全球干旱衛(wèi)星監(jiān)測計劃

范錦龍張明偉曹廣真張曉煜武建軍

（1 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；2 寧夏氣象科學(xué)研究所，銀川 750002；3 北京師范大學(xué)，北京 100875）

全球干旱衛(wèi)星監(jiān)測計劃

范錦龍1張明偉1曹廣真1張曉煜2武建軍3

（1 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；2 寧夏氣象科學(xué)研究所，銀川 750002；3 北京師范大學(xué)，北京 100875）

干旱是損失最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,干旱監(jiān)測已受到了廣泛關(guān)注。目前,干旱的遙感監(jiān)測取得了很好的進(jìn)展,但是針對全球干旱的監(jiān)測并未與基于氣象數(shù)據(jù)的全球干旱信息系統(tǒng)實現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。2007年以來,地球觀測組織提倡實施全球干旱監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng),以充分利用遙感的全球監(jiān)測能力,而2008年發(fā)生的西方金融危機(jī)影響了全球干旱監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)的建設(shè)。2011年全球20國集團(tuán)農(nóng)業(yè)部長確認(rèn)的地球觀測組織全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測計劃再次給全球干旱監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)的建設(shè)帶來了新的機(jī)會。美國已經(jīng)用MODIS數(shù)據(jù)監(jiān)測全球干旱以及干旱造成的作物減產(chǎn)分布,中國的風(fēng)云衛(wèi)星也具有全球干旱監(jiān)測的潛力,國際社會應(yīng)該努力推動建立集成遙感監(jiān)測的全球干旱監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng),為決策者及時提供干旱信息,以便積極應(yīng)對可能發(fā)生的干旱,減輕干旱對國家社會經(jīng)濟(jì)的影響。

全球干旱,農(nóng)業(yè)干旱,干旱監(jiān)測,衛(wèi)星監(jiān)測,風(fēng)云衛(wèi)星

1 引言

干旱發(fā)生頻率較高、范圍較廣，全球多數(shù)國家均遭受干旱的影響，干旱已經(jīng)成為全球最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，每年干旱造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千億美元[1]。干旱按類型一般分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會經(jīng)濟(jì)干旱。很多干旱指標(biāo)被提出并運用于表征不同類型的干旱。其中，氣象干旱的研究最深入、應(yīng)用最成熟，氣象觀測數(shù)據(jù)常用于計算這些干旱指標(biāo)。然而，氣象干旱存在與地面干旱實際反應(yīng)不一致的問題，水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱比較接近實際的地面干旱。水文干旱監(jiān)測需要水文觀測數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)往往由于敏感性和保密的原因，廣大研究者不能及時獲取這些數(shù)據(jù)，因而限制了其應(yīng)用。農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測也存在一定困難，但是遙感數(shù)據(jù)的易得性卻推動了農(nóng)業(yè)干旱衛(wèi)星監(jiān)測的發(fā)展。研究表明，世界范圍內(nèi)已存在各種各樣的、不同區(qū)域的、國家級或地方級的干旱衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)，但是與氣象數(shù)據(jù)的結(jié)合，特別是面向全球的干旱衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)的建立卻剛剛開始。自2007年以來，國際社會已向這個方向推動。地球觀測組織

（GEO）推動的全球干旱監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)和現(xiàn)在提出的全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測計劃無疑將帶動全球干旱衛(wèi)星監(jiān)測的進(jìn)步。

2 全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測計劃

作為政府間的國際組織，GEO為全球各國從事地球觀測的單位提供了一個基礎(chǔ)平臺，支持相關(guān)合作單位提出新項目，協(xié)調(diào)全球地球觀測戰(zhàn)略計劃和有關(guān)資金的投資方向。GEO基于十年實施計劃（2005—2015年）協(xié)調(diào)建設(shè)全球綜合地球觀測系統(tǒng)（GEOSS）[2-3]，并為GEOSS確定了框架結(jié)構(gòu)、目標(biāo)、范圍以及9個社會受益領(lǐng)域，即災(zāi)害、健康、能源、氣候、水、天氣、生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)和生物多樣性。

農(nóng)業(yè)作為GEOSS確定的其中一個社會受益領(lǐng)域，2015年前主要推動地球觀測數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用和提高應(yīng)用能力來促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)和林業(yè)的預(yù)警、風(fēng)險評估、糧食安全、市場效率和沙漠化防御，通過發(fā)布天氣預(yù)報、風(fēng)暴和極端事件早期預(yù)警、中長期氣候預(yù)測、水污染以及水的供給信息來支持農(nóng)業(yè)可持續(xù)管理。為此，GEO正在協(xié)調(diào)全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的各個組成部分，為農(nóng)業(yè)管理決策提供可靠透明的信息。目前，全球已經(jīng)存在4個全球級的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，其他大多數(shù)是國家級或區(qū)域級的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。2007年，在GEO的推動下，運行這些農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的單位代表、相關(guān)大學(xué)的研究人員、對農(nóng)業(yè)監(jiān)測有濃厚興趣的學(xué)者、管理者以及重要的國際組織代表，包括聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）、世界氣象組織（WMO），共同發(fā)起和推動成立了GEO全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測專家委員會?，F(xiàn)在該委員會擁有全球300多名人員，幾乎包括了全球從事農(nóng)業(yè)監(jiān)測的重要專家、學(xué)者和管理者。

GEO全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測計劃（GEO-GLAM）是GEO農(nóng)業(yè)社會受益領(lǐng)域的一個國際計劃，其目的是通過利用地球觀測數(shù)據(jù)和技術(shù)加強(qiáng)全球糧食產(chǎn)量的監(jiān)測和估計，增強(qiáng)國際社會對全球、重點國家、重點區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)測和糧食產(chǎn)量的預(yù)測能力，同時作為聯(lián)合國糧食和農(nóng)業(yè)組織正在建設(shè)的全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測信息系統(tǒng)的全球糧食產(chǎn)量的輸入源。該計劃（圖1）共分為6部分：（1）增強(qiáng)國家的農(nóng)業(yè)監(jiān)測能力；（2）加強(qiáng)存在糧食安全風(fēng)險的國家的監(jiān)測；（3）加強(qiáng)全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)；（4）協(xié)調(diào)衛(wèi)星和地面觀測數(shù)據(jù)的獲??；（5）協(xié)調(diào)研究和技術(shù)開發(fā)；（6）分發(fā)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品和信息。GEO-GLAM要求全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測委員會提高協(xié)調(diào)水平，同時借助一些從事地球觀測相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)和組織推動協(xié)調(diào)工作，如地球觀測衛(wèi)星委員會（CEOS）和WMO。

GEO-GLAM在全球有很大的影響力，全球20國集團(tuán)的農(nóng)業(yè)部長們認(rèn)為GEO是利用地球觀測技術(shù)促進(jìn)實施全球農(nóng)作物產(chǎn)量監(jiān)測的最合適機(jī)構(gòu)，并把GEOGLAM列為他們控制全球糧食價格波動行動計劃的一部分。全球20國集團(tuán)元首再次于2011年11月在戛納舉行的全球20國集團(tuán)國家元首會議上確認(rèn)了GEOGLAM，并承諾給予大力支持。

3 全球干旱監(jiān)測計劃

世界很多國家已經(jīng)開展了干旱監(jiān)測、評估、響應(yīng)、減緩、應(yīng)對和早期預(yù)警的研究工作。2006年，美國開始建設(shè)協(xié)調(diào)和綜合的國家干旱早期預(yù)警系統(tǒng)（DEWS），并隨后建成了國家綜合干旱信息系統(tǒng)（NIDIS）。2007年，地球觀測部長峰會接受美國建議，計劃未來十年在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上建立全球干旱早期預(yù)警系統(tǒng)（GDEWS），推動全球干旱數(shù)據(jù)和信息共享，加強(qiáng)溝通和能力建設(shè)，全面監(jiān)測全球范圍內(nèi)威脅逐漸增加的干旱，在危機(jī)發(fā)生期間及時發(fā)布區(qū)域干旱預(yù)警評價信息。然而，由于隨后發(fā)生的金融危機(jī)，進(jìn)展很緩慢[1]。但是，干旱監(jiān)測在北美洲很成功。在GEO的框架下，美國通過與加拿大和墨西哥的合作，利用美國干旱信息和服務(wù)交換中心和基于網(wǎng)絡(luò)的美國干旱門戶網(wǎng)站NIDIS（圖2），開發(fā)了北美干旱監(jiān)測系統(tǒng)[4]。

GEO的全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測委員會具有建立全球干旱衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)的能力。MODIS產(chǎn)品（例如，16d合成、250m分辨率的歸一化植被指數(shù)NDVI）已經(jīng)用來監(jiān)測全球范圍內(nèi)因旱災(zāi)造成的作物減產(chǎn)情況，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)界面查詢預(yù)先定置區(qū)域的數(shù)據(jù)并進(jìn)行農(nóng)作物長勢和旱情分析，也可進(jìn)行交互式區(qū)域設(shè)置，制作生長季的植被指數(shù)圖，通過比較植被指數(shù)異常，如與上一年比較和與多年平均比較，制作當(dāng)前和多年植被指數(shù)差

值圖，監(jiān)測當(dāng)前的農(nóng)作物生長狀況。圖3是2010年6月26日—7月11日的植被指數(shù)差值圖（與2000—2009年平均植被指數(shù)的差），顯示了干旱對作物生長的影響。

圖1 全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測計劃組成部分

中國風(fēng)云（FY）氣象衛(wèi)星也具有監(jiān)測全球干旱的能力。盡管風(fēng)云衛(wèi)星是針對天氣應(yīng)用設(shè)計的，但是在其他領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)監(jiān)測是其中的一個關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域。FY-3號是第二代極軌氣象衛(wèi)星，F(xiàn)Y-3A和FY-3B分別于2008年和2010年發(fā)射成功。FY-3A和FY-3B均攜帶11個有效載荷，其中可見光近紅外掃描輻射計（VIRR）和中分辨率成像儀（MERSI）是農(nóng)業(yè)監(jiān)測的關(guān)鍵傳感器。FY-MERSI與NOAA/AVHRR、EOS/MODIS或者ENVISAT/MERSI擁有相似的觀測能力，可監(jiān)測不同尺度旱災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展。當(dāng)前，國家衛(wèi)星氣象中心可業(yè)務(wù)化的提供全國植被生長監(jiān)測和植被干旱監(jiān)測。圖4為風(fēng)云衛(wèi)星植被監(jiān)測和干旱監(jiān)測的樣例。隨著世界干旱監(jiān)測需求的增加，這些應(yīng)用有望推廣到其他區(qū)域。此外，國家氣候中心也開展了干旱監(jiān)測、預(yù)測預(yù)警和影響評估工作，業(yè)務(wù)化發(fā)布全球旱澇指數(shù)、中國氣象干旱綜合指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、土壤相對濕度等系列干旱產(chǎn)品和公告，倡導(dǎo)未來干旱監(jiān)測應(yīng)從傳統(tǒng)的氣象干旱向適用于農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱監(jiān)測的綜合干旱監(jiān)測預(yù)警發(fā)展，在完善多個氣象單因子指標(biāo)開展氣象干旱監(jiān)測的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展土壤濕度、蒸發(fā)量、地下水位以及衛(wèi)星遙感資料在干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)中的定量化應(yīng)用，探索多部門聯(lián)合開展干旱綜合監(jiān)測評估的業(yè)務(wù)流程，為抗旱減災(zāi)提供決策服務(wù)信息。

歐盟委員會（EC）的合作研究中心（JRC）在MARS項目的支持下，定期發(fā)布利用植被指數(shù)、基于能量平衡的蒸散量以及微波指數(shù)等監(jiān)測的作物生長狀況。加拿大農(nóng)業(yè)部門發(fā)布基于NOAA AVHRR的NDVI的作物生長狀況周報和農(nóng)業(yè)氣象統(tǒng)計信息。印度空間部的國家遙感部門利用國家農(nóng)業(yè)干旱評估和監(jiān)測系統(tǒng)[5]，使用NOAA AVHRR和IRS WiFS NDVI以及天氣預(yù)報信息，定期發(fā)布更小的行政單元的兩周干旱公告和月報。類似的系統(tǒng)在全球其他國家也存在。然而，盡管在一些區(qū)域和洲的干旱監(jiān)測已經(jīng)成功，但是全球干旱衛(wèi)星監(jiān)測信息系統(tǒng)仍未出現(xiàn)。全球干旱衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)仍然面臨著各部障礙，包括技術(shù)、數(shù)據(jù)、觀測網(wǎng)絡(luò)、通訊、跨國際邊界的行政和政治問題。

圖2 美國干旱監(jiān)測門戶和北美干旱監(jiān)測信息頁面

圖3 俄羅斯伏爾加地區(qū)干旱衛(wèi)星監(jiān)測圖

圖4 風(fēng)云衛(wèi)星干旱監(jiān)測產(chǎn)品

4 國際社會對全球干旱衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)的推動

2010年春季，國際上組織了一系列研討會，推動全球干旱衛(wèi)星監(jiān)測的合作。2010年4月，在美國召開的干旱研討會，倡導(dǎo)國際社會在干旱監(jiān)測問題上的合作，提出了監(jiān)測干旱的改進(jìn)手段和發(fā)布干旱監(jiān)測信息的改進(jìn)機(jī)制[1]。2012年4月11—13日，世界氣候研究計劃的全球干旱信息系統(tǒng)研討會召開，該研討會集中討論了建設(shè)全球干旱信息系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟，這個系統(tǒng)是建立在全球已有的干旱監(jiān)測、干旱風(fēng)險管理和短期氣候預(yù)測的基礎(chǔ)上。中國科學(xué)家也于2012年6月3—5日召開了“全球氣候變化下的干旱監(jiān)測、評估和計劃國際研討會”，為來自不同國家和組織的科學(xué)家提供了一個展示干旱研究成果和分享經(jīng)驗的機(jī)會。隨后“農(nóng)業(yè)干旱和水資源GEOSS研討會”也于2012年10月24—25日在北京召開，該會議為農(nóng)學(xué)和水資源的研究者們提供了分享經(jīng)驗和討論在水的利用、農(nóng)業(yè)干旱、農(nóng)業(yè)開發(fā)和氣候變化之間相互作用的最新進(jìn)展的平臺。2013年3月11—15日，WMO、FAO和防治荒漠化公約（UNCCD）聯(lián)合舉辦了國家干旱政策高層研討會，會后發(fā)表了宣言，號召全球各國制訂和實施國家干旱管理政策，合力改善干旱預(yù)測和及時分發(fā)預(yù)測信息，以便提前采取措施，減緩干旱影響。

5 展望

干旱已不是個別國家、個別區(qū)域關(guān)注的環(huán)境問題。最近幾年，國際社會認(rèn)識到了干旱的全球影響，從技術(shù)上和政策方面已在推動建立全球干旱衛(wèi)星監(jiān)測和預(yù)測信息系統(tǒng)。GEO自2007年以來倡導(dǎo)實施全球干旱早期預(yù)警系統(tǒng)，全球20國集團(tuán)農(nóng)業(yè)部長認(rèn)可的GEO-GLAM將帶動全球干旱監(jiān)測信息系統(tǒng)的建設(shè)，聯(lián)合國號召全球各國建立國家干旱管理政策。從技術(shù)層面講，多數(shù)國家的干旱監(jiān)測是基于干旱相關(guān)的地面觀測，如降水、天氣、作物狀態(tài)和水資源可利用量等，衛(wèi)星觀測是這些地面觀測的很好補(bǔ)充，衛(wèi)星可提供大范圍、高頻次的干旱監(jiān)測。國際上建立集成遙感監(jiān)測的全球干旱監(jiān)測系統(tǒng)的能力是存在的，國際社會應(yīng)該一起努力，推動早日建成集成遙感監(jiān)測的全球干旱監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)。

[1]Brewer M J, Heim R R. International drought workshop series. Bull Amer Meteor Soc, 2011, 92: 29-31.

[2]馮筠, 高峰, 黃新宇. 構(gòu)建天地一體化的全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)—三次國際地球觀測峰會與GEOSS. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2005, 20(12): 1327-1333.

[3]范錦龍. 地球觀測數(shù)據(jù)衛(wèi)星分發(fā)系統(tǒng)發(fā)展綜述. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2012, 27(7): 712-716.

[4]Heim R R, Brewer M J. The development of an international drought clearinghouse and summary of results of the April 2010 global drought assessment workshop. Proc second int conf on climate, sustainability and development in semi-arid regions, Fortaleza, Brazil, Government of Ceará State.

[5]Das H P. Satellite based agro-advisory service. Satellite remote sensing and GIS applications in agricultural meteorology, proceedings of the training workshop, 7-11 July, 2003, Dehra Dun, India.

Global Drought Monitoring Initiative with Satellite Data

Fan Jinlong1, Zhang Mingwei1, Cao Guangzhen1, Zhang Xiaoyu2, Wu Jianjun3
(1 National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 Ningxia Institute of Meteorological Sciences, Yinchuan 750002 3 Beijing Normal University, Beijing 100875)

Drought, one of the severe natural hazards, occurs frequently and widely in the world. Attentions have been drawn to the fi eld of drought monitoring. It has never been well integrated with global drought information system based on the meteorological data, although the global drought monitoring with satellite data has made great progress in the past. Since 2007, the GEO has started to advocate and implement a global drought monitoring and early warning information system in order to devolop the global observing capacity of remote sensing. However, the following fi nance crisis in the west world adversely affected the implementation of this system. In 2011, the agricultural ministers of G20 noticed and recognized the Global Agricultural Monitoring Initiative of GEO, which has provided a new opportunity of promoting the implementation of a global drought monitoring and early warning information system. MODIS data have been successfully used in the US to monitor global crop growth and the loss distribution of crop production due to drought. In China, Fengyun Satellite has a global observing capacity for the global drought monitoring and the relevant support should be there to make this system real. International community should jointly promote the implementation of a global drought monitoring and early warning information system with a remote sensing component in order to provide the decision makers with the drought information and cope with the forthcoming drought.

global drought, agricultural drought, drought monitoring, satellite monitoring, Fengyun satellite

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.05.006

2013年3月25日；

2013年6月21日

范錦龍（1975—），E-mail: fanjl@cma.gov.cn

資助信息：國際合作項目（2012DFG21710）；國家科技支撐計劃項目（2012BAH29B02）