航天技術與自然災害管理

· 文|北京空間科技信息研究所 原民輝

航天技術與自然災害管理

· 文|北京空間科技信息研究所 原民輝

隨著人類改造自然能力的不斷增強，自然災害已經成為影響和威脅經濟社會可持續發展的重要問題。為有效應對自然災害的嚴峻威脅，國際上已經逐步認識到并證明，航天在自然災害管理中有不可替代的優勢和作用；同時，自然災害管理也是航天技術面臨的核心命題之一。

一、關于自然災害的基本認識和理解

人類的高度文明在自然災害面前表現得十分脆弱，隨著經濟發展進入科技日新月異，人類社會更易遭受更大損失，面臨來自諸多方面的嚴重挑戰。目前，除戰爭、動亂和人類發展所導致的資源環境問題以外，重大自然災害破壞，已經成為社會發展的最關鍵制約因素。

1．自然災害的影響

現代人類文明的發展進步使得人口和財富更加集中，自然災害作用于人類的破壞性日益增大，全球范圍內的重大自然災害形勢日趨嚴峻。雖然科技水平和防災救災能力更高，但在重大自然災害面前也更易產生重大損失、次生災害，甚至鏈式效應。

據世界減災大會發布的災情報告統計，全球在20世紀末的10年間共發生重大自然災害事件4653件，致傷30億人次，直接經濟損失3400億美元。1990年至今，災情有增無減，頻率增加3.2倍，年死亡和受傷人數分別增加5.2和6.9倍，這意味著全球平均31人中就會有1人遭災，每3.1萬人中就會有1人死亡。另據《時代》周刊2011年7月的研究顯示，在過去的30年內，全球的自然災害所造成的損失較之前呈現了大幅上升的趨勢，2010年自然災害所造成的損失是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、海嘯災害，造成損失超過1800億美元，死亡達14704人，并導致了核電站核泄漏等嚴重的次生生態災害，影響遠超蘇聯的切爾諾貝利核電站事故。

歐盟和世界銀行于2011年發布了名為《利用高分辨率衛星數據評估城市自然災害危險》的研究報告。該報告預測了未來自然災害對人類社會的影響，并指出全球快速城市化將導致受災人口日益增大，災害損失越來越大。此外，世界銀行于2013年發布名為《構建彈性：將氣候和災害風險融入發展》的研究報告，報告指出過去30年間，因自然災害導致的死亡人數達2500萬人，經濟損失達4萬億美元。相比于1980年因自然災害造成的500億美元年損失，2012年因自然災害造成的年損失竟達2000億美元。

2．自然災害的形成因素

一般來說，自然災害來源于宇宙空間、地球演化和人類活動所誘發的各種地球上的自然變異，這種自然變異的運行規律是復雜的，是多種因素造成的綜合性結果，當這種變異給人類社會帶來危害時，就形成了自然災害。引發自然災害的因素眾多，常見因素主要包括突發性和漸變性兩類。

突發性自然災害是指地震、火山爆發、泥石流、滑坡、海嘯、臺風、洪水、冰凍等；漸變性自然災害是指地面沉降、土地沙漠化、干旱、海平面上升、海岸線變化等。

此外，除了上述地球系統內的常見自然災害，隨著人類活動范圍的擴大，以及人類視野和影響范圍的拓展，還有兩個能引起重大自然災害的潛在重要因素必須引起重視：第一，要重視地球上人類活動與自然的相互影響，尤其是人類的現代生產活動所推動的自然變異，進而產生的新型自然災害，比如臭氧層變化和空洞、水體污染、水土流失、酸雨等；第二，要重視地外天體對地球系統的影響，比如太陽活動活躍對人類無線電通信、地球磁場、地殼運動等方面的不良影響、潛在的小行星或其他空間物體對地球的撞擊威脅等。

二、重大自然災害管理是航天技術應用的重要領域

1．航天技術在自然災害管理中的作用與優勢

航天技術在自然災害管理中具有不可替代的優勢和重大潛力，通過航天技術的廣泛應用，能夠極大地豐富人類認識自然災害的手段，顯著提高人類應對自然災害的能力。航天技術在自然災害管理中的主要優勢包括覆蓋范圍廣，易于實現大區域甚至全球尺度動態信息獲取與通信、導航保障；生存能力強，系統魯棒性高，不受地面災害的影響；效費比高，一次性投資低，系統擴展性強。

航天技術在自然災害管理中的主要作用包括：提供全球范圍內的長期觀測和感知手段，為災害機理研究、災害預報和防災救災提供技術支持；為災害救援提供災區信息獲取、救災指揮通信和導航等保障；為災后恢復重建提供地理勘察、城鄉規劃等遙感服務支持。

2．國際航天界對自然災害管理的認識、行動與貢獻

（1）把自然災害管理作為航天發展的重要方向和國際合作的重要領域

2010年，國際宇航科學院（IAA）發布的4個倡議國際航天界共同關注并大力合作的重要領域研究報告中，有兩個報告與自然災害管理問題直接緊密相關——《基于空間技術的自然災害管理》、《氣候變化與綠色系統中的空間應用》。

這兩個研究報告指出，世界未來的自然災害管理將面臨更加嚴峻的形勢，航天技術在其中的作用將越來越大，未來需要重點發展和加強國際合作的方向包括建立衛星綜合觀測體系、加強現有的國際合作機制、重視早期預警模型的開發、增強通信網絡的建設、形成數據共享政策、努力促進能力建設、增強政府與非政府組織的合作等內容。

（2）大力發展用于研究、預測和應對自然災害的航天技術

美國政府非常重視衛星在自然災害管理中的應用，美國的氣象衛星、遙感衛星、科學衛星、通信衛星、導航衛星已廣泛應用于災害監測預報、預警、實時評估和恢復重建。目前，美國面向自然災害管理的主要衛星包括國家海洋與大氣管理局（NOAA）的氣象衛星、地球觀測系統（EOS）中的地球科學衛星、各類民用和商用遙感衛星、各類通信衛星，以及導航衛星。

·NOAA的氣象衛星

NOAA目前擁有極軌環境業務衛星系統（POES）和地球靜止軌道業務環境衛星系統（GOES），主要應用于臺風監測、暴雨和洪澇災害監測、森林草原火情監測、地震監測、積雪監測、全球氣候變化監測等方面。

★ 極軌環境業務衛星（POES）和地球靜止業務環境衛星（GOES）

·地球觀測系統（EOS）中的地球科學衛星

美國的EOS建立天、空、地一體化的綜合對地觀測系統，對大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈、土壤圈、冰凍圈和人類圈七大圈層進行綜合觀測，以全球性的整體觀、系統觀和多時空尺度來研究地球整體行為。

·各類民用、商用遙感衛星

美國相繼發展了一系列高分辨率商業遙感衛星，其中GeoEye-1衛星分辨率達0.41m。2014年8月，美國發射WorldView-3衛星，最高分辨率達0.31m。另外，美國還發展了Landsat民用陸地資源衛星系列。這些衛星在災前預報、災后救援與重建等方面都發揮了重要作用。

★ WorldView-3衛星

★ GeoEye-1衛星

歐洲也發展了“哥白尼”和“地球探測”計劃，來應對自然災害。“哥白尼”計劃即原“全球環境與安全監測”（GMES）計劃，于1998年開始論證，目前處于部署應用階段。該計劃包括6顆“哨兵”衛星，涵蓋可見光、多光譜、超光譜、合成孔徑雷達、雷達高度計等多種遙感手段，形成全球性觀測網絡，長期監測陸地、大氣、海洋以及天氣、氣候和環境變化，同時支持歐盟的外交和安全政策。

歐洲同時實施的“地球探測”計劃重點解決災害管理中地球科學領域的重大科學問題，驗證和示范對地觀測關鍵技術及其應用。歐洲具體發展了針對水、冰、風、重力場、磁場、云和氣溶膠等專題的探測衛星。

（3）加強國際合作，可以進一步提高自然災害管理能力

現代的自然災害已經日趨成為全球性的現象，影響區域大，已經突破了國界的限制。因此，自然災害管理必然肩負著國際合作的屬性。對于這一問題，國際航天界已經開始了相關行動，建成了一系列基于國際合作的、應對自然災害的組織、機制，在災害管理領域作出了重要貢獻。

目前，國際上成立的與自然災害相關的合作組織包括世界氣象組織（WMO）、全球綜合地球觀測系統（GEOSS）、聯合國災害管理與應急反應天基信息平臺（UN-SPIDER）、空間與重大災害國際憲章（CHARTER）、亞洲哨兵計劃（Sentinel-Asia）、亞洲減災大會（多個組織參加，包括WMO） 等。

其中，CHARTER在災害管理領域發揮了重要作用。我國自2007年加入CHARTER以來，針對國內發生的重大災害共啟動20余次遙感監測行動，包括：淮河流域洪水、重慶洪澇、四川汶川地震、青海玉樹地震、甘肅舟曲泥石流等重大自然災害。 目前，CHARTER機制已成為我國針對重大災害進行遙感監測的重要數據來源之一，同時我國也通過CHARTER 機制，多次為國際減災救災行動作出重要貢獻。

（4）國際航天界在幾次重大自然災害中的作用與貢獻

近幾年，全球性的重大自然災害頻繁發生，國際航天界在這些自然災害中發揮了一定的作用和貢獻。

·航天技術在美國颶風監測中的作用

2011年4月25日至4月28日，美國南部多州遭受超過180次颶風襲擊，造成339人遇難，1700人受傷，成為近30年來最具破壞力的颶風災害之一。5月22日，又一場破壞性極強的颶風橫掃美國中西部，其中密蘇里州喬普林市正面受襲，受災最為嚴重，至少151人喪生，1500人失蹤，數千幢房屋被夷為平地。在這次災害中，美國和歐洲的多顆光學（“水”衛星、“土”衛星、Landsat、IKONOS、GOES-13衛星等）和SAR遙感衛星對颶風進行了全程實時監測，美國航空航天局戈達德空間飛行中心還利用衛星采集的颶風到來之前、之中、之后的連續圖像數據進行影像模擬，揭示出引發喬普林颶風的風暴演化過程，并預測颶風路徑。但另一方面，雖然美國已經初步具備了颶風路徑的監測和預報能力，并根據遙感衛星的數據信息提前預報路徑，但尚缺乏準確預估風暴強度的能力。因此風暴強度的迅速升級卻讓人們始料不及，造成了重大損失。

★ 航天技術監測美國颶風

為解決這類問題，美國進一步發展對颶風強度的預測能力，利用搭載微波輻射計的在軌衛星，開展了監測熱帶風暴結構的動態變化并預測其強度突變的系統研究，并已經取得初步研究成果。

由于大型自然災害發生時，常規地面通信會遭到嚴重破壞，因此，多類通信衛星在重大自然災害管理中發揮了重要作用，這些通信衛星主要包括“銥”星系統（Iridium）和全球星系統（ Globalstar ）。

2005年的“卡特里娜”颶風使美國新奧爾良地區60％的移動電話和70％的廣播電臺癱瘓，200萬移動用戶無法通信，而固定衛星通信、移動衛星通信、衛星廣播電視等100％正常工作，沒有受到破壞，在救援和災后重建中，衛星通信發揮了第一響應的關鍵作用。

·航天技術在日本地震中的應用

2011年3月11日，日本仙臺以東130km處發生9.0級地震，震源深度32km。1小時后，地震引發的海嘯襲擊了日本沿海多地，連環災害共造成14704人死亡，10969人失蹤，基礎設施損壞嚴重。

災害發生后，多國的遙感衛星在第一時間向日本提供了災區的衛星數據，為研判、監測、評估、應對災情提供了強有力的支撐，發揮了積極顯著的作用。地震發生后，日本即啟動了國際減災合作機制，向CHARTER所屬的19個成員提出申請，有20余顆遙感衛星為日本提供災區衛星圖片數據。

★ 航天技術監測日本地震

多國的各類衛星不僅對地震造成的地表破壞進行了全方面的監測，還對地震造成的地殼變化等地球內部運行狀態進行了分析。比如JAXA利用ALOS搭載的L頻段PALSAR對本州島東北部開展了差分干涉合成孔徑雷達（DInSAR）測量，并通過與2010年10月28日的PALSAR數據對比，分析了3月11日仙臺東130km處9.0級地震和3月19日茨城縣北部6.1級余震對地殼產生的影響。干涉數據表明觀測地區的地殼發生了明顯的變形和位移。其中9.0級地震使震源西北方向的太平洋沿海地區相對于本州島最北部的下北半島移動了3m以上，同時伴有地面下沉和向東移動現象。之后的6.1級余震則使茨城縣北部的高荻地面移動了30～40cm。

另外，地震發生后，德國衛星危機信息中心（ZKI）第一時間向JAXA交付了多幅由RapidEye衛星和TerraSAR-X衛星拍攝的災區高分辨率圖像，有效評估了宮城縣等沿海地區因海水淹沒而造成的受災程度。美國地質勘探局（USGS）緊急調用Landsat-7衛星，沿日本太平洋海岸線由北向南對海嘯淹沒地區進行了觀測，并對內陸低地的淹沒情況進行了分級。數據表明本州島北部八戶、釜石、仙臺等地區的受淹情況較為嚴重。

美國商業高分辨率衛星公司GeoEye和Digital Globe也對日本地震引發的海嘯和核危機作出了快速響應。IKONOS衛星于3月12日上午10∶36（日本標準時）拍攝的宮城縣名取郡的1m分辨率衛星圖像顯示地震和海嘯對建筑物、車輛和基礎設施造成了大范圍的破壞，整個地區被海水淹沒、沖刷，留下一片廢墟。IKONOS衛星還于當日對福島多地和仙臺機場進行了1m分辨率成像，仙臺機場跑道被海水淹沒，建筑損毀嚴重。3月13日，GeoEye-1衛星拍攝的0.41m分辨率的大船渡町圖像顯示海嘯將沿海房屋和設施夷為平地，這是災難發生后通過國際憲章組織交付日本的最高分辨率的衛星圖像數據。此外，WorldView-2和GeoEye-1衛星還對福島核電站進行了高分辨率成像，實時跟蹤核電站危機發展和修復工作進展情況。

三、自然災害管理對航天技術的挑戰

自然災害管理是一個復雜的科學技術與組織管理體系，從長遠目標和需求來看，其在科學技術方面對航天提出的挑戰主要包括以下兩個方面：一是重大自然災害的機理研究與預測，二是對重大自然災害的快速響應能力。

1．重大自然災害的機理研究與預測

機理研究與預測是一個復雜的基礎性科學技術問題。2003年，《NASA地球科學事業戰略》報告將機理研究與預測總結為以下幾個基本問題：①了解并描述地球是怎樣變化的（Variability：變化性）；②識別并測定地球系統變化的主要原因（Forcing：驅動力）；③認識地球系統如何響應自然和人為變化（Response：響應）；④確定地球系統變化對人類文明的后果（Consequence：后果）；⑤實現對地球系統未來變化的預測（Prediction：預測）。

很多自然災害及其影響都是全球性的，并與全球范圍地球系統的綜合變化相關。美國航天界很早就已認識到，災害管理和地球科學相關研究必須將地球看做一個陸地、大氣、海洋、冰蓋及地球內部相互作用的動態系統，這一深刻認識導致了一個新的跨學科領域——“地球系統科學”的誕生。地球上水圈、巖石圈、氣圈間的相互作用，以及碳循環等都應該放到全球范圍內，進行立體化、精細化、綜合化的研究和認識。

2．自然災害管理對航天技術的需求與挑戰

自然災害機理研究與預測的前提必須建立在全面、廣泛、深入、細致、持久的認識自然的基礎上，對地球系統運行演變規律與致災機理、自然災害的征兆與發生過程、各類自然災害之間的聯系與相互作用等主要問題有著足夠深入、完整的認識。這些問題對航天提出了一些新的挑戰和迫切需求。

（1）地質災害監測對航天技術的需求及挑戰

目的：對地表形變進行測量。將地表的變化、形變來作為地震、火山爆發和山體滑坡等地質災害預報的重要指標。

主要技術手段：干涉雷達、激光雷達、重力場測量、導航衛星和遙感衛星等技術。

（2）地震監測對航天技術的需求及挑戰

目的：獲取和監測地震發生前后的電離層異常、紅外輻射異常、地殼形變等現象和數據，為地震預測提供研究支撐。

主要技術手段：電離層探測、紅外探測、地磁場測量、重力場測量、導航衛星和遙感衛星等技術。

（3）環境污染監測對航天技術的需求及挑戰

目的：對地球大氣、水體、土壤等環境污染現象進行測量。監測氣溶膠、臭氧層、海洋漏油、水體污染、赤潮、土壤污染等數據。

主要技術手段：多光譜/高光譜遙感器、微波遙感器、掩星探測、氣象衛星、靜止軌道污染事件監測衛星等技術。

（4）火險監測對航天技術的需求及挑戰

目的：對森林、草原等重點區域提供火災預警信息，對處于火災危險的居民區內燃燒物（植被和建筑物）進行制圖，為火災風險評估和火災發生模型的輸入提供高精度的數據。

主要技術手段：紅外遙感器、激光雷達、成像光譜儀、各類遙感衛星和氣象衛星等技術。

（5）溫室氣體監測對航天技術的需求及挑戰

目的：提供全球范圍內的高精度、高時空分辨率以及適當尺度的溫室氣體及其循環過程監測數據。

主要技術手段：高分辨率與超高分辨率光譜儀、激光遙感儀器等。監測對象從二氧化碳向氧化亞氮、甲烷等其他溫室氣體擴展。或者通過觀測對象和觀測要素推算溫室氣體。

（6）降水測量監測對航天技術的需求及挑戰

目的：測量并描繪云特征以及與其相關的降水過程，對降雨的數量以及區域分布格局方面的詳細分析，可促進氣候變化研究取得突破性進展。

主要技術手段：專用的降水測量微波雷達、氣象衛星等。

（7）土壤濕度與海洋鹽度測量對航天技術的需求及挑戰

目的：監測全球土壤濕度，繪制海表鹽度，有助于深入了解全球水循環，更好地進行遠期天氣預報與季節預報，預測干旱、大范圍冰雪等極端氣象災害。

主要技術手段： L頻段綜合孔徑微波輻射計、主被動聯合探測鹽度計、海洋衛星、陸地衛星等。

（8）太陽輻射收支測量對航天技術的需求及挑戰

目的：測量地球對太陽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，有助于對地球氣候變化最主要的驅動力和主導因素的研究。

主要技術手段：輻照度監測儀、偏振測量儀、遙感衛星等。

自然災害的機理研究與預測是一項涵蓋了科學理論研究和工程技術驗證的復雜的系統工程，航天技術不可能解決所有問題。但是，航天作為重要手段之一，與其他各類技術手段有機結合，將顯著地增強我國對重大自然災害機理和發生規律的認知能力。特別是在長期持續監測、全球大尺度測量、綜合環境感知等方面，航天技術具有其獨特和不可替代的優勢。

綜合來看，重大自然災害的機理研究與預測需要航天提供如下技術支持：

全球范圍的長期、持續、及時的地球系統觀測與信息獲取；

多系統、多維度、多尺度信息和知識的積累、融合；

地球-宇宙能量與物質交換過程的觀測；

宇宙運動與演化過程的觀測。

3．對重大自然災害的快速響應能力

重大自然災害具有與戰爭類似的特征，并且其潛伏性、不確定性和突發性等特征比戰爭更為突出。 因此，應對重大自然災害必須建立類似于“作戰”的理念，針對災前、災中、災后的不同特點和需求，根據“備戰”和“作戰”需求，建設由災害機理研究、災害預測預報和防災減災等系統組成，長期、穩定、一體化運行，“平戰結合”的重大自然災害管理體系，特別是要重點提高對重大自然災害的快速響應能力。

國內外實踐和經驗表明，要形成對重大自然災害的快速響應能力，對航天技術及其應用的要求主要包括以下4個方面：

長期穩定運行、功能完備、網絡化的空間基礎設施；

支持信息快速接收、處理與分發的地面網絡；

應對重大災害的快速決策能力；

災害應急與快速補網能力。

四、結束語

當前，自然災害已經成為人類生存和發展的關鍵議題，也是實踐科學發展觀，實現社會和經濟可持續性增長、建設“美麗中國”所面臨的嚴峻挑戰。為了更好地應對重大自然災害，應該一方面提升、完善、發展航天技術在自然災害監測、預測中的應用能力；另一方面將航天技術融入到自然災害產生機理和演變規律的科學研究中去，探索應對自然災害的最優解決方法。在學習和繼承國外先進發展經驗的基礎上，融合我國的國情和技術基礎，以科學發展觀指導實踐，全面、合理地謀劃我國自然災害管理系統的發展。