一张关于NASA的“地表水和海洋地形卫星”（SWOT）的示意图。这颗卫星旨在测量地球上几乎所有地表水体的水位变化，为科学家研究海洋、湖泊和河流提供关键数据。图源：公域
海潮天下·关键信息导读：
原来卫星不仅能看天气、看地球照片，还能看海啸；原来看似不起眼的几十厘米高的波浪，竟然能在靠岸时变成毁灭性的巨浪；原来科学家们几十年来苦苦追求的，就是这份能把握“关键十分钟”的能力。自然的力量不可抗拒，但科学的进步能让我们更好地与自然共存。请看本期“海潮天下”的介绍。
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果不其然，在地震之后，太平洋里就出现了大范围的波动。这些波动就是海啸的开端。
很多人可能觉得海啸就是“一个大浪打过来”，但实际上，海啸和我们平常在海边看到的浪完全不是一回事。普通的浪只是在海面上扑腾；而海啸是从海底到海面的整个水体一起运动。就好比你在浴缸里用手拍水面，水面会起一点波纹，但如果你突然抬起浴缸底的一块板子，那整缸水都会晃动起来。这就是海啸的本质。
▲上图：由NASA的SWOT卫星拍摄，是7月30日席卷太平洋的海啸前沿（红色高亮部分）。图中叠加了美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的海啸预测模型，而红星则标记了引发此次海啸的地震震源位置。图源：NOAA
卫星是怎么“盯上”这场海啸的？
地震发生70分钟后，一个名叫SWOT的卫星从头顶经过。这个卫星可不一般，它的全名是“水面和海洋地形测绘卫星”（Surface Water and Ocean Topography），是美国NASA和法国航天局联合研制的，还得到了加拿大和英国的技术支持。它的任务就是用先进的雷达和仪器，来给地球上的水体做“3D扫描”。
结果，这次正好碰上了堪察加地震引发的海啸。卫星飞过时，它的雷达就像一把巨大的画笔，从西南到东北“刷”过海面，刚好捕捉到海啸前锋浪的细节。数据显示，当时的波高大约有45厘米，也就是1.5英尺。
可能有人会说：“哎呀，不就是半米不到的浪吗？这也没什么大不了的呀。”可是科学家马上解释，这可千万不能小看。因为在深海中看似不起眼的几十厘米高的浪，一旦靠近岸边，就可能被放大成十米甚至更高的巨浪。换句话说，在海上看着平平无奇的波动，到了岸边却可能变成灭顶之灾。
模型和观测，像对答案一样
我们都知道，预测海啸是非常难的。因为它不像台风那样能提前几天追踪。地震一旦发生，海啸可能在几十分钟到几个小时内就打到岸边，留给人们逃生的时间很短。所以，科学家们一直在做的，就是尽可能快、尽可能准地预测海啸的规模和路径。
美国的国家海洋和大气管理局（NOAA）有一个专门的海啸研究中心，他们一直用计算机模型来模拟海啸的传播。这些模型基于以往的观测数据，比如地震的震级、震源深度、位置，以及海洋里的传感器数据。可是，模型毕竟是模型，它需要现实的数据来“校对”。就像学生考试做题，有了答案还得对照下解题步骤，才能确认自己没走偏。
这一次，SWOT提供的海啸观测数据，正好成了“标准答案”。当科学家把卫星的数据和NOAA的预测模型一对比，发现两者高度吻合。
换句话说，模型的预测是靠谱的，而卫星的观测也验证了这一点。这对未来的海啸预警来说，是一个非常振奋人心的消息。
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▲上图：NASA SWOT卫星拍摄到2024年日本地震所引发的海啸，图像是海啸在太平洋上空掠过日本东海岸时的情景。在海啸的前缘，海平面高度超过45厘米（1.5英尺）。图源：NASA
为什么说这很重要？
还记得2004年印度洋大地震引发的海啸吗？当时，因为缺乏有效的预警系统，结果导致了超过20万人的死亡。那一场灾难给全世界都敲响了警钟：面对海啸，时间就是生命。哪怕提前10分钟通知撤离，也能挽救成千上万人的性命。
可是，光靠海里的传感器和有限的地震数据，很多时候预测并不够精确。比如，有些时候模型会高估海啸的规模，有时又低估。这样一来，如果经常发出“狼来了”的误报，老百姓就会不当回事；可要是真有一次没报准，那后果不堪设想。
所以，当SWOT这样的卫星能从太空直接观测到海啸的高度、形态和传播方向时，这就给了科学家们一个全新的工具。它能帮助研究人员更清楚地理解地震与海啸之间的关系，也能更快地修正模型。最终，目的只有一个——让预警更精准，让人们有更多时间逃生。
对此，NASASWOT项目的科学负责人娜迪娅·维诺格拉多娃·希弗有一句形象的比喻，她说SWOT的观测就像是一支“大画笔”，在海洋表面扫过时，留下了真实的数据，让我们看到了更多以前想不到的物理现象。她认为，这标志着人类朝着更精确的海啸预警迈出了重要一步。
美国喷气推进实验室的另一位科学家乔什·威利斯也说，这次的数据让他们能够更好地“逆向推理”海啸的成因。也就是说，凭借卫星的数据，他们能更准确地反推出地震到底是怎么影响海水运动的。
而NOAA海啸研究中心的首席科学家瓦西里·蒂托夫更是直言：这种能力是他们自2004年以来一直在寻找的。如果当年就能有SWOT这样的观测手段，也许就能大幅减少伤亡。
▲上图：地表水和海洋地形卫星（SWOT）的数据收集方式。该卫星利用干涉仪生成两条平行的测量带（swaths），总宽度约120公里。同时，在两条测量带之间的间隙，传统的测高仪将提供一条额外的垂直测量路径（Nadir track）。这种独特的组合测量方式，使得SWOT能够以前所未有的精度绘制地球上地表水体的三维地图。图源：公域
SWOT卫星背后的“大联合”
说到这里，很多人可能会好奇，这颗卫星到底是什么来头。其实它是一个国际合作项目。美国NASA和法国航天局是主导者，加拿大和英国也贡献了不少关键设备。比如，加拿大提供了高功率的发射装置，英国则在雷达系统上给予支持。
SWOT的核心使命是为全球的河流、湖泊、湿地和海洋绘制动态三维地图。不同于过去只能在特定地点测量水位变化的卫星（如Jason系列），SWOT利用合成孔径雷达干涉测量技术（SAR Interferometry），能够首次实现对全球地表水变化的全面观测。
它的主要仪器是Ka波段雷达干涉仪（叫做KaRIn），它能同时生成两条平行的测量带，总宽度达120公里，从而实现大范围的扫描。为了弥补两条测量带之间的空隙，卫星还配备了一个传统的“Jason级”雷达测高仪，用于测量卫星正下方的区域，确保数据的完整性。这些设备组合在一起，就能像CT一样，把地球表面的水体“扫描”成三维图像。它不仅能看海洋，还能看江河湖泊的水位变化，堪称“地球的水文摄影师”。
今天在堪察加的观测成果，明天就可能应用到全球的预警系统里。正所谓“吃一堑，长一智”，人类正是通过一次次的教训和努力，才不断提升应对自然灾害的能力。
读而思
【思考题】学而时习之
Q1、在应对海啸这样的全球性自然灾害时，国际合作的边界在哪里？就那上面的说，SWOT这个卫星是美法加英共同研发的成果，但灾害影响却往往跨越国界。那么，面对灾难预警数据，各国是否愿意无条件共享，还是会受制于政治和利益的博弈？
Q2、当预警系统越来越精准时，公众会不会因此降低自身的防灾意识和准备，从而在关键时刻反而更加脆弱？换句话说，科学进步是否可能让人们对自然灾害产生“过度依赖感”呢？你怎么看？
Q3、SWOT的观测是以轨道扫描的方式进行，虽然这次“巧合”地捕捉到了海啸，但未来如何实现全球范围内对海啸的实时、连续监测，恐怕仍是难题？你觉得，是否需要发展低轨卫星星座、与海底传感器网络融合，才能真正构建出一个高时效的“立体监测系统”？
Q4，我国现有北斗信号体制（频点、调制、功率）主要还是为导航优化的，有没有可能考虑北斗信号特性如何为“GNSS-R海啸探测”优化一下？但如果未来确实希望其在GNSS-R（全球导航卫星系统反射信号）海洋观测中承担角色的话，你觉得，是否需要在信号体制设计阶段增加一些“观测友好性”的考量？（如提高相干性、增加极化多样性、增强长积分观测能力，以提升对海啸这种长波低陡度扰动的可检测性）
Q5，考虑到特朗普2.0时代对于NOAA海洋大数据等方面的未来的策略有所调整（比如对一些高精度、大规模的海洋遥感数据、大气数据等科学数据的国际共享采取更严格的限制），那么，笔者觉得，在某种意思上，我国可能将来更多的要考虑海洋监测/海洋大数据的更多的独立自主。
本文中这个SWOT例子，证明了“直接看见”海啸的科学可能性，但对北斗来说，更现实的角色也许是提供时间基准、保证抗毁通信、支撑数据同化，成为一个“集成骨干”而非“前端传感器”。抛砖引玉地，让我们思考这样一个问题：假设要考虑在海啸预警中发挥一定的作用的话，那么，设计者应如何权衡——是追求边际可行的直接观测能力呢，还是将有限资源集中在全链路的系统韧性、快速数据流转呢？在“分钟级”海啸预警场景中，北斗的核心价值是直接观测vs还是数据融合骨干？