素是數(shù)據(jù)差距的影響（參見第3章3.4.2節(jié)），它本身依賴于觀測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的不確定性（即溯源到絕對(duì)規(guī)模），以及在差距持續(xù)時(shí)間內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)的自然變異。雖然在連續(xù)觀測(cè)的背景下有許多方法來(lái)評(píng)價(jià)質(zhì)量，一個(gè)有用的質(zhì)量指標(biāo)，預(yù)期在用于短期操作的連續(xù)性需求（比如，天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警、農(nóng)業(yè)作物監(jiān)測(cè)），與用于科學(xué)目標(biāo)諸如那些與全球氣候變化相關(guān)的需求之間將會(huì)有變化⁴。第4章給出了有關(guān)評(píng)估質(zhì)量的例子。

　　發(fā)現(xiàn)：評(píng)估一個(gè)特定的連續(xù)性觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，需要具備觀測(cè)數(shù)據(jù)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定性的知識(shí)，這種不確定性來(lái)自儀器校準(zhǔn)不確定性、可重復(fù)性、時(shí)間與空間采樣、以及數(shù)據(jù)系統(tǒng)和氣候變量（算法、再加工和實(shí)用性）的交付等方面，以及來(lái)自數(shù)據(jù)缺口對(duì)相關(guān)量化科學(xué)目標(biāo)的影響。

　　建議：委員會(huì)建議NASA負(fù)責(zé)細(xì)化質(zhì)量特性的評(píng)估途徑。

　　觀測(cè)承受力以及對(duì)決策目的的價(jià)值評(píng)估，能夠通過(guò)許多同樣有效的方法完成，其中一些被本報(bào)告研究。無(wú)論NASA與社區(qū)采納那種評(píng)價(jià)方法，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)該統(tǒng)一使用具有詳細(xì)記錄和了解的工具與研究，如下面突出顯示的建議所示。

　　建議：NASA應(yīng)當(dāng)采納一個(gè)統(tǒng)一的方法來(lái)評(píng)估地球物理變量的實(shí)用性，以便實(shí)現(xiàn)量化地球科學(xué)目標(biāo)。委員會(huì)指出，這種方法也可以在地球科學(xué)10年調(diào)查中用于評(píng)估優(yōu)先建議。

　　建議：NASA應(yīng)當(dāng)擴(kuò)展其當(dāng)前任務(wù)的成本工具，為決策框架估測(cè)所需與連續(xù)性觀測(cè)相關(guān)的成本。

　　ESD官員做出明智決策的能力，需要有效益和承受力的沒(méi)有偏見、一致的信息，這些信息要在NASA規(guī)劃的適當(dāng)時(shí)間框架下定期重新評(píng)估與發(fā)布。委員會(huì)建議，這些評(píng)價(jià)的輸入內(nèi)容應(yīng)當(dāng)來(lái)自諸如提交的提案以及對(duì)觀測(cè)倡議者的面談等來(lái)源。

　　建議：NASA地球科學(xué)處應(yīng)當(dāng)為量化地球科學(xué)與應(yīng)用及其配套觀測(cè)的嚴(yán)格評(píng)估與修正，建立常規(guī)流程。委員會(huì)建議，創(chuàng)建一個(gè)類似當(dāng)前對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行的高級(jí)評(píng)審，利用來(lái)自不同科學(xué)界的高級(jí)研究人員，并為ESD主任提出一致性的建議。

　　綜上所述，委員會(huì)提供了以下建議：

　　建議：NASA應(yīng)當(dāng)建立以價(jià)值為基礎(chǔ)的決策途徑，包括清晰的對(duì)建議框架特性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，以及通向價(jià)值評(píng)估的明確的總結(jié)方法。

　　__________________________________________ 

　　1 2015年7月1日生效，該機(jī)構(gòu)被稱為國(guó)家科學(xué)、工程與醫(yī)學(xué)院。本報(bào)告關(guān)于國(guó)家研究委員會(huì)的引用被用于7月1日前的歷史背景識(shí)別計(jì)劃中。

　　2 本報(bào)告中委員會(huì)使用的地球物理變量及其他幾個(gè)術(shù)語(yǔ)的定義見專欄2.1。

　　3 委員會(huì)就有關(guān)框架特點(diǎn)選擇進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間辯論；目標(biāo)是得出一套很大程度上獨(dú)立的最少量特性（指標(biāo)），將能對(duì)連續(xù)性觀測(cè)的提議提供有意義評(píng)價(jià)。認(rèn)識(shí)到這些指標(biāo)在統(tǒng)計(jì)意義上并不完全獨(dú)立。例如，成功率（S）和承受力（A）并不完全獨(dú)立；然而，它們之間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，以至于在框架中保留兩者非常必要。舉個(gè)例子：NASA“買跌”風(fēng)險(xiǎn)（即，通過(guò)降低A提高S）的能力，因?yàn)榧夹g(shù)復(fù)雜不容易量化；同樣，計(jì)算其他國(guó)家和國(guó)際合作伙伴戰(zhàn)略計(jì)劃為例——一個(gè)棘手的問(wèn)題——在框架內(nèi)分別處理成功和承受力因素，比較容易處理。因此，委員會(huì)選擇保留成功率與承受力兩個(gè)特性。通過(guò)保留成功率，決策過(guò)程中對(duì)不確定性的把握更容易實(shí)現(xiàn)。

　　4 委員會(huì)指出，與氣候變化目標(biāo)有關(guān)的觀測(cè)，質(zhì)量要求往往在全球范圍內(nèi)會(huì)最嚴(yán)格，在劃區(qū)或區(qū)域尺度上要求并不太高。（南極上空的臭氧、氣溶膠區(qū)域變化以及極地冰蓋等屬于例外，在那些地方，區(qū)域人類信號(hào)可以在全球性平均信號(hào)之前被探測(cè)到。）因此，在本報(bào)告的許多例子中，儀器的精度與可重復(fù)性，常被全球平均水平分析驅(qū)動(dòng)。然而，委員會(huì)的分析框架可在任何空間尺度下用于量化目標(biāo)。

　　參考文獻(xiàn)

　　NRC（國(guó)家研究理事會(huì)），2007，地球科學(xué)與空間應(yīng)用：今后10年及更長(zhǎng)期未來(lái)的國(guó)家要?jiǎng)?wù)，國(guó)家科學(xué)院出版社，華盛頓特區(qū)。

　　NRC，2012，地球科學(xué)與空間應(yīng)用：NASA實(shí)施10年調(diào)查中期評(píng)估，國(guó)家科學(xué)院出版社，華盛頓特區(qū)。

　　原文題目：Continuity.of.NASA.Earth.Observations.from.Space—A.Value.Framework

　　資料來(lái)源：http://www.nap.edu/21789

（黃銘瑞編譯，殷永元審核）