· 文|北京空間科技信息研究所 原民輝

航天技術(shù)與自然災(zāi)害管理

· 文|北京空間科技信息研究所 原民輝

隨著人類(lèi)改造自然能力的不斷增強(qiáng)，自然災(zāi)害已經(jīng)成為影響和威脅經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題。為有效應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的嚴(yán)峻威脅，國(guó)際上已經(jīng)逐步認(rèn)識(shí)到并證明，航天在自然災(zāi)害管理中有不可替代的優(yōu)勢(shì)和作用；同時(shí)，自然災(zāi)害管理也是航天技術(shù)面臨的核心命題之一。

一、關(guān)于自然災(zāi)害的基本認(rèn)識(shí)和理解

人類(lèi)的高度文明在自然災(zāi)害面前表現(xiàn)得十分脆弱，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入科技日新月異，人類(lèi)社會(huì)更易遭受更大損失，面臨來(lái)自諸多方面的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。目前，除戰(zhàn)爭(zhēng)、動(dòng)亂和人類(lèi)發(fā)展所導(dǎo)致的資源環(huán)境問(wèn)題以外，重大自然災(zāi)害破壞，已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展的最關(guān)鍵制約因素。

1．自然災(zāi)害的影響

現(xiàn)代人類(lèi)文明的發(fā)展進(jìn)步使得人口和財(cái)富更加集中，自然災(zāi)害作用于人類(lèi)的破壞性日益增大，全球范圍內(nèi)的重大自然災(zāi)害形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。雖然科技水平和防災(zāi)救災(zāi)能力更高，但在重大自然災(zāi)害面前也更易產(chǎn)生重大損失、次生災(zāi)害，甚至鏈?zhǔn)叫?yīng)。

據(jù)世界減災(zāi)大會(huì)發(fā)布的災(zāi)情報(bào)告統(tǒng)計(jì)，全球在20世紀(jì)末的10年間共發(fā)生重大自然災(zāi)害事件4653件，致傷30億人次，直接經(jīng)濟(jì)損失3400億美元。1990年至今，災(zāi)情有增無(wú)減，頻率增加3.2倍，年死亡和受傷人數(shù)分別增加5.2和6.9倍，這意味著全球平均31人中就會(huì)有1人遭災(zāi)，每3.1萬(wàn)人中就會(huì)有1人死亡。另?yè)?jù)《時(shí)代》周刊2011年7月的研究顯示，在過(guò)去的30年內(nèi)，全球的自然災(zāi)害所造成的損失較之前呈現(xiàn)了大幅上升的趨勢(shì)，2010年自然災(zāi)害所造成的損失是1980年的兩倍多。例如，1995年1月27日的日本阪神大地震，造成損失1000億美元，死亡5438人。而2011年3月11日的日本地震、海嘯災(zāi)害，造成損失超過(guò)1800億美元，死亡達(dá)14704人，并導(dǎo)致了核電站核泄漏等嚴(yán)重的次生生態(tài)災(zāi)害，影響遠(yuǎn)超蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站事故。

歐盟和世界銀行于2011年發(fā)布了名為《利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)評(píng)估城市自然災(zāi)害危險(xiǎn)》的研究報(bào)告。該報(bào)告預(yù)測(cè)了未來(lái)自然災(zāi)害對(duì)人類(lèi)社會(huì)的影響，并指出全球快速城市化將導(dǎo)致受災(zāi)人口日益增大，災(zāi)害損失越來(lái)越大。此外，世界銀行于2013年發(fā)布名為《構(gòu)建彈性：將氣候和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)融入發(fā)展》的研究報(bào)告，報(bào)告指出過(guò)去30年間，因自然災(zāi)害導(dǎo)致的死亡人數(shù)達(dá)2500萬(wàn)人，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4萬(wàn)億美元。相比于1980年因自然災(zāi)害造成的500億美元年損失，2012年因自然災(zāi)害造成的年損失竟達(dá)2000億美元。

2．自然災(zāi)害的形成因素

一般來(lái)說(shuō)，自然災(zāi)害來(lái)源于宇宙空間、地球演化和人類(lèi)活動(dòng)所誘發(fā)的各種地球上的自然變異，這種自然變異的運(yùn)行規(guī)律是復(fù)雜的，是多種因素造成的綜合性結(jié)果，當(dāng)這種變異給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)危害時(shí)，就形成了自然災(zāi)害。引發(fā)自然災(zāi)害的因素眾多，常見(jiàn)因素主要包括突發(fā)性和漸變性?xún)深?lèi)。

突發(fā)性自然災(zāi)害是指地震、火山爆發(fā)、泥石流、滑坡、海嘯、臺(tái)風(fēng)、洪水、冰凍等；漸變性自然災(zāi)害是指地面沉降、土地沙漠化、干旱、海平面上升、海岸線變化等。

此外，除了上述地球系統(tǒng)內(nèi)的常見(jiàn)自然災(zāi)害，隨著人類(lèi)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，以及人類(lèi)視野和影響范圍的拓展，還有兩個(gè)能引起重大自然災(zāi)害的潛在重要因素必須引起重視：第一，要重視地球上人類(lèi)活動(dòng)與自然的相互影響，尤其是人類(lèi)的現(xiàn)代生產(chǎn)活動(dòng)所推動(dòng)的自然變異，進(jìn)而產(chǎn)生的新型自然災(zāi)害，比如臭氧層變化和空洞、水體污染、水土流失、酸雨等；第二，要重視地外天體對(duì)地球系統(tǒng)的影響，比如太陽(yáng)活動(dòng)活躍對(duì)人類(lèi)無(wú)線電通信、地球磁場(chǎng)、地殼運(yùn)動(dòng)等方面的不良影響、潛在的小行星或其他空間物體對(duì)地球的撞擊威脅等。

二、重大自然災(zāi)害管理是航天技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域

1．航天技術(shù)在自然災(zāi)害管理中的作用與優(yōu)勢(shì)

航天技術(shù)在自然災(zāi)害管理中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)和重大潛力，通過(guò)航天技術(shù)的廣泛應(yīng)用，能夠極大地豐富人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然災(zāi)害的手段，顯著提高人類(lèi)應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的能力。航天技術(shù)在自然災(zāi)害管理中的主要優(yōu)勢(shì)包括覆蓋范圍廣，易于實(shí)現(xiàn)大區(qū)域甚至全球尺度動(dòng)態(tài)信息獲取與通信、導(dǎo)航保障；生存能力強(qiáng)，系統(tǒng)魯棒性高，不受地面災(zāi)害的影響；效費(fèi)比高，一次性投資低，系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)。

航天技術(shù)在自然災(zāi)害管理中的主要作用包括：提供全球范圍內(nèi)的長(zhǎng)期觀測(cè)和感知手段，為災(zāi)害機(jī)理研究、災(zāi)害預(yù)報(bào)和防災(zāi)救災(zāi)提供技術(shù)支持；為災(zāi)害救援提供災(zāi)區(qū)信息獲取、救災(zāi)指揮通信和導(dǎo)航等保障；為災(zāi)后恢復(fù)重建提供地理勘察、城鄉(xiāng)規(guī)劃等遙感服務(wù)支持。

2．國(guó)際航天界對(duì)自然災(zāi)害管理的認(rèn)識(shí)、行動(dòng)與貢獻(xiàn)

（1）把自然災(zāi)害管理作為航天發(fā)展的重要方向和國(guó)際合作的重要領(lǐng)域

2010年，國(guó)際宇航科學(xué)院（IAA）發(fā)布的4個(gè)倡議國(guó)際航天界共同關(guān)注并大力合作的重要領(lǐng)域研究報(bào)告中，有兩個(gè)報(bào)告與自然災(zāi)害管理問(wèn)題直接緊密相關(guān)——《基于空間技術(shù)的自然災(zāi)害管理》、《氣候變化與綠色系統(tǒng)中的空間應(yīng)用》。

這兩個(gè)研究報(bào)告指出，世界未來(lái)的自然災(zāi)害管理將面臨更加嚴(yán)峻的形勢(shì)，航天技術(shù)在其中的作用將越來(lái)越大，未來(lái)需要重點(diǎn)發(fā)展和加強(qiáng)國(guó)際合作的方向包括建立衛(wèi)星綜合觀測(cè)體系、加強(qiáng)現(xiàn)有的國(guó)際合作機(jī)制、重視早期預(yù)警模型的開(kāi)發(fā)、增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、形成數(shù)據(jù)共享政策、努力促進(jìn)能力建設(shè)、增強(qiáng)政府與非政府組織的合作等內(nèi)容。

（2）大力發(fā)展用于研究、預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的航天技術(shù)

美國(guó)政府非常重視衛(wèi)星在自然災(zāi)害管理中的應(yīng)用，美國(guó)的氣象衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、科學(xué)衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星已廣泛應(yīng)用于災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、預(yù)警、實(shí)時(shí)評(píng)估和恢復(fù)重建。目前，美國(guó)面向自然災(zāi)害管理的主要衛(wèi)星包括國(guó)家海洋與大氣管理局（NOAA）的氣象衛(wèi)星、地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）中的地球科學(xué)衛(wèi)星、各類(lèi)民用和商用遙感衛(wèi)星、各類(lèi)通信衛(wèi)星，以及導(dǎo)航衛(wèi)星。

·NOAA的氣象衛(wèi)星

NOAA目前擁有極軌環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)（POES）和地球靜止軌道業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)（GOES），主要應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)、暴雨和洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、森林草原火情監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)測(cè)、積雪監(jiān)測(cè)、全球氣候變化監(jiān)測(cè)等方面。

★ 極軌環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星（POES）和地球靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星（GOES）

·地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）中的地球科學(xué)衛(wèi)星

美國(guó)的EOS建立天、空、地一體化的綜合對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈、土壤圈、冰凍圈和人類(lèi)圈七大圈層進(jìn)行綜合觀測(cè)，以全球性的整體觀、系統(tǒng)觀和多時(shí)空尺度來(lái)研究地球整體行為。

·各類(lèi)民用、商用遙感衛(wèi)星

美國(guó)相繼發(fā)展了一系列高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星，其中GeoEye-1衛(wèi)星分辨率達(dá)0.41m。2014年8月，美國(guó)發(fā)射WorldView-3衛(wèi)星，最高分辨率達(dá)0.31m。另外，美國(guó)還發(fā)展了Landsat民用陸地資源衛(wèi)星系列。這些衛(wèi)星在災(zāi)前預(yù)報(bào)、災(zāi)后救援與重建等方面都發(fā)揮了重要作用。

★ WorldView-3衛(wèi)星

★ GeoEye-1衛(wèi)星

歐洲也發(fā)展了“哥白尼”和“地球探測(cè)”計(jì)劃，來(lái)應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害?！案绨啄帷庇?jì)劃即原“全球環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)”（GMES）計(jì)劃，于1998年開(kāi)始論證，目前處于部署應(yīng)用階段。該計(jì)劃包括6顆“哨兵”衛(wèi)星，涵蓋可見(jiàn)光、多光譜、超光譜、合成孔徑雷達(dá)、雷達(dá)高度計(jì)等多種遙感手段，形成全球性觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)陸地、大氣、海洋以及天氣、氣候和環(huán)境變化，同時(shí)支持歐盟的外交和安全政策。

歐洲同時(shí)實(shí)施的“地球探測(cè)”計(jì)劃重點(diǎn)解決災(zāi)害管理中地球科學(xué)領(lǐng)域的重大科學(xué)問(wèn)題，驗(yàn)證和示范對(duì)地觀測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用。歐洲具體發(fā)展了針對(duì)水、冰、風(fēng)、重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、云和氣溶膠等專(zhuān)題的探測(cè)衛(wèi)星。

（3）加強(qiáng)國(guó)際合作，可以進(jìn)一步提高自然災(zāi)害管理能力

現(xiàn)代的自然災(zāi)害已經(jīng)日趨成為全球性的現(xiàn)象，影響區(qū)域大，已經(jīng)突破了國(guó)界的限制。因此，自然災(zāi)害管理必然肩負(fù)著國(guó)際合作的屬性。對(duì)于這一問(wèn)題，國(guó)際航天界已經(jīng)開(kāi)始了相關(guān)行動(dòng)，建成了一系列基于國(guó)際合作的、應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的組織、機(jī)制，在災(zāi)害管理領(lǐng)域作出了重要貢獻(xiàn)。

目前，國(guó)際上成立的與自然災(zāi)害相關(guān)的合作組織包括世界氣象組織（WMO）、全球綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)（GEOSS）、聯(lián)合國(guó)災(zāi)害管理與應(yīng)急反應(yīng)天基信息平臺(tái)（UN-SPIDER）、空間與重大災(zāi)害國(guó)際憲章（CHARTER）、亞洲哨兵計(jì)劃（Sentinel-Asia）、亞洲減災(zāi)大會(huì)（多個(gè)組織參加，包括WMO） 等。

其中，CHARTER在災(zāi)害管理領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。我國(guó)自2007年加入CHARTER以來(lái)，針對(duì)國(guó)內(nèi)發(fā)生的重大災(zāi)害共啟動(dòng)20余次遙感監(jiān)測(cè)行動(dòng)，包括：淮河流域洪水、重慶洪澇、四川汶川地震、青海玉樹(shù)地震、甘肅舟曲泥石流等重大自然災(zāi)害。 目前，CHARTER機(jī)制已成為我國(guó)針對(duì)重大災(zāi)害進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源之一，同時(shí)我國(guó)也通過(guò)CHARTER 機(jī)制，多次為國(guó)際減災(zāi)救災(zāi)行動(dòng)作出重要貢獻(xiàn)。

（4）國(guó)際航天界在幾次重大自然災(zāi)害中的作用與貢獻(xiàn)

近幾年，全球性的重大自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，國(guó)際航天界在這些自然災(zāi)害中發(fā)揮了一定的作用和貢獻(xiàn)。

·航天技術(shù)在美國(guó)颶風(fēng)監(jiān)測(cè)中的作用

2011年4月25日至4月28日，美國(guó)南部多州遭受超過(guò)180次颶風(fēng)襲擊，造成339人遇難，1700人受傷，成為近30年來(lái)最具破壞力的颶風(fēng)災(zāi)害之一。5月22日，又一場(chǎng)破壞性極強(qiáng)的颶風(fēng)橫掃美國(guó)中西部，其中密蘇里州喬普林市正面受襲，受災(zāi)最為嚴(yán)重，至少151人喪生，1500人失蹤，數(shù)千幢房屋被夷為平地。在這次災(zāi)害中，美國(guó)和歐洲的多顆光學(xué)（“水”衛(wèi)星、“土”衛(wèi)星、Landsat、IKONOS、GOES-13衛(wèi)星等）和SAR遙感衛(wèi)星對(duì)颶風(fēng)進(jìn)行了全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，美國(guó)航空航天局戈達(dá)德空間飛行中心還利用衛(wèi)星采集的颶風(fēng)到來(lái)之前、之中、之后的連續(xù)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行影像模擬，揭示出引發(fā)喬普林颶風(fēng)的風(fēng)暴演化過(guò)程，并預(yù)測(cè)颶風(fēng)路徑。但另一方面，雖然美國(guó)已經(jīng)初步具備了颶風(fēng)路徑的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)能力，并根據(jù)遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)信息提前預(yù)報(bào)路徑，但尚缺乏準(zhǔn)確預(yù)估風(fēng)暴強(qiáng)度的能力。因此風(fēng)暴強(qiáng)度的迅速升級(jí)卻讓人們始料不及，造成了重大損失。

★ 航天技術(shù)監(jiān)測(cè)美國(guó)颶風(fēng)

為解決這類(lèi)問(wèn)題，美國(guó)進(jìn)一步發(fā)展對(duì)颶風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)能力，利用搭載微波輻射計(jì)的在軌衛(wèi)星，開(kāi)展了監(jiān)測(cè)熱帶風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化并預(yù)測(cè)其強(qiáng)度突變的系統(tǒng)研究，并已經(jīng)取得初步研究成果。

由于大型自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，常規(guī)地面通信會(huì)遭到嚴(yán)重破壞，因此，多類(lèi)通信衛(wèi)星在重大自然災(zāi)害管理中發(fā)揮了重要作用，這些通信衛(wèi)星主要包括“銥”星系統(tǒng)（Iridium）和全球星系統(tǒng)（ Globalstar ）。

2005年的“卡特里娜”颶風(fēng)使美國(guó)新奧爾良地區(qū)60％的移動(dòng)電話(huà)和70％的廣播電臺(tái)癱瘓，200萬(wàn)移動(dòng)用戶(hù)無(wú)法通信，而固定衛(wèi)星通信、移動(dòng)衛(wèi)星通信、衛(wèi)星廣播電視等100％正常工作，沒(méi)有受到破壞，在救援和災(zāi)后重建中，衛(wèi)星通信發(fā)揮了第一響應(yīng)的關(guān)鍵作用。

·航天技術(shù)在日本地震中的應(yīng)用

2011年3月11日，日本仙臺(tái)以東130km處發(fā)生9.0級(jí)地震，震源深度32km。1小時(shí)后，地震引發(fā)的海嘯襲擊了日本沿海多地，連環(huán)災(zāi)害共造成14704人死亡，10969人失蹤，基礎(chǔ)設(shè)施損壞嚴(yán)重。

災(zāi)害發(fā)生后，多國(guó)的遙感衛(wèi)星在第一時(shí)間向日本提供了災(zāi)區(qū)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，為研判、監(jiān)測(cè)、評(píng)估、應(yīng)對(duì)災(zāi)情提供了強(qiáng)有力的支撐，發(fā)揮了積極顯著的作用。地震發(fā)生后，日本即啟動(dòng)了國(guó)際減災(zāi)合作機(jī)制，向CHARTER所屬的19個(gè)成員提出申請(qǐng)，有20余顆遙感衛(wèi)星為日本提供災(zāi)區(qū)衛(wèi)星圖片數(shù)據(jù)。

★ 航天技術(shù)監(jiān)測(cè)日本地震

多國(guó)的各類(lèi)衛(wèi)星不僅對(duì)地震造成的地表破壞進(jìn)行了全方面的監(jiān)測(cè)，還對(duì)地震造成的地殼變化等地球內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析。比如JAXA利用ALOS搭載的L頻段PALSAR對(duì)本州島東北部開(kāi)展了差分干涉合成孔徑雷達(dá)（DInSAR）測(cè)量，并通過(guò)與2010年10月28日的PALSAR數(shù)據(jù)對(duì)比，分析了3月11日仙臺(tái)東130km處9.0級(jí)地震和3月19日茨城縣北部6.1級(jí)余震對(duì)地殼產(chǎn)生的影響。干涉數(shù)據(jù)表明觀測(cè)地區(qū)的地殼發(fā)生了明顯的變形和位移。其中9.0級(jí)地震使震源西北方向的太平洋沿海地區(qū)相對(duì)于本州島最北部的下北半島移動(dòng)了3m以上，同時(shí)伴有地面下沉和向東移動(dòng)現(xiàn)象。之后的6.1級(jí)余震則使茨城縣北部的高荻地面移動(dòng)了30～40cm。

另外，地震發(fā)生后，德國(guó)衛(wèi)星危機(jī)信息中心（ZKI）第一時(shí)間向JAXA交付了多幅由RapidEye衛(wèi)星和TerraSAR-X衛(wèi)星拍攝的災(zāi)區(qū)高分辨率圖像，有效評(píng)估了宮城縣等沿海地區(qū)因海水淹沒(méi)而造成的受災(zāi)程度。美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）緊急調(diào)用Landsat-7衛(wèi)星，沿日本太平洋海岸線由北向南對(duì)海嘯淹沒(méi)地區(qū)進(jìn)行了觀測(cè)，并對(duì)內(nèi)陸低地的淹沒(méi)情況進(jìn)行了分級(jí)。數(shù)據(jù)表明本州島北部八戶(hù)、釜石、仙臺(tái)等地區(qū)的受淹情況較為嚴(yán)重。

美國(guó)商業(yè)高分辨率衛(wèi)星公司GeoEye和Digital Globe也對(duì)日本地震引發(fā)的海嘯和核危機(jī)作出了快速響應(yīng)。IKONOS衛(wèi)星于3月12日上午10∶36（日本標(biāo)準(zhǔn)時(shí)）拍攝的宮城縣名取郡的1m分辨率衛(wèi)星圖像顯示地震和海嘯對(duì)建筑物、車(chē)輛和基礎(chǔ)設(shè)施造成了大范圍的破壞，整個(gè)地區(qū)被海水淹沒(méi)、沖刷，留下一片廢墟。IKONOS衛(wèi)星還于當(dāng)日對(duì)福島多地和仙臺(tái)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了1m分辨率成像，仙臺(tái)機(jī)場(chǎng)跑道被海水淹沒(méi)，建筑損毀嚴(yán)重。3月13日，GeoEye-1衛(wèi)星拍攝的0.41m分辨率的大船渡町圖像顯示海嘯將沿海房屋和設(shè)施夷為平地，這是災(zāi)難發(fā)生后通過(guò)國(guó)際憲章組織交付日本的最高分辨率的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)。此外，WorldView-2和GeoEye-1衛(wèi)星還對(duì)福島核電站進(jìn)行了高分辨率成像，實(shí)時(shí)跟蹤核電站危機(jī)發(fā)展和修復(fù)工作進(jìn)展情況。

三、自然災(zāi)害管理對(duì)航天技術(shù)的挑戰(zhàn)

自然災(zāi)害管理是一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)與組織管理體系，從長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)和需求來(lái)看，其在科學(xué)技術(shù)方面對(duì)航天提出的挑戰(zhàn)主要包括以下兩個(gè)方面：一是重大自然災(zāi)害的機(jī)理研究與預(yù)測(cè)，二是對(duì)重大自然災(zāi)害的快速響應(yīng)能力。

1．重大自然災(zāi)害的機(jī)理研究與預(yù)測(cè)

機(jī)理研究與預(yù)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的基礎(chǔ)性科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。2003年，《NASA地球科學(xué)事業(yè)戰(zhàn)略》報(bào)告將機(jī)理研究與預(yù)測(cè)總結(jié)為以下幾個(gè)基本問(wèn)題：①了解并描述地球是怎樣變化的（Variability：變化性）；②識(shí)別并測(cè)定地球系統(tǒng)變化的主要原因（Forcing：驅(qū)動(dòng)力）；③認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)如何響應(yīng)自然和人為變化（Response：響應(yīng)）；④確定地球系統(tǒng)變化對(duì)人類(lèi)文明的后果（Consequence：后果）；⑤實(shí)現(xiàn)對(duì)地球系統(tǒng)未來(lái)變化的預(yù)測(cè)（Prediction：預(yù)測(cè)）。

很多自然災(zāi)害及其影響都是全球性的，并與全球范圍地球系統(tǒng)的綜合變化相關(guān)。美國(guó)航天界很早就已認(rèn)識(shí)到，災(zāi)害管理和地球科學(xué)相關(guān)研究必須將地球看做一個(gè)陸地、大氣、海洋、冰蓋及地球內(nèi)部相互作用的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，這一深刻認(rèn)識(shí)導(dǎo)致了一個(gè)新的跨學(xué)科領(lǐng)域——“地球系統(tǒng)科學(xué)”的誕生。地球上水圈、巖石圈、氣圈間的相互作用，以及碳循環(huán)等都應(yīng)該放到全球范圍內(nèi)，進(jìn)行立體化、精細(xì)化、綜合化的研究和認(rèn)識(shí)。

2．自然災(zāi)害管理對(duì)航天技術(shù)的需求與挑戰(zhàn)

自然災(zāi)害機(jī)理研究與預(yù)測(cè)的前提必須建立在全面、廣泛、深入、細(xì)致、持久的認(rèn)識(shí)自然的基礎(chǔ)上，對(duì)地球系統(tǒng)運(yùn)行演變規(guī)律與致災(zāi)機(jī)理、自然災(zāi)害的征兆與發(fā)生過(guò)程、各類(lèi)自然災(zāi)害之間的聯(lián)系與相互作用等主要問(wèn)題有著足夠深入、完整的認(rèn)識(shí)。這些問(wèn)題對(duì)航天提出了一些新的挑戰(zhàn)和迫切需求。

（1）地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)對(duì)航天技術(shù)的需求及挑戰(zhàn)

目的：對(duì)地表形變進(jìn)行測(cè)量。將地表的變化、形變來(lái)作為地震、火山爆發(fā)和山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)的重要指標(biāo)。

主要技術(shù)手段：干涉雷達(dá)、激光雷達(dá)、重力場(chǎng)測(cè)量、導(dǎo)航衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星等技術(shù)。

（2）地震監(jiān)測(cè)對(duì)航天技術(shù)的需求及挑戰(zhàn)

目的：獲取和監(jiān)測(cè)地震發(fā)生前后的電離層異常、紅外輻射異常、地殼形變等現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，為地震預(yù)測(cè)提供研究支撐。

主要技術(shù)手段：電離層探測(cè)、紅外探測(cè)、地磁場(chǎng)測(cè)量、重力場(chǎng)測(cè)量、導(dǎo)航衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星等技術(shù)。

（3）環(huán)境污染監(jiān)測(cè)對(duì)航天技術(shù)的需求及挑戰(zhàn)

目的：對(duì)地球大氣、水體、土壤等環(huán)境污染現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量。監(jiān)測(cè)氣溶膠、臭氧層、海洋漏油、水體污染、赤潮、土壤污染等數(shù)據(jù)。

主要技術(shù)手段：多光譜/高光譜遙感器、微波遙感器、掩星探測(cè)、氣象衛(wèi)星、靜止軌道污染事件監(jiān)測(cè)衛(wèi)星等技術(shù)。

（4）火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)航天技術(shù)的需求及挑戰(zhàn)

目的：對(duì)森林、草原等重點(diǎn)區(qū)域提供火災(zāi)預(yù)警信息，對(duì)處于火災(zāi)危險(xiǎn)的居民區(qū)內(nèi)燃燒物（植被和建筑物）進(jìn)行制圖，為火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和火災(zāi)發(fā)生模型的輸入提供高精度的數(shù)據(jù)。

主要技術(shù)手段：紅外遙感器、激光雷達(dá)、成像光譜儀、各類(lèi)遙感衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星等技術(shù)。

（5）溫室氣體監(jiān)測(cè)對(duì)航天技術(shù)的需求及挑戰(zhàn)

目的：提供全球范圍內(nèi)的高精度、高時(shí)空分辨率以及適當(dāng)尺度的溫室氣體及其循環(huán)過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

主要技術(shù)手段：高分辨率與超高分辨率光譜儀、激光遙感儀器等。監(jiān)測(cè)對(duì)象從二氧化碳向氧化亞氮、甲烷等其他溫室氣體擴(kuò)展。或者通過(guò)觀測(cè)對(duì)象和觀測(cè)要素推算溫室氣體。

（6）降水測(cè)量監(jiān)測(cè)對(duì)航天技術(shù)的需求及挑戰(zhàn)

目的：測(cè)量并描繪云特征以及與其相關(guān)的降水過(guò)程，對(duì)降雨的數(shù)量以及區(qū)域分布格局方面的詳細(xì)分析，可促進(jìn)氣候變化研究取得突破性進(jìn)展。

主要技術(shù)手段：專(zhuān)用的降水測(cè)量微波雷達(dá)、氣象衛(wèi)星等。

（7）土壤濕度與海洋鹽度測(cè)量對(duì)航天技術(shù)的需求及挑戰(zhàn)

目的：監(jiān)測(cè)全球土壤濕度，繪制海表鹽度，有助于深入了解全球水循環(huán)，更好地進(jìn)行遠(yuǎn)期天氣預(yù)報(bào)與季節(jié)預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)干旱、大范圍冰雪等極端氣象災(zāi)害。

主要技術(shù)手段： L頻段綜合孔徑微波輻射計(jì)、主被動(dòng)聯(lián)合探測(cè)鹽度計(jì)、海洋衛(wèi)星、陸地衛(wèi)星等。

（8）太陽(yáng)輻射收支測(cè)量對(duì)航天技術(shù)的需求及挑戰(zhàn)

目的：測(cè)量地球?qū)μ?yáng)輻射的吸收量以及地球以輻射形式釋放的能量，獲得氣候變化的基本參數(shù)，有助于對(duì)地球氣候變化最主要的驅(qū)動(dòng)力和主導(dǎo)因素的研究。

主要技術(shù)手段：輻照度監(jiān)測(cè)儀、偏振測(cè)量?jī)x、遙感衛(wèi)星等。

自然災(zāi)害的機(jī)理研究與預(yù)測(cè)是一項(xiàng)涵蓋了科學(xué)理論研究和工程技術(shù)驗(yàn)證的復(fù)雜的系統(tǒng)工程，航天技術(shù)不可能解決所有問(wèn)題。但是，航天作為重要手段之一，與其他各類(lèi)技術(shù)手段有機(jī)結(jié)合，將顯著地增強(qiáng)我國(guó)對(duì)重大自然災(zāi)害機(jī)理和發(fā)生規(guī)律的認(rèn)知能力。特別是在長(zhǎng)期持續(xù)監(jiān)測(cè)、全球大尺度測(cè)量、綜合環(huán)境感知等方面，航天技術(shù)具有其獨(dú)特和不可替代的優(yōu)勢(shì)。

綜合來(lái)看，重大自然災(zāi)害的機(jī)理研究與預(yù)測(cè)需要航天提供如下技術(shù)支持：

全球范圍的長(zhǎng)期、持續(xù)、及時(shí)的地球系統(tǒng)觀測(cè)與信息獲?。?/p>

多系統(tǒng)、多維度、多尺度信息和知識(shí)的積累、融合；

地球-宇宙能量與物質(zhì)交換過(guò)程的觀測(cè)；

宇宙運(yùn)動(dòng)與演化過(guò)程的觀測(cè)。

3．對(duì)重大自然災(zāi)害的快速響應(yīng)能力

重大自然災(zāi)害具有與戰(zhàn)爭(zhēng)類(lèi)似的特征，并且其潛伏性、不確定性和突發(fā)性等特征比戰(zhàn)爭(zhēng)更為突出。 因此，應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害必須建立類(lèi)似于“作戰(zhàn)”的理念，針對(duì)災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后的不同特點(diǎn)和需求，根據(jù)“備戰(zhàn)”和“作戰(zhàn)”需求，建設(shè)由災(zāi)害機(jī)理研究、災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)等系統(tǒng)組成，長(zhǎng)期、穩(wěn)定、一體化運(yùn)行，“平戰(zhàn)結(jié)合”的重大自然災(zāi)害管理體系，特別是要重點(diǎn)提高對(duì)重大自然災(zāi)害的快速響應(yīng)能力。

國(guó)內(nèi)外實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)表明，要形成對(duì)重大自然災(zāi)害的快速響應(yīng)能力，對(duì)航天技術(shù)及其應(yīng)用的要求主要包括以下4個(gè)方面：

長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、功能完備、網(wǎng)絡(luò)化的空間基礎(chǔ)設(shè)施；

支持信息快速接收、處理與分發(fā)的地面網(wǎng)絡(luò)；

應(yīng)對(duì)重大災(zāi)害的快速?zèng)Q策能力；

災(zāi)害應(yīng)急與快速補(bǔ)網(wǎng)能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，自然災(zāi)害已經(jīng)成為人類(lèi)生存和發(fā)展的關(guān)鍵議題，也是實(shí)踐科學(xué)發(fā)展觀，實(shí)現(xiàn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性增長(zhǎng)、建設(shè)“美麗中國(guó)”所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了更好地應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害，應(yīng)該一方面提升、完善、發(fā)展航天技術(shù)在自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)中的應(yīng)用能力；另一方面將航天技術(shù)融入到自然災(zāi)害產(chǎn)生機(jī)理和演變規(guī)律的科學(xué)研究中去，探索應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的最優(yōu)解決方法。在學(xué)習(xí)和繼承國(guó)外先進(jìn)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，融合我國(guó)的國(guó)情和技術(shù)基礎(chǔ)，以科學(xué)發(fā)展觀指導(dǎo)實(shí)踐，全面、合理地謀劃我國(guó)自然災(zāi)害管理系統(tǒng)的發(fā)展。