NOAA發布《2020—2026年研究與發展願景重點領域》報告

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2020年6月，美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）發布《2020—2026年研究與發展（R&D）願景重點領域》（NOAA Research and Development Vision Areas: 2020-2026）的報告，規劃了未來七年的研究與發展重點領域，並將納入NOAA的年度運營計劃，根據實際預算、新興技術和社會需求變化進行適當調整。報告對R&D的三個願景重點領域的關鍵問題，都明確了目標和優先事項，指導COVID-19影響背景下NOAA 2020—2026年研究與發展方向。

1 減少災害天氣及其他環境現象的社會影響

關鍵問題1：如何改善災害天氣及其他環境現象的預測及預警?

NOAA將提供基礎數據、模型、預報以及信息產品和服務，以更好地為社區、生態系統和經濟做好應對高影響環境事件的準備。

未來的目標是：①利用基於社區的方法，結合高性能計算和過程理解的進展，開發和運行下一代天氣和乾旱系統集成模型；②開發一個跨越時間和流域尺度的綜合物理和生態水模型，以適當的時效性、解析度、可靠性和準確性幫助決策；③將水質（包括溫度、鹽度、溶解和懸浮成分）與相關決策支持服務集成到水資源綜合預測能力中；④對影響危險天氣發生率和嚴重程度的亞季節性和季節性（S2S）條件進行可靠和及時的基礎預報，並提前在S2S時間尺度上對高影響事件的成因進行分析；⑤提供快速、準確的探測和測量海嘯發生事件的手段，並提高基於模型和測量的海嘯預測能力，以改善社區的準備工作和港口的保障與運作；⑥提高對數據同化方法的理解，提高和優化特定對流災害的預測能力。

關鍵問題2：全球氣候狀況如何影響當地天氣、增加環境危害、影響水質和可利用水量?

氣候變化的物理影響會對重要的資源以及相關的保障能力產生影響，例如水、能源、交通和人類健康。NOAA將致力於更好地了解全球氣候的狀況和驅動因素，提高國家應對、適應和緩解氣候變化的能力。

未來的目標是：①貫穿全時間尺度，重點關注極端天氣和沿海洪水的影響，以及淡水資源、海冰範圍和海洋條件的變化；②推進海洋-冰凍圈-氣候過程的研究，並將其整合到氣候和天氣模型中，同時進行海洋/冰凍圈觀測；③加強對地球系統中大氣化學成分和過程的研究，量化它們對空氣品質、氣候和天氣系統的影響；④評估地球系統內部變化、自然輻射強迫（例如太陽變化、火山爆發、海洋-大氣-冰-陸地耦合變化）和輻射強迫（來自溫室氣體和氣溶膠）的變化在造成氣候系統的季節性到十年變化（包括極端情況）方面的作用；⑤確定在橫跨緯度、經度、海拔和地形的氣候各要素（如溫度、降水、能見度、風、氣溶膠、雲）的區域和季節差異的原因，以改進預測，特別是極端事件；⑥加強對北極氣候和生態系統變化的基礎認識和監測能力；⑦增進不同時間尺度上氣候現象對人類健康的影響（如高溫、與病媒有關的疾病、空氣和水質）研究。

關鍵問題3：如何提高空間天氣產品和服務的效用?

空間天氣影響許多重要的技術，NOAA試圖通過技術的變化而不斷完善產品和服務需求。

未來的目標是：①開發新的通信、導航和輻射產品，以滿足國際民用航空組織（ICAO）的需求，並建立空間天氣預報中心作為ICAO全球空間天氣中心；②將整個大氣模型-電離層等離子層電動力學模型轉換為實際業務，為通信和導航客戶提高產品規格和預測；③為即將到來的人類探索計劃、衛星業務和商業太空運輸改善輻射環境產品；④與各機構和國際合作夥伴協調，實施國家空間天氣戰略和行動計劃，以推進NOAA的產品和服務以及國家安全。

關鍵問題4：NOAA如何加強溝通、產品和服務，使決策更明智？

社會科學研究在改善NOAA的天氣、水、氣候和空間預報信息，在滿足公眾日益增長的預報需求方面發揮著關鍵作用。了解目前NOAA預報信息的使用情況，以及如何改進產品、服務和通信，以挽救生命、減少財產損失和其他負面經濟影響。

未來的目標是：①評估人們如何接收、解釋、感知和響應天氣、水、氣候和空間信息；②定義和實施最佳預測信息內容，包括風險閾值、不確定性、概率信息和交付周期，以設計產品和服務，實現有效性決策和最大化預測改進；③提高對決策需求、能力以及天氣、水、氣候和空間天氣信息使用的理解；④通過社會和行為科學評估和理解人類預測者的認知需求，了解預測者的操作決策環境，優化新建模工具和技術的可用性；⑤加強社會、行為和經濟科學在天氣、水和氣候研究和發展中的整合，以理解如何將預測的進步與社會需求相結合。

2 海洋和沿海資源的可持續利用與管理

關鍵問題1：如何利用知識、工具和技術更好地理解、保護和恢復生態系統?

環境變化和人類活動會影響生態系統相關要素的範圍、過程和功能，進而改變生態系統服務。NOAA將利用知識、決策支持工具和新興技術來確定物理、化學和生物相互作用在沿海和海洋生態系統中的作用，為資源使用決策提供信息，以更好地保護和恢復這些系統。

未來的目標是：①開發和利用新興技術，如無人駕駛飛機、水下和水面交通工具、eDNA以及被動和主動聲學測圖，以增強勘測能力，並提供關鍵海洋漁業和受保護物種種群及其棲息地的更準確、更精確和更全面的信息；②改進生物量和死亡率估計，解決新興技術的測量和過程不確定性，並在現有調查中增加環境採樣；③增加對大氣、海洋、冰凍圈和陸地力量造成的環境變化對海洋物種和生態系統的機制和綜合影響的知識和理解；④開發分析模型和工具，以了解和量化環境變化對大型海洋生態系統和相關物種，包括受保護物種的影響；⑤為沿海和海洋生態系統改進和擴大現有的創新恢復技術；⑥擴大預測生態系統和生態系統組成部分變化的能力，以應對環境驅動因素（如氣候、極端天氣、汙染、酸化、棲息地改變等）。

關鍵問題2：如何在滿足土著、娛樂和商業漁業社區需要的同時維持健康和多樣化的生態系統?

美國國內海鮮行業為美國人提供富含蛋白質的食物，同時為國家經濟貢獻就業和收入。然而，許多野生捕撈漁業資源是在其可持續限度內捕撈的。NOAA將支持海產品監測和捕撈，以可持續地滿足商業、土著和休閒漁業社區的需求。

未來的目標是：①開發新一代漁業和保護物種種群評估，將環境和氣候變化對種群動態的影響與空間特定的棲息地質量模型結合起來，在保護物種的同時優化可持續的商業、娛樂和捕撈；②改進支持海產品監測的分析方法和技術，記錄和防止非法捕撈的魚類進入美國港口和市場，實現全球可持續漁業；③開發安全和有效的方法，監測和防止因附帶捕獲非目標物種（包括魚類、海洋哺乳動物和海龜）而導致商業和休閒漁業關閉的情況；④制定環境和社會指標，增進對生態系統的了解，促進可持續的沿海發展和休閒捕魚。

關鍵問題3：如何加速美國可持續水產養殖的發展?

海產品進口目前佔美國海產品消費量的85%以上。據保守估計顯示，如果美國專屬經濟區的不到0.01%（或不到500公裡）用於水產養殖，每年可額外產出60萬公噸養殖海鮮。除了增加供應，水產養殖投資將為沿海社區提供就業和商業機會。NOAA在水產養殖生產方面將為國內和國際市場提供安全、可持續的海產品。

未來目標是：①開發模型、手冊和新技術（如eDNA），以更好地確定適合水產養殖的海洋空間，保護自然生態系統，並最大限度地減少空間使用衝突；②提高水產養殖對海洋環境、物種和棲息地影響的認識，並開發相關工具，包括儘量減少水生動物間疾病傳播；③開展促進水產養殖的研究（魚類遺傳學和應用基因組學、選擇性育種、疾病和孵化場飼料儲備），了解環境變化對水產養殖的影響；④開發和改進技術（如海洋水產養殖飼料、自動化系統）以降低成本。

關鍵問題4：海岸及海洋資源、生境及康樂設施的保育等如何與旅遊及康樂活動的增長相平衡?

人類的居住、娛樂和旅遊有可能通過海洋廢棄物、水汙染、土壤侵蝕和野生動物幹擾等方式使海洋生境退化。NOAA在為平衡沿海社區、旅遊業和娛樂業的經濟增長與維護沿海和海洋系統健康的決策提供信息。

未來目標是：①提高建模、監控和預測能力，減少海洋熱浪、缺氧等因素造成的沿海生境和資源的退化，預防有害藻華、病原體等對人類健康的威脅；②開發或改進環境傳感器和監測平臺的方法和技術，提高更好地測量相關物理和生物地球化學目標的能力（例如，精度、精密度等）；③改進恢復沿海棲息地、維持生態系統服務、促進生態旅遊和開發基於自然的適應方案的方法；④了解溫度、海洋酸化、海平面上升和有害藻華對海洋生物、生態系統和沿海社區的過程和影響。

關鍵問題5：在日益增加的海上交通和更大的船舶尺寸下，如何最大限度地提高海上交通效率和安全性?

日益增長的海上交通增加了事故發生的可能性，這些事故可能會影響到附近沿海社區的居民。美國北極地區正在出現新的航線，這使得海員獲得可靠、高效的導航產品和服務變得更加重要。NOAA將提供準確、綜合的天氣和海洋測量和模型，以便進行最新的航海預測、產品和服務，減少損害和損失，提高經濟效率。

未來目標是：①改進美國主要港口的海岸模型和其他海洋產品，用更寬的波束和更深的吃水深度來解決船隻流量增加的問題；②開發新的海洋和海冰觀測和預報能力，以改進對海洋風暴的預測，並支持極地訪問、安全和可持續利用；③糾正北極定位中的米級誤差，並提供新的垂直參考框架來支持北極導航；④支持國內外在創新型溢油和其他事故響應技術和程序方面的研發，特別是那些適合北極環境的技術和程序；⑤了解船舶運輸和海上活動增加對受保護物種安全和健康的影響。

關鍵問題6：在海洋的未開發地區存在著什麼?

據估計，91%的海洋物種尚未分類，在美國專屬經濟區的340萬平方海裡和美國沿海水域的15.4萬平方海裡中，只有41%的海洋物種使用現代方法以100米網格解析度進行了測繪。NOAA增加了對海洋資源知識的理解，使政策制定者、管理者和研究人員能夠為管理這些資源和區域做出準確的決策。

未來目標是：①通過先進的測繪技術、工具和方法，以支持海上貿易，發現考古和遺產地點，識別海洋熱點和產卵聚集地點，並擴大對海底經濟活動（如資源開採選址）的科學理解；②實現美國深層的高解析度地圖專屬經濟區和延伸大陸架，以促進審慎的資源使用和工業活動（如能源開發、礦產資源製圖、漁業特徵描述）；③利用現有和新興的觀測平臺和技術（如自主水下航行器、遙感、eDNA、組學）進行海底進一步勘探，以確定和繪製棲息地和環境特徵；④積極參與大部分未勘探的北極大陸架地區的測繪和資源監測，以獲取基線數據和隨後的長期監測建議。

關鍵問題7：NOAA如何利用和改善社會經濟信息，以增強生態系統服務、公共參與實踐和經濟效益的可持續性?

海洋和沿海資源的管理和利用受到社會經濟因素、觀念和行為的影響。人類活動直接和間接影響著現在和未來生態系統服務的數量和質量，同樣，人類的行為也受到海洋和沿海現象和資源的風險和機遇的影響。NOAA有助於開展社會科學研究，以更好地理解和支持沿海社區和遊客的安全、海洋資源的可持續性和美國經濟利益的決策過程。

未來目標是：①向水產養殖企業提供經濟研究和相關的對外規劃，以提高其效益和效率；②將捕撈行為的社會經濟驅動因素納入種群評估模型，用於發展漁業動態預測，以及未來漁獲量和種群狀況預測；③了解環境退化（例如海洋碎片、石油洩漏）和沿海災害如何影響沿海社區的經濟和社會福利，包括社會的直接和間接成本；④對實施NOAA精準導航計劃的港口進行社會經濟分析，包括效益-成本指標；⑤改進人類健康風險的信息產品的宣傳和推廣工作，並在特定事件或現象（例如，有害藻華事件或偶發事件）發生後，通過社會媒體和網絡指標評估社會中不同群體的反應；⑥改進自然基礎設施和功能良好的海岸生態系統（例如，由溼地和珊瑚減少風暴潮）減少災害影響的模型，以量化這些系統提供的風險減少服務。

3 一個強大而有效的研究、開發和轉化進程

關鍵問題1：如何集成和改進統一建模，使其在技能、效率和對涉眾服務的適應性方面得到改進?

NOAA利用模型分析和預測海洋、大氣、冰凍圈、陸地和生物圈的狀態，發展系統動力學知識，並為減輕災害和優化管理提供決策依據。然而，物理、生物地球化學和行為現象之間複雜的相互作用，使精確模擬和預測未來事件變得困難NOAA通過開發新技術、使用新的或改進的參數、嵌套和耦合地球系統建模和數據同化，提高NOAA模型的代表性和預測能力。

未來目標是：①採用統一的建模方法，通過與外部研究團體的協作，為跨學科的互操作性應用提供一個公共的、物理上一致的框架；②推進數據集成、同化和地球系統建模框架的連接，用於NOAA的研究和在全球和區域尺度上耦合大氣、海洋、陸地和冰的操作模型；③對所有NOAA可操作性模型和預測產品模型的不確定性和技能進行量化，包括對不同氣候模型之間在預測中量化的不確定性給予理解；④為多區域空間和時間尺度的氣候應用開發健全的建模降尺度技術，包括嵌入和嵌套的區域地球系統投影能力；⑤將監測的環境數據集成到高解析度的操作模型（如水動力模型）中，以產生環境預測（如鹽度和溫度），提供決策支持工具，以促進海洋資源的可持續利用和確定重要的生境；⑥開發先進的數據同化技術，增加對觀測能力的利用，並將先進的數值方法納入NOAA模型，以提高預測能力。

關鍵問題2：如何優化對地觀測及其相關平臺，以滿足NOAA的需要?

NOAA擁有、並利用合作夥伴近200個觀測系統，提供1187種產品和服務。NOAA的觀測系統（如衛星、浮標、無人系統）生成全球環境數據和圖像，用於更好地了解動態地球，並進行分析和預報。NOAA將通過擴大觀測參數、改進其配置、準確性、覆蓋範圍、解析度和有效性，優化原位觀測系統和衛星，同時最大限度地降低觀測系統成本。

未來目標是：①評估觀測數據的當前商業模式和替代品的技術能力（包括商業產品的使用），以優化NOAA當前和未來的觀測系統，降低成本；②引領環境傳感器、無人系統和其他觀測系統開發和應用的創新，以提高效率並將成本降至最低，如小型化、壓縮感知、機會平臺開發和自適應採樣；③從衛星傳感器獲取新的和增強的環境參數（如溼度、海冰），並在NOAA的業務和應用中擴大衛星觀測的開發；④引領數據處理和人工智慧（包括機器學習等技術）的創新，以提高觀測數據的高效利用；⑤與地區協會合作，支持實時數據共享產品的開發。包括來自私營部門、學術界和研究機構的貢獻，以確保海洋和沿海數據在NOAA預報中的及時和準確使用；⑥探索利用私營部門數據網絡來改進模型初始化。

關鍵問題3：如何利用和改進大數據和信息技術，加快和轉變研發工作，形成新的業務和經濟增長點?

隨著數據處理和存儲能力的提高，NOAA越來越多地使用大數據分析來創建更詳細、更準確的地球系統圖像。為了準確、有效和有用，大數據和其他大型數據集需要基礎設施技術、專業知識分析和數據可視化。NOAA將繼續改進數據的使用和獲取，加速研發工作，提高運營效率，並為更好的決策提供信息。

未來目標是：①推進大數據和人工智慧分析，利用雲計算平臺來識別、理解和預測地球系統的變化（例如，環流模式、沿海和海洋生態系統、海平面上升）；②開發方法來改善數據和信息的互操作性和同步性，通過大數據集成以促進創新、實用性和可訪問性；③結合預測分析、認知和高性能計算以及自動化，將預測信息與影響信息結合起來；④利用社會科學的先進技術和領先實踐來改進數據訪問和數據歸檔；⑤開發經濟高效的方法來處理和分析大型數據集（如數據挖掘），包括圖像、視頻和基因組數據；⑥研究混合和商用雲計算平臺，以支持與外部研究社區的積極互動，促進科學進步和創新。

關鍵問題4：NOAA如何確保其投資得到可靠的社會科學研究的支持？

NOAA致力於研發出有用的應用程式，除了提高對海洋科學研究與應用的基本了解。在研發活動的整個生命周期中還會整合社會、行為和經濟科學，滿足NOAA利益相關方的需求和協助提高公眾和其他決策者做出科學決策。NOAA在決策支持和公眾參與方面的研發工作將創造更有效的溝通、產品和服務，以吸引目標受眾並衡量長期成效和社會影響。

未來目標是：①開發和應用研究方法來評估目標受眾，並在社區層面調動利益相關群體的積極性，以提高NOAA為決策高效提供信息的能力；②利用團隊科學來確定實施方法和程序（如信心、特殊性、潛在影響、信息傳遞），以改善公眾對NOAA公告和警告（如有害藻華、安全航海、國家海洋管理、惡劣天氣警告）的認知；③開發整合氣候和生態的方法將經濟數據和人文數據集成到耦合模型和決策支持工具中，以提高對人們如何應對環境變化的理解；④與NOAA科學家合作開發課程、展覽、媒體、材料和項目來支持NOAA的任務；⑤評估NOAA和NOAA資助的項目的價值；⑥評估和優化公眾對NOAA公民科學項目的參與。

轉載本文請註明來源及作者：中國科學院蘭州文獻情報中心《資源環境科學動態監測快報》2020年第14期，吳秀平，王金平 編譯。