全球干旱衛星監測計劃

范錦龍張明偉曹廣真張曉煜武建軍

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

全球干旱衛星監測計劃

范錦龍1張明偉1曹廣真1張曉煜2武建軍3

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

干旱是損失最嚴重的自然災害之一,干旱監測已受到了廣泛關注。目前,干旱的遙感監測取得了很好的進展,但是針對全球干旱的監測并未與基于氣象數據的全球干旱信息系統實現有機結合。2007年以來,地球觀測組織提倡實施全球干旱監測預警信息系統,以充分利用遙感的全球監測能力,而2008年發生的西方金融危機影響了全球干旱監測預警信息系統的建設。2011年全球20國集團農業部長確認的地球觀測組織全球農業監測計劃再次給全球干旱監測預警信息系統的建設帶來了新的機會。美國已經用MODIS數據監測全球干旱以及干旱造成的作物減產分布,中國的風云衛星也具有全球干旱監測的潛力,國際社會應該努力推動建立集成遙感監測的全球干旱監測預警信息系統,為決策者及時提供干旱信息,以便積極應對可能發生的干旱,減輕干旱對國家社會經濟的影響。

全球干旱,農業干旱,干旱監測,衛星監測,風云衛星

1 引言

干旱發生頻率較高、范圍較廣，全球多數國家均遭受干旱的影響，干旱已經成為全球最嚴重的自然災害之一，每年干旱造成經濟損失達數千億美元[1]。干旱按類型一般分為氣象干旱、水文干旱、農業干旱和社會經濟干旱。很多干旱指標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、應用最成熟，氣象觀測數據常用于計算這些干旱指標。然而，氣象干旱存在與地面干旱實際反應不一致的問題，水文干旱和農業干旱比較接近實際的地面干旱。水文干旱監測需要水文觀測數據，而這些數據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據，因而限制了其應用。農業干旱的監測也存在一定困難，但是遙感數據的易得性卻推動了農業干旱衛星監測的發展。研究表明，世界范圍內已存在各種各樣的、不同區域的、國家級或地方級的干旱衛星監測系統，但是與氣象數據的結合，特別是面向全球的干旱衛星監測系統的建立卻剛剛開始。自2007年以來，國際社會已向這個方向推動。地球觀測組織

（GEO）推動的全球干旱監測預警信息系統和現在提出的全球農業監測計劃無疑將帶動全球干旱衛星監測的進步。

2 全球農業監測計劃

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平臺，支持相關合作單位提出新項目，協調全球地球觀測戰略計劃和有關資金的投資方向。GEO基于十年實施計劃（2005—2015年）協調建設全球綜合地球觀測系統（GEOSS）[2-3]，并為GEOSS確定了框架結構、目標、范圍以及9個社會受益領域，即災害、健康、能源、氣候、水、天氣、生態系統、農業和生物多樣性。

農業作為GEOSS確定的其中一個社會受益領域，2015年前主要推動地球觀測數據的廣泛應用和提高應用能力來促進可持續農業、水產養殖業、漁業和林業的預警、風險評估、糧食安全、市場效率和沙漠化防御，通過發布天氣預報、風暴和極端事件早期預警、中長期氣候預測、水污染以及水的供給信息來支持農業可持續管理。為此，GEO正在協調全球農業監測系統的各個組成部分，為農業管理決策提供可靠透明的信息。目前，全球已經存在4個全球級的農業監測系統，其他大多數是國家級或區域級的農業監測系統。2007年，在GEO的推動下，運行這些農業監測系統的單位代表、相關大學的研究人員、對農業監測有濃厚興趣的學者、管理者以及重要的國際組織代表，包括聯合國糧農組織（FAO）、世界氣象組織（WMO），共同發起和推動成立了GEO全球農業監測專家委員會?，F在該委員會擁有全球300多名人員，幾乎包括了全球從事農業監測的重要專家、學者和管理者。

GEO全球農業監測計劃（GEO-GLAM）是GEO農業社會受益領域的一個國際計劃，其目的是通過利用地球觀測數據和技術加強全球糧食產量的監測和估計，增強國際社會對全球、重點國家、重點區域的農業生產的監測和糧食產量的預測能力，同時作為聯合國糧食和農業組織正在建設的全球農業監測信息系統的全球糧食產量的輸入源。該計劃（圖1）共分為6部分：（1）增強國家的農業監測能力；（2）加強存在糧食安全風險的國家的監測；（3）加強全球農業生產監測系統的建設；（4）協調衛星和地面觀測數據的獲取；（5）協調研究和技術開發；（6）分發數據、產品和信息。GEO-GLAM要求全球農業監測委員會提高協調水平，同時借助一些從事地球觀測相關的網絡和組織推動協調工作，如地球觀測衛星委員會（CEOS）和WMO。

GEO-GLAM在全球有很大的影響力，全球20國集團的農業部長們認為GEO是利用地球觀測技術促進實施全球農作物產量監測的最合適機構，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國集團元首再次于2011年11月在戛納舉行的全球20國集團國家元首會議上確認了GEOGLAM，并承諾給予大力支持。

3 全球干旱監測計劃

世界很多國家已經開展了干旱監測、評估、響應、減緩、應對和早期預警的研究工作。2006年，美國開始建設協調和綜合的國家干旱早期預警系統（DEWS），并隨后建成了國家綜合干旱信息系統（NIDIS）。2007年，地球觀測部長峰會接受美國建議，計劃未來十年在現有工作基礎上建立全球干旱早期預警系統（GDEWS），推動全球干旱數據和信息共享，加強溝通和能力建設，全面監測全球范圍內威脅逐漸增加的干旱，在危機發生期間及時發布區域干旱預警評價信息。然而，由于隨后發生的金融危機，進展很緩慢[1]。但是，干旱監測在北美洲很成功。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交換中心和基于網絡的美國干旱門戶網站NIDIS（圖2），開發了北美干旱監測系統[4]。

GEO的全球農業監測委員會具有建立全球干旱衛星監測系統的能力。MODIS產品（例如，16d合成、250m分辨率的歸一化植被指數NDVI）已經用來監測全球范圍內因旱災造成的作物減產情況，用戶可通過網絡界面查詢預先定置區域的數據并進行農作物長勢和旱情分析，也可進行交互式區域設置，制作生長季的植被指數圖，通過比較植被指數異常，如與上一年比較和與多年平均比較，制作當前和多年植被指數差

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

圖1 全球農業監測計劃組成部分

中國風云（FY）氣象衛星也具有監測全球干旱的能力。盡管風云衛星是針對天氣應用設計的，但是在其他領域已經得到了廣泛的應用，農業監測是其中的一個關鍵應用領域。FY-3號是第二代極軌氣象衛星，FY-3A和FY-3B分別于2008年和2010年發射成功。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）是農業監測的關鍵傳感器。FY-MERSI與NOAA/AVHRR、EOS/MODIS或者ENVISAT/MERSI擁有相似的觀測能力，可監測不同尺度旱災的發生和發展。當前，國家衛星氣象中心可業務化的提供全國植被生長監測和植被干旱監測。圖4為風云衛星植被監測和干旱監測的樣例。隨著世界干旱監測需求的增加，這些應用有望推廣到其他區域。此外，國家氣候中心也開展了干旱監測、預測預警和影響評估工作，業務化發布全球旱澇指數、中國氣象干旱綜合指數、標準化降水指數、土壤相對濕度等系列干旱產品和公告，倡導未來干旱監測應從傳統的氣象干旱向適用于農業干旱、水文干旱監測的綜合干旱監測預警發展，在完善多個氣象單因子指標開展氣象干旱監測的基礎上，進一步發展土壤濕度、蒸發量、地下水位以及衛星遙感資料在干旱監測業務中的定量化應用，探索多部門聯合開展干旱綜合監測評估的業務流程，為抗旱減災提供決策服務信息。

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

圖2 美國干旱監測門戶和北美干旱監測信息頁面

圖3 俄羅斯伏爾加地區干旱衛星監測圖

圖4 風云衛星干旱監測產品

4 國際社會對全球干旱衛星監測系統的推動

2010年春季，國際上組織了一系列研討會，推動全球干旱衛星監測的合作。2010年4月，在美國召開的干旱研討會，倡導國際社會在干旱監測問題上的合作，提出了監測干旱的改進手段和發布干旱監測信息的改進機制[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研討會召開，該研討會集中討論了建設全球干旱信息系統的關鍵步驟，這個系統是建立在全球已有的干旱監測、干旱風險管理和短期氣候預測的基礎上。中國科學家也于2012年6月3—5日召開了“全球氣候變化下的干旱監測、評估和計劃國際研討會”，為來自不同國家和組織的科學家提供了一個展示干旱研究成果和分享經驗的機會。隨后“農業干旱和水資源GEOSS研討會”也于2012年10月24—25日在北京召開，該會議為農學和水資源的研究者們提供了分享經驗和討論在水的利用、農業干旱、農業開發和氣候變化之間相互作用的最新進展的平臺。2013年3月11—15日，WMO、FAO和防治荒漠化公約（UNCCD）聯合舉辦了國家干旱政策高層研討會，會后發表了宣言，號召全球各國制訂和實施國家干旱管理政策，合力改善干旱預測和及時分發預測信息，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、個別區域關注的環境問題。最近幾年，國際社會認識到了干旱的全球影響，從技術上和政策方面已在推動建立全球干旱衛星監測和預測信息系統。GEO自2007年以來倡導實施全球干旱早期預警系統，全球20國集團農業部長認可的GEO-GLAM將帶動全球干旱監測信息系統的建設，聯合國號召全球各國建立國家干旱管理政策。從技術層面講，多數國家的干旱監測是基于干旱相關的地面觀測，如降水、天氣、作物狀態和水資源可利用量等，衛星觀測是這些地面觀測的很好補充，衛星可提供大范圍、高頻次的干旱監測。國際上建立集成遙感監測的全球干旱監測系統的能力是存在的，國際社會應該一起努力，推動早日建成集成遙感監測的全球干旱監測預警信息系統。

[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. 構建天地一體化的全球對地觀測系統—三次國際地球觀測峰會與GEOSS. 地球科學進展, 2005, 20(12): 1327-1333.

[3]范錦龍. 地球觀測數據衛星分發系統發展綜述. 地球科學進展, 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）