地球是人類賴以生存的家園。相對人類的活動范圍和短暫的生命，地球有大尺度、慢變量的特點，這讓我們對這個動態(tài)星球的探索充滿挑戰(zhàn)，認(rèn)識、理解和處理人類與地球的關(guān)系也充滿困難。為此，世界各國包括中國都投入大量財力、物力、人力從多角度觀察和探索地球，積累了海量的研究數(shù)據(jù)。但是，這些數(shù)據(jù)往往比較抽象，各自為政，專業(yè)的研究人員也難有效利用，更何況基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的師生。

《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，地理課程要基于真實情境、師生實踐開展，在真實的情境中觀察和感悟地理環(huán)境及其與人類活動的關(guān)系。教學(xué)基于真實的地理事件展開，不但有利于學(xué)生對地理知識、原理的理解，還能引導(dǎo)學(xué)生真正地關(guān)注和探索地球這顆星球。發(fā)生在身邊的地理事件，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生去實踐、調(diào)查，但對于距離當(dāng)前時代較為久遠(yuǎn)，涉及區(qū)域尺度、國家尺度甚至全球尺度的事件，該如何處理呢？受各種條件限制，師生無法親臨現(xiàn)場，只能通過文字、圖像等材料從比較宏觀的視角間接地了解這些地理事件。即便如此，對于廣大基礎(chǔ)教育的師生來說，這些材料也不易獲得。

美國航空航天局（NASA）的Worldview網(wǎng)站作為大數(shù)據(jù)搜索平臺，能夠提供近70年地球科學(xué)、直觀的變化數(shù)據(jù)，且操作簡單，通過自行搜索疊加不同圖層，對比分析自然變化過程、人類活動前后對應(yīng)區(qū)域的變化，幾乎零門檻綜觀這個動態(tài)星球的過去和現(xiàn)在。

一、WorldView及其涵蓋數(shù)據(jù)類型介紹

WorldView是NASA地球觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)（EOSDIS）的一部分，提供全球900多個全分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)圖層和交互式瀏覽、下載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。許多影像圖層每天更新，在衛(wèi)星探測的3小時后即可使用，這為時間緊迫的數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域如野火管理、空氣質(zhì)量測量和洪水監(jiān)測等提供支持。有些影像數(shù)據(jù)經(jīng)過長時間的積累，可以幫助我們從較大時間尺度了解地球變化，最早可追溯到1948年。網(wǎng)站還可變換視圖模式，使用北極和南極視圖，疊加對地靜止影像圖層，通過平板電腦和智能手機以網(wǎng)址鏈接的形式訪問。

NASA地球科學(xué)計劃收集的PB級數(shù)據(jù)通常包含一個或幾個研究學(xué)科，包括大氣、校準(zhǔn)輻射度、冰凍圈、人類尺度、陸地和海洋等，涉及地球的自然活動或人類活動過程等眾多的量化數(shù)據(jù)。WorldView涵蓋的數(shù)據(jù)類型如下。

1.海洋數(shù)據(jù)。包括表征海洋基本情況的物理參數(shù)（如溫度、鹽度、海洋地形、化學(xué)/生物光學(xué)）以及在地球海洋內(nèi)部及表面活動的物理過程變化的數(shù)據(jù)，能夠描述許多海洋過程，包括海洋環(huán)流、海洋與大氣的熱交換以及太陽輻射與海洋的相互作用等。海冰情況也包括在該數(shù)據(jù)中。

2.大氣數(shù)據(jù)。主要著眼于表征地球的對流層和平流層。這些層中發(fā)生許多地球大氣物理過程，涉及云層變化、氣溶膠濃度、降水、閃電、化學(xué)組成、溫度、輻射平衡和動力學(xué)等數(shù)據(jù)。大氣與陸地和海洋表面的相互作用以及與太陽輻射的相互作用數(shù)據(jù)也包含在內(nèi)。

3.輻射度和太陽輻射度數(shù)據(jù)。工程學(xué)和日地相互作用都涉及輻射，輻射數(shù)據(jù)包含原始儀器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓或數(shù)字計數(shù)形式的數(shù)據(jù)。例如，這些數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換為一組校準(zhǔn)又自洽的物理測量值——輻射度或反向散射系數(shù)。又如，日地相互作用涉及測量來自太陽的輻射（在電磁波各光譜區(qū)域的太陽輻射）以及太陽粒子通量及其對地球磁層的影響。

4.冰凍圈數(shù)據(jù)。提供有關(guān)陸地和海冰、凍土（常年凍土）和冰雪分布信息。冰凍圈是指地球上任何擁有固態(tài)水的地方，低溫時水會凍結(jié)變成冰。冷凍水可以固態(tài)冰或雪的形式存在，除了北極和南極洲以外，還存在于地球的許多地方。

5.人類維度數(shù)據(jù)。網(wǎng)站擁有各種社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，如人口、基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟(jì)、資源等和環(huán)境中有關(guān)人類交互作用的數(shù)據(jù)，如自然危害與人為影響的關(guān)系等。

6.土地數(shù)據(jù)。涉及兩類全球地表數(shù)據(jù)：陸地表面數(shù)據(jù)包括地球物理過程數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)，如表面溫度、土壤濕度、植被覆蓋和土地利用等;固體地球數(shù)據(jù)，包括與地球內(nèi)部活動有關(guān)的數(shù)據(jù)，如重力、地磁場、構(gòu)造。這些數(shù)據(jù)雖然源于地下，但仍可從地面、空中或基于空間的測量中進(jìn)行分析。

打開網(wǎng)站，可以看到界面主要包含三部分：左側(cè)為主要操作界面，包含層數(shù)、大事記、數(shù)據(jù)下載三部分;最下方的時間軸能幫助用戶回溯到想要搜尋的時間，查找特定時間的數(shù)據(jù);右上角的圖標(biāo)能夠幫助用戶分享數(shù)據(jù)，切換南北極地球側(cè)向視圖視角，實現(xiàn)截圖等功能。

二、WorldView在地理教學(xué)中的應(yīng)用實例

下面以2019年強熱帶氣旋“伊代”（IDAI）襲擊莫桑比克海岸和2019—2020年的澳大利亞森林大火兩件地球大事件為例，介紹WorldView平臺的實際應(yīng)用。這部分可作為高中地理必修一自然災(zāi)害部分氣象災(zāi)害以及地理信息技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)中的真實情境加以應(yīng)用，也可應(yīng)用于選擇性必修一天氣系統(tǒng)、大氣環(huán)流、洋流、海氣相互作用、氣候變化、整體性等部分的教學(xué)。

（一）強熱帶氣旋“伊代”

2019年3月14日，強熱帶氣旋“伊代”（IDAI）襲擊莫桑比克海岸。這場風(fēng)暴給莫桑比克帶來了降雨、強風(fēng)、洪水和風(fēng)暴潮破壞，并在津巴布韋造成滑坡。對WorldView顯示的真彩色圖像使用“設(shè)置動畫”功能，直觀顯示幾天內(nèi)IDAI在莫桑比克海岸附近運動的軌跡。使用者可以看到暴風(fēng)雨始于莫桑比克海峽，在莫桑比克上空移動，向東旋過馬達(dá)加斯加，再向西返回莫桑比克。通過加載降雨率圖層觀察，IDAI給莫桑比克帶來兩輪降雨，降水強度變化與氣旋的位置變化一一對應(yīng)。在動態(tài)圖像工具中按下“播放”鍵，能查看IDAI在2周內(nèi)每小時的降雨速度。

由于云層覆蓋，我們無法直觀得出氣旋經(jīng)過時帶來的洪水植被等信息影響，但通過加載M11-I2-I1組合波段的反射率圖層，發(fā)現(xiàn)洪水進(jìn)入莫桑比克海岸造成嚴(yán)重災(zāi)害。值得一提的是，這種波段組合的假彩色圖像在真彩色衛(wèi)星圖像中無法看見，但對于區(qū)分自然低矮的植被或裸露的土地上的燒傷疤痕，增強洪水?dāng)?shù)據(jù)的圖像效果最明顯。因此，可以通過網(wǎng)站的“開始比較”功能查看洪水造成的影響。圖1上方顯示的是2019年3月10日的圖像，下方顯示的是2019年3月25日的圖像，對比查看沿江洪水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，暴風(fēng)雨造成莫桑比克海岸大面積的洪水，沿時間軸動態(tài)拉動得到氣旋期間洪水連續(xù)爆發(fā)的情況。

通過加載夜間圖像圖層，可以看到風(fēng)暴在莫桑比克的貝拉（Beira）還造成了停電。圖2上方是2019年2月24日貝拉的城市燈光圖像，下方是2019年3月25日颶風(fēng)過后大概一周的城市燈光圖像，左右滑動可查看兩個日期間的差異。

人類足跡圖層能顯示通過生物群落和領(lǐng)域歸一化的人類影響指數(shù)。例如，加載“人的足跡”圖層（如圖3），能顯示氣旋影響地區(qū)的人類活動相對頻繁，氣旋會造成較大災(zāi)害。又如，加載“洪水危害：死亡率風(fēng)險”圖層（如圖4），能看到氣旋影響的地區(qū)因洪水被歸類為具有高死亡風(fēng)險的區(qū)域。

加載“旋風(fēng)危害：頻率和分布”圖層（如圖5），可以看出歷史上該地區(qū)發(fā)生旋風(fēng)的頻率較低。通過“洪水危害：死亡率風(fēng)險”圖層，表明該地區(qū)風(fēng)暴造成的死亡風(fēng)險仍然很高。

經(jīng)歷了有記錄的嚴(yán)重自然災(zāi)害后僅5周，莫桑比克再次面臨嚴(yán)重的風(fēng)暴威脅。熱帶氣旋肯尼斯（Kenneth，如圖6）于2019年4月23日形成，于25日到達(dá)莫桑比克海岸。莫桑比克又一次遭受毀滅性打擊。該國從未在同一年遭受兩次2級或更高強度的風(fēng)暴襲擊，這是一次不尋常的事件。

（二）澳大利亞的叢林大火

印度洋東部的澳大利亞叢林大火早在2019年9月就已開始，并在澳大利亞東南部持續(xù)燃燒了幾個月，是有記錄以來最嚴(yán)重的火災(zāi)季節(jié)之一。

加載“校正后的反射率（真彩色）”圖層和“火災(zāi)和熱異?！眻D層，通過使用“設(shè)置動畫”功能，可以查看2019年9月7—30日在澳大利亞新南威爾士州和昆士蘭州熊熊燃燒的烈火?？梢姽饧t外成像輻射計套件（VIIRS）火和熱異常（Day，375 m）層顯示了主動火警探測和熱異常，如火山、野火和瓦斯彈等。

后來，大火進(jìn)一步蔓延到沿海地區(qū)。通過加載“紅色可見（0.64 μm，波段3，10分鐘）”圖層，發(fā)現(xiàn)維多利亞州大火在UTC時間2020年1月3日上午11：30至1月4日下午4：30急劇增加。這個圖層主要用于監(jiān)視白天的云層演變。這對于識別小規(guī)模特征（如河霧/晴朗的空氣邊界或積云的頂部超調(diào)）也很有用。它可以用于識別白天的冰雪覆蓋，診斷低水平的云飄移風(fēng)，協(xié)助監(jiān)測火山灰，分析颶風(fēng)和冬季風(fēng)暴。

如圖7，火災(zāi)在地表留下痕跡。通過加載“校正的反射率（M11-I2-I1波段）”的假彩色圖層，使用“開始比較”功能，可以對比景觀間的差異（相隔一年）。上方圖像顯示了2019年1月14日綠色的植被地，下方顯示了2020年1月11日深紅色的燒傷痕跡。2020年1月3—12日，袋鼠島上也出現(xiàn)嚴(yán)重的燃燒跡象。

大火產(chǎn)生的濃煙已遠(yuǎn)至南美洲，可從2020年1月5—6日的NASA / NOAA Suomi NPP聯(lián)合衛(wèi)星上的臭氧測繪剖面儀套件（OMPS）儀器中看到氣溶膠指數(shù)（如圖8）。氣溶膠指數(shù)（pyro cumulo nimbus）層表示存在紫外線（UV）吸收空氣中的顆粒，如沙漠塵埃和大氣中的煙塵顆粒。該層可用于識別和跟蹤高氣溶膠指數(shù)值事件，使其更容易跟蹤大氣中氣溶膠高濃度的分布情況。

在VIIRS / Suomi NPP的真實色彩校正反射圖像中，通過“設(shè)置動畫”功能，可以發(fā)現(xiàn)澳大利亞東南沿海大火帶來的棕褐色煙霧從2019年12月30日至2020年1月11日自太平洋向東流入南美。

維多利亞州和新南威爾士州經(jīng)歷了該州數(shù)十年來最嚴(yán)重的火災(zāi)季節(jié)之一。經(jīng)過數(shù)月異常干燥炎熱的天氣，數(shù)百場大火燒焦了比西弗吉尼亞州更大的區(qū)域，摧毀了數(shù)千所房屋，導(dǎo)致數(shù)十人死亡。

三、探討與反思

強熱帶氣旋“伊代”（IDAI）襲擊莫桑比克海岸的案例發(fā)生在南印度洋，它是南半球的氣旋，可以應(yīng)用于天氣系統(tǒng)部分南半球氣旋順時針旋轉(zhuǎn)的學(xué)習(xí)，借助衛(wèi)星云圖甚至能看見風(fēng)眼，通過氣旋的移動路徑探討氣象災(zāi)害的預(yù)報和預(yù)警等。也可通過氣旋過境前后的對比，探討氣旋帶來的狂風(fēng)、暴雨、洪水、風(fēng)暴潮、滑坡、泥石流等影響，或通過燈光圖呈現(xiàn)的停電等現(xiàn)象關(guān)注氣旋對人類自身、生產(chǎn)、生活等的影響。當(dāng)然，這個分析過程是不同類型遙感和統(tǒng)計數(shù)據(jù)、地理信息技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)中應(yīng)用的表現(xiàn)。

通過澳大利亞的叢林大火這個案例，可以看到遙感技術(shù)的基本原理（波段組合）在真實場景中的應(yīng)用。煙霧重的時候，受可見光波段合成的真彩色影響不能看到地面狀況，紅外波段波長更長，對煙霧有一定的穿透能力，用它合成的假彩色影像可以用來觀察地面著火情況，發(fā)現(xiàn)著火點有針對性地滅火，統(tǒng)計過火面積等。氣溶膠指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)盛行西風(fēng)帶對污染物的擴(kuò)散，以及對人類活動造成的影響，這是對氣壓帶風(fēng)帶部分理論的應(yīng)用。結(jié)合降水?dāng)?shù)據(jù)、大氣環(huán)流數(shù)據(jù)，還可簡單分析大火持續(xù)時間長的影響因素。

這兩個案例是相對異常的地球大事件。如果再結(jié)合全球氣候變化這個背景，對其關(guān)聯(lián)和內(nèi)在邏輯進(jìn)行思考就會有新發(fā)現(xiàn)。觀察大洋表面水溫數(shù)據(jù)，會發(fā)現(xiàn)印度洋西岸海水溫度相比東岸升高，平常正好相反。這導(dǎo)致印度洋上空的大氣環(huán)流模式發(fā)生變化，原本西岸盛行下沉氣流降水少，現(xiàn)在西岸上升氣流降水多，讓西岸颶風(fēng)肆虐，降水增多喚醒了沉睡的沙漠蝗蟲大軍。這種現(xiàn)象被稱為印度洋偶極子，類似于耳熟能詳?shù)亩驙柲嶂Z現(xiàn)象，只不過它發(fā)生在印度洋。這種情況下，西風(fēng)減弱，使暖水和降雨向東非轉(zhuǎn)移，東邊的澳大利亞降水比往常減少，被認(rèn)為是大火持續(xù)時間長的原因之一。這是學(xué)習(xí)海氣相互作用、氣候變化、整體性等內(nèi)容難得的真實案例，畢竟這種大尺度的真實案例資料并不容易獲得。

2019—2020年，地球經(jīng)歷了一連串的“大事件”，包括非洲東部和阿拉伯半島地區(qū)罕見的氣旋風(fēng)暴、澳大利亞東部肆虐的山火、非洲東部蝗災(zāi)肆虐等，都被認(rèn)為是氣候變化引起的。氣候變化正在使全球海洋升溫，印度洋海區(qū)的洋流模式、大氣環(huán)流模式發(fā)生變化^[1]。通過WorldView網(wǎng)站，基于一些觀測數(shù)據(jù)，似乎就可以“看到”這種緩慢的變化。

除上述各種功能外，WorldView網(wǎng)站還有很多能夠用于實際教學(xué)的操作，使用者可以不斷探索和挖掘，為地理課堂教學(xué)提供真實可靠的數(shù)據(jù)資源。這些也可通過界面右上角的“分享”圖標(biāo)，以短鏈接的形式分享給學(xué)生，希望他們能夠結(jié)合課堂學(xué)習(xí)的地理理論，認(rèn)識和解釋真實發(fā)生的地球事件，關(guān)注這個動態(tài)星球的變化。

這個網(wǎng)站的設(shè)計初衷并非用于基礎(chǔ)教育教學(xué)，但網(wǎng)站提供的工具和數(shù)據(jù)為中學(xué)師生提供了全新的地理學(xué)習(xí)視角：通過真實情境，了解各類地球運動、自然災(zāi)害現(xiàn)象的巨大作用;通過圖層疊加，直觀了解地球“大事件”與人類活動的密切關(guān)系;也幾乎可以實時看到地球這顆動態(tài)星球的變化。在此，呼吁國內(nèi)科研機構(gòu)也能開放研究數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建簡單易用的大數(shù)據(jù)平臺，將數(shù)據(jù)對公眾開放，方便研究和學(xué)習(xí)。

注：本文系北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度青年專項課題“中學(xué)跨學(xué)科教學(xué)實踐基地的開發(fā)研究——以八大處及其附近地區(qū)為例”（課題編號：CCDA16115）的階段性研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1] MADELEINE STONE. A plague of locusts has descended on East Africa. Climate change may be to blame[J/OL].https：//www.nationalgeographic.com/science/2020/02/locust-plague-climate-science-east-africa/，2020-02-14.

（作者系北京市京源學(xué)校教師）