利用遥感卫星提高海啸安全性

卫星成像技术的进步使人们有可能越来越多地了解自然灾害的影响。这主要归功于多时相卫星图像，它是灾害管理和降低风险的有力工具。多时相卫星图像结合了在不同时间拍摄的图像，以创建一个区域的更详细的图片。这些图像可以提供有关洪水、风暴、地震和山体滑坡等灾害影响的宝贵信息。并非每个国家都能有效应对自然灾害，这就是为什么《国际空间与重大灾害宪章》建立了。这是一项非商业举措，旨在收集和提供世界各地自然灾害和灾难的遥感数据，以改进灾害管理流程。这些数据提供给参与减轻其影响和帮助受影响者的组织。这些图像目前是从属于 17 个成员国、参与宪章项目的合作伙伴和其他数据提供商的卫星获取的。

作为该项目的一部分，属于该倡议的芬兰公司 ICEYE 正在开发一个轻型 SAR 卫星星座，该卫星能够监测、测绘和分析在地球表面检测到的灾后变化。除其他外，该技术已被用于：评估损害、分析灾害前后的基础设施、洪水、火山爆发和山体滑坡的影响，以及测量石油泄漏。

支持该计划的卫星的另一个例子是 Planet 的 PlanetScope 星座，这是一组称为 CubeSats 的微型卫星，每周或每天收集整个星球的图像，每月制作约 1,700 张图像。捕获的数据用于监测野火的蔓延等。由于 PlanetScope 的庞大数据集，可以创建任何区域的 3D 重建或数字表面模型。

下面列出了根据《空间与重大灾难国际宪章》提供数据的所有卫星的详细列表。

许多自然灾害都是由海啸引起的。联合国 (UN) 的一份报告估计，每年约有 60,000 人和价值 40 亿美元的资产面临海啸的威胁。此外，目前有超过 7 亿人生活在沿海地区，面临海啸和风暴潮等极端事件的风险。随着沿海人口的增长，这个数字可能会增加。海啸波的平均高度不到 10 英尺，但有些超过 100 英尺。它能产生极强的水流，迅速淹没大地，造成巨大的破坏。这些水流和洪水可以持续数天。自 20 世纪初以来，已有 34 次海啸记录，仅在美国就造成 500 多人死亡，美国领土和沿海地区损失超过 17 亿美元。

海啸预警系统概述

目前，有三种技术可以提供海啸实时预警。其中之一是 DART，一种基于浮标的技术。DART 站有很多优点，但它们主要用作本地和远程海啸检测系统。此外，它们是便携式的，因此可以轻松更改阵列的位置。另一个优势是统一的传感器，可以与其他国家实时共享数据。重要的是，浮标代表分布式系统，因此一次故障不会影响其他 DART。

另一种技术是有线天文台，它是位于水下电缆系统上的传感器。监测科学和可靠电信 (SMART) 海底电缆联合工作组是一项联合国倡议，旨在为新的商业海底电信电缆配备测量压力、加速度和温度的简单传感器。这些传感器可以添加到光纤电缆信号增强器中——装满设备的防水圆柱体，每 50 公里左右就会放大一次信号。通过为传感器供电和传输数据的电缆，科学家们可以以前所未有的规模收集有关海底的信息，并更快地识别潜在的海啸。

下图描绘了一个带有全球定位系统 (GPS) 天线的水面浮标停靠在离海岸约 20 公里的地方，以使用带有地面站的实时运动学 (RTK) GPS 技术监测海平面变化。浮标用作波浪计，可以及早发现海啸。实时 GPS 数据由 PARI（港口和机场研究所）处理，然后发送到负责海啸监测和预警的 JMA。

使用深海海啸评估和报告进行海啸预警，来源：NOAA

这些系统的局限性是什么？

不幸的是，尽管这些系统有很多优点，但根据技术的不同，它们也有很多缺点。就 DART 而言，其中包括因船舶相关费用而导致的高额紧急维护费用，并且浮标位置必须避开强大的洋流和海山。另一方面，带有 GPS 天线的水面浮标需要靠近海岸的位置才能与 GPS 基站通信。此外，传感器是非标准的，这使得测量与 DART 传感器和有线天文台不兼容。

然而，无论采用何种技术，早期检测系统通常都有两大局限性：海啸警报延迟和误报。如果海啸预警系统为人们提供足够的时间（称为“黄金时间”）自救，则该系统被认为是有效的。黄金时间越长，预警越早。不幸的是，一些国家仍然没有收到足够的警告。“海啸预警系统在印度尼西亚和巴布亚新几内亚等大多数国家都没有用，因为提前时间太短了，”麦库告诉路透社。“最好是教育人们在感到摇晃持续超过 30 秒后立即向高地移动，”McCue 说。太平洋早期预警系统的误报率估计为 75%。“这绝对是我们面临的最大挑战之一，”Charles McCreery 说，火奴鲁鲁太平洋海啸预警系统主任，该系统向太平洋周围的 26 个国家发送地震数据和海啸公告。发出警告时，海滩上会响起警报，电视上会显示紧急消息，收音机也会播放。疏散地图将人们引导到地势较高的地方，但海啸通常不会发生。

遥感卫星在海啸探测中的作用

遥感卫星如何检测海啸的早期迹象

轨道卫星如何及早发现海啸？大多数海啸是由水下地震或火山爆发引起的，其中许多会产生卫星可以轻易探测到的大气效应。

越南的 HTHH 火山最近喷发就是一个例子，它喷出的火山羽流进入中间层并将火山灰散布到数百公里的距离。来自该事件的卫星探测到的大气波（Lamb）传播到世界各地。这些大气波与海洋盆地的结合导致了海啸之前观察到的海平面波动。例如，位于喷发地点西南约3000公里处的豪勋爵岛上的潮汐测量仪记录到喷发后约2.5小时的初始海平面波动为0.1米。接着是高达一米的更大的海浪，海啸以每秒约 200 米的速度移动，又在两个小时后到达。大气声波的传播速度比海啸快。极端事件产生的波浪，如火山爆发和海啸，穿透对流层和平流层，最远到达电离层。因此，大气层的上层非常适合检测与这些极端事件相关的异常情况，因为大气扰动的幅度会随着高度的增加而急剧增加。必须使用卫星技术来探测这些大气扰动，在尽可能快的时间内提供高分辨率、广域的信息。

卫星还通过监测地壳压力、温度和其他因素的细微变化来提供早期海啸探测，这些变化可能预示着即将发生的地震事件。这样，甚至可以在海啸发生之前检测到它。除了检测地震活动外，导航卫星还可用于提供洋流数据，以预测即将来临的海啸的路径和强度。

使用卫星检测海啸的优势

疏散时间对于最大限度地降低海啸死亡率至关重要。越早传达威胁，就越有可能将生命损失降至最低。NASA 地球应用科学项目与 NOAA 合作开发了新技术，用于他们的海啸预警系统，可以在地震发生后的短短五分钟内预测海啸，这可能会显着影响死亡人数。俄勒冈大学的 Diego Melgar 说：“我们试图解决的问题是，很难在前 20 分钟内做出海啸预报，说明海啸可能发生的时间和地点，或者海浪可能有多大。”谁领导了美国宇航局灾难计划领域的项目研究团队。“这就是 GNSS [全球导航卫星系统] 的用武之地——它可以在第一分钟内测量构造位移，确定地震的强度，并在关键的前五分钟内向该地区发出警报。” Melgar 的团队还使用来自全球差分全球定位系统的实时数据。这有助于提供更准确和即时的海啸规模和方向估计。“结合来自 NASA 的这些数据意味着我们可以让应急响应管理人员更快地向他们的社区提供可操作的海啸影响信息，让当地居民有尽可能多的时间来采取拯救生命和财产的行动，”Angove 说。

例子

日本东北地区附近的太平洋发生了里氏 9.0 级地震，这是日本有记录以来的最强地震，也是自 1900 年以来的第四强地震。地震和随后的海啸对东北-关东太平洋沿岸造成了巨大破坏。日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 与亚洲哨兵组织和国际空间与重大灾害宪章一起，计划在灾难发生后立即对地区进行卫星观测。获取的图像用于评估总体破坏程度，分析海啸淹没地区、山体滑坡、结构损坏、道路可达性和避难所位置。此外，借助卫星图像，搜救人员了解关键设施和救援路线的可用性，有助于更有效地疏散。

日本从太空改变的景观，来源：
https ://www.esa.int/About_Us/ESRIN/Mapping_Japan_s_changed_landscape_from_space

卫星在 2004 年 12 月的印度洋海啸中也发挥了作用。地震发生大约两小时后，美法联合卫星 Jason 测量了海面高度和海浪，以研究海洋环流和气候。在斯里兰卡以南约 1,200 公里处测得的最大海面高度为 50 厘米，其中领先波长约为 800 公里，其次是另一个波峰，波峰为 40 厘米。在海湾北端附近，两波 40 厘米和 20 厘米的海浪破坏了缅甸海岸。Topex/Poseidon 同时在杰森以西约 150 公里处运行，对海啸波进行了类似的观察，证实测量结果是一致的。

结论

遥感卫星为早期海啸预警提供了重要支持。目前的技术虽然还不完善，但可以在海上捕获巨浪之前预测自然灾害。这为疏散提供了更多时间，最大限度地减少了生命损失和对基础设施的破坏。

数据的快速可用性有助于更有效地管理紧急情况，分秒必争。然而，新的解决方案通常会带来挑战。卫星图像非常昂贵，而且获取和处理数据的成本可能让一些研究人员望而却步。第二个问题是国际合作的必要性。例如，在 2011 年日本洪水期间，不同组织之间的合作促成了更有效的行动，这在应对自然灾害时至关重要。遥感卫星在海啸的早期探测和减少这些灾害造成的破坏和生命损失方面具有巨大的潜力。