氣預報有了更精細的監測資料

中國氣象報記者 黃彬 牛彥元

在“風雲四號”衛星天氣預報應用攻關團隊首席專家許映龍眼裡，“風雲四號”A星所提供的監測資料在天氣預報業務中扮演著非常重要的角色，為強化衛星監測分析業務技術、發展衛星監測客觀定量分析方法提供了重要支撐。

對於天氣預報而言，衛星監測資料可以更精準地反映天氣系統以及天氣系統在衛星雲圖上的特徵和變化。透過資料同化技術，衛星監測資料可融入到數值預報模式中，進一步提升預報精度。

相比於“風雲二號”G星、F星，“風雲四號”A星的高時空解析度觀測影象在對臺風監測上有著質的飛躍。其紅外掃描輻射計空間解析度由原先的5公里精細到2公里，針對我國及周邊地區的觀測時間解析度也由30分鐘縮短至5分鐘，而且在需要滿足特定的觀測需求時，甚至可以在更短時間內傳回觀測資料。“觀測資料越精細，就越有利於準確把握天氣系統的細節和變化。”許映龍說。

在臺風預報業務中，衛星監測是海上監測的最主要手段。如今，藉助於衛星觀測，可以無一遺漏地觀測全球熱帶地區的氣旋。“風雲四號”A星可為監測颱風動向、強度變化及周圍環境場中天氣系統的演變提供高時空解析度的多種觀測資訊。同時，由衛星觀測雲移動推匯出的雲導風以及由衛星探測反演出的海表溫度、大氣中溫度和溼度的垂直分佈等，都為進一步研究和認識颱風的移動、結構、發生發展中的動力學和熱力學過程提供了新的可能和角度。

不僅如此，“風雲四號”A星可見光掃描輻射計還可提供500米高時空解析度影象，可以反映颱風雲結構及其演變的精細化動態資訊，特別是對臺風眼區的監測，可以彌補此前在軌衛星空間解析度和時間解析度不夠高的缺點，為颱風定位、定強提供分析依據，可為研究和預報臺風發生、發展、演變和消亡提供有力支撐。在2017年第13號颱風“天鴿”登陸前，“風雲四號”A星傳回的監測資料就為鎖定颱風中心位置、確定強度提供了科學依據。

目前，應用攻關團隊已透過引進美國威斯康星大學研發的高階客觀Dvorak技術，藉助於衛星資料解碼、數學處理識別方法和計算機技術，實現了颱風雲型特徵（颱風眼、螺旋雲帶等）、雲頂溫度、眼區溫度、中心密閉雲區等颱風雲系特徵的自動識別，建立了基於“風雲四號”A星的西北太平洋和南海臺風強度客觀估計系統。

2017年8月22日，颱風“天鴿”影響期間珠海九州島地面風速觀測變化曲線。

“得益於‘風雲四號’A星的高時空解析度，強對流監測業務應用特別是短時臨近預報將有所突破。”許映龍對新一代氣象衛星在強對流天氣和短時臨近預報業務中的應用充滿信心。

目前，應用攻關團隊基於“風雲四號”A星建立了短時強降水的衛星引數判識方法，可實現全國不同區域分別建立判識模型；利用地閃監測產品，融合“風雲四號”A星的閃電監測資料，生成不同累積時次的地閃和雲閃綜合閃電監測產品。此外，預報員還可以基於“風雲四號”A星的監測資料、雷達觀測、閃電觀測、地閃觀測和地面自動站觀測資料進行對流系統強度識別，製作強對流綜合監測產品。

許映龍認為，“風雲四號”A星的監測資料將會更廣泛地應用到天氣預報業務中，而其更加精細的特徵也符合天氣預報未來客觀定量分析的發展思路，此外與AI技術的融合應用也是未來“風雲四號”A星業務應用的主要方向之一。

為氣候業務“成績單”加分

中國氣象報記者 賴栩雯

如何提升我國氣象衛星在氣候和氣候變化中的業務應用能力，解決氣象衛星遙感應用中的瓶頸問題是我國氣象部門當前面臨的緊迫任務之一。結合我國氣候特點和國家級氣候業務需求，國家氣候中心深入推進“風雲四號”衛星資料在氣候監測、氣候模式、氣候資料服務等領域的應用落地和成果轉化，不僅提高了“風雲四號”衛星在國家級氣候業務中的應用與服務水平，還充分發揮了“風雲四號”衛星的社會效益和經濟效益，為我國經濟社會發展提供了更加優質的氣候服務保障。

亞洲季風區是世界上最大的季風區，受季風影響，亞洲東部和南部地區極易發生旱澇災害。“亞洲季風監測是國家氣候中心氣候系統監測的重要組成部分，也是短期氣候預測不可缺少的重要監測資訊。”“風雲四號”衛星應用攻關團隊（以下簡稱“攻關團隊”）氣候應用領域首席專家聶肅平說。

基於“風雲四號”衛星產品，國家氣候中心攻關團隊開發了亞洲季風系統中關鍵變數的試驗性監測應用業務產品，包括印度洋至太平洋西部海表溫度、歐亞地區各層水汽輸送及射出長波輻射（OLR）氣候業務監測產品等，建立了上述三類產品在亞洲季風監測中的試驗性業務。“亞洲季風系統對我國和亞洲地區各國氣候有重要影響，這一應用產品是‘風雲四號’衛星資料在氣候領域應用的核心。”聶肅平表示。

據悉，國家氣候中心於上世紀九十年代建立了亞洲季風監測業務系統，但業務主要依賴於國外衛星或再分析資料。開發基於“風雲四號”衛星資料的亞洲季風監測業務產品，對於提高國家級氣候業務中我國自主資料的應用能力有重要意義。為開展南海季風爆發業務監測服務，國家氣候中心基於“風雲四號”衛星資料開發的孟加拉灣季風監測產品，彌補了該地區原有海表浮標觀測資料少的不足。聶肅平解釋道：“孟加拉灣季風爆發是南海季風爆發的前兆訊號，可以為南海季風爆發的監測預測提供有益的指示。”

衛星觀測資料在氣候模式中的定量應用是提升模式預測準確性的關鍵。透過核心技術攻關，國家氣候中心已基本解決“風雲四號”衛星陸表溫度產品在氣候預測業務模式陸面分量模式中同化應用的關鍵技術問題。“我們發現，同化陸表溫度產品對模式陸表溫度的模擬有正貢獻，同化後能為氣候預測模式提供更準確的陸面下墊麵條件。”聶肅平說。

在聶肅平看來，“風雲四號”衛星資料還為推進我國現有氣候業務中全球尺度積雪監測的自主化提供了核心資料支撐。“在此之前，我國的全球尺度積雪監測業務主要依賴於美國的監測產品，核心產品的自主程度較低。”而現在，結合我國全球積雪監測的氣候業務應用需求，國家氣候中心基於“風雲四號”和“風雲三號”衛星產品，結合地面臺站觀測資料，開發了歐亞區域多源資料融合的積雪覆蓋試驗性氣候應用產品，與國際先進的IMS積雪產品一致性明顯提高。“這是研製具有自主智慧財產權的全球尺度積雪覆蓋產品的第一步。”聶肅平說。

為使衛星產品更好地為氣候業務人員提供高效的服務，國家氣候中心還開展了基於“風雲四號”產品的監控和共享展示平臺建設。該平臺可以方便業務人員對衛星產品資料進行預處理和分類儲存，並提供便捷的介面實時調取衛星產品，同時還能實現對實時接收的衛星產品、生成氣候應用業務產品的到位情況進行監控和反饋，確保未來基於“風雲四號”衛星資料的氣候業務的自動化和實時化執行管理。

“雙高”解析度資料大顯身手

中國氣象報記者 王玫珏

提起“風雲四號”A星資料在數值預報上的應用，中國氣象局數值預報中心模式研發室副主任、“風雲四號”衛星數值預報應用攻關團隊首席專家韓威用“恰逢其時”“鼓舞人心”兩個詞語來形容。

數值預報中心與國家衛星氣象中心等單位密切配合，將“風雲四號”A 星率先在我國自主發展的 GRAPES 數值天氣預報系統進行了評估和試驗，初步結果十分喜人。

“好馬要配好鞍。”韓威說，“GRAPES全球四維變分同化系統的發展讓‘風雲四號’A 星的高時空、高光譜解析度資料大顯身手，兩者‘相遇’恰逢其時。”衛星搭載的是世界首個靜止軌道干涉式紅外探測儀，有 1600 多個探測通道，就像CT切片一樣，把大氣在垂直方向上切層，獲得精細資料。垂直探測儀實現對我國及周邊地區每小時一次大氣溫溼分佈的垂直探測，彌補現有地面探空站點稀少、時間頻次有限的不足，提高了數值天氣預報精度。

紅外干涉式探測資料的評估和初步同化是一項富有挑戰性的工作，可以說是應用攻關中的重點、難點。團隊不斷攻堅克難，完成了觀測運算元、通道選擇、偏差訂正和雲檢測等演算法；在GRAPES中建立了紅外干涉式探測儀資料的同化模組，初步具備了直接同化能力。

“風雲四號”A星閃電成像儀的主要作用是對閃電進行觀測，獲取觀測覆蓋區範圍內的閃電分佈圖。該儀器可對我國及周邊區域的閃電頻次和強度進行探測。將閃電的實時、連續觀測資料與雲圖疊加起來，就能實現對強對流天氣的監測與跟蹤。透過個例分析，數值預報攻關團隊發現，同化閃電儀觀測資料後，局地降水預報能力增強，在一定程度上減少了降水漏報問題。

“風雲四號”A星智慧觀測模式試驗是衛星資料同化應用中的一次“嚐鮮”，實現了數值預報與觀測系統的互動。

“比如，紅外探測在有云區域探測能力較弱，在晴空區域較強。透過GRAPES全球業務數值預報可得出未來24小時‘風雲四號’觀測區域的雲和晴空狀況，為衛星觀測制定任務規劃。該方法兼顧了全圓盤晴空區域探測和區域天氣預報預警需求，同時充分施展了‘風雲四號’靈活機動的探測本領，發揮其高時間解析度大氣垂直探測的核心優勢。”韓威介紹，這樣一種衛星觀測與使用者的互動，在國際上也是鮮有的。

此外，作為應用方，數值預報中心透過加強與衛星相關研製單位的協作，在攻關中為“風雲四號”後續衛星的設計也提出了具體需求。

目前，“風雲四號”A 星資料初步同化已經實現，建立了一系列技術流程。“這些進展離不開團隊與各方‘面對面、手拉手’的合作。下一步，為了讓衛星資料投入數值預報業務使用，還需要大批次的試驗，在例項中研究每個儀器、每份資料中的貢獻，論證實際業務應用的可行性。”韓威說。

沙塵、火點與藍藻皆可“捕獲”

中國氣象報記者 宛霞

透過連續觀測，可以看到霾的整個形成過程；對於火點監測更及時，使火險的短時預警成為可能；根據太湖藍藻的日變化與日照、風向的關係，實時監測藍藻變化……說到“風雲四號”在生態環境監測方面的應用，該衛星應用攻關團隊——生態環境團隊首席專家方翔如數家珍。

已有觀測資料顯示，以“風雲四號”A星為代表的新一代靜止氣象衛星的生態環境監測能力明顯提升，可實現對快速變化的生態環境目標的早期探測，對環境災害事件的全過程連續監測。

在大氣環境監測方面，“風雲四號”A星拓展了霾監測業務，生態環境團隊開展了多項影象製作及定量化監測產品開發工作。目前，產品已實現業務化，生成的材料被納入秋冬季霾監測報告。同時，透過連續監測，很好地區分了霾和霧。“我們還做了擴充套件性應用，可進一步實現PM2。5的動態監測，獲取大範圍PM2。5區域分佈資訊。”

“風雲四號”A星對沙塵的識別精度有很大提升，生態環境團隊研發了新的沙塵指數產品，在沙塵監測業務方面發揮了積極作用。據方翔介紹，中國氣象科學研究院在沙塵預報模式中加入沙塵指數產品，反饋的結果是：在一次明顯沙塵過程中，沒有加入該沙塵指數產品時，我國東北、華北東部地區一些植被比較好的地方在暗背景下的沙塵預報並不準確，而加入沙塵指數產品後，對於這些地方的沙塵預報準確率明顯提高。

“風雲四號”A星可實現對空氣質量、森林火險等的實時監測。

值得一提的是，在地表監測方面，“風雲四號”A星的火點監測效益顯著。“它對火點的監測可達到小於兩公里的解析度。我們利用其可見光通道可測出煙塵，根據煙塵的連續觀測走向，遞推出風向風速。同時，我們的綜合判斷不僅依靠煙塵和火點，還結合生態地表引數，把林木的資訊加進去，包括可燃物的性質、覆蓋的成分等都可以作為火點預判的條件。”據方翔介紹，基於“風雲四號”A星產品監測火點的優勢，山東、廣東等省電力部門紛紛與氣象部門簽署協議，加強火點監測合作。

在水體環境監測方面，“風雲四號”A星對湖泊藻類的監測效果明顯。今年4月，太湖流域有一次嚴重的藍藻擴散過程，透過極軌衛星不能及時獲取監測資訊，但透過“風雲四號”A星的連續監測，氣象科技人員對藍藻面積做出準確評估，監測效果明顯。此外，“風雲四號”A星還對海霧、融雪型洪水、地表高溫以及在全球變暖背景下喜馬拉雅山南麓積雪變化等方面進行監測，發揮了積極作用。

方翔說，“風雲四號”A星在生態領域應用的潛力和價值非常大，透過生態環境團隊的攻關，目前其產品已逐漸業務化，並在業務服務中發揮了很大作用。“人們對生態環境的關注度越來越高，生態遙感將不侷限於某一顆衛星，需要極軌衛星、靜止衛星、高分衛星等多元衛星配合使用，共同做好生態環境監測。”

讓專業氣象服務更專業

中國氣象報記者 王敬濤

2017年2月27日，在“風雲四號”產品資料尚未業務化之際，中央電視臺《新聞聯播天氣預報》運用了由國家衛星氣象中心提供的“風雲四號”14通道高時空解析度紅外影象、由中國氣象局公共氣象服務中心（以下簡稱公服中心）加工製作的GIF動態雲圖，充分展示了“風雲四號”雲圖雲系結構和地物特徵層次豐富、紋理清晰的優勢。

2017年6月23日，為應對華北和華南降雨，“風雲四號”開始持續20小時、每兩分鐘一次的加密觀測。這是“風雲四號”第一次開展緊急天氣服務，公服中心積極應用並加強業務推廣工作，並在6月24日中央電視臺《新聞聯播天氣預報》中應用。

2017年伊始，在中國氣象局的統一組織下，公服中心牽頭，國家衛星氣象中心和部分省氣象局參與，率先開展“風雲四號”產品資料在專業氣象服務和公眾氣象服務領域的試應用，計劃研究建立新一代“風雲四號”氣象衛星產品在太陽能資源監測和短時臨近預報、高速公路路面溫度監測、森林草原火險監測和預報、航空領域氣象服務、電網雷擊災害監測和預警等五個專業方向應用的技術方法，並初步建立業務系統。

“風雲四號”衛星產品在專業氣象服務中的應用領域。

“‘風雲四號’產品資料在專業氣象服務應用中的主要優勢有三項：空間解析度高，可以有效彌補地面專業觀測的不足；時間解析度高，達到15分鐘，能夠支撐專業氣象服務實況監測和短時臨近預測的業務需求；產品要素豐富，可以滿足不同領域專業氣象服務的需求。”中國氣象局風能太陽能資源中心副主任、“風雲四號”科研試驗衛星專業氣象服務應用示範系統首席專家申彥波告訴記者。

作為當今最先進的氣象衛星，“風雲四號”在“實習期”內便已經在專業氣象服務領域嶄露頭角。2017年5月18日，華北地區遭遇了一次高溫天氣過程。研究團隊使用天津域內津薊高速上交通氣象觀測站點路面溫度與氣溫觀測值，對應衛星像元內地表溫度之間的統計迴歸關係，建立訂正模型，並應用該模型對京津及周邊地區公路沿線衛星遙感地表溫度進行訂正，獲取到公路路網上連續分佈的地表溫度。

“這對於交通管理部門應對高溫天氣採取相應的應急對策更具指導意義。”申彥波介紹，“經過經驗訂正後的地表溫度值比訂正前有明顯的提高。對於有交通氣象觀測的路段，路面溫度實況值與衛星地表溫度產品訂正後的等級基本一致。”另外，使用衛星資料訂正分析得到的公路路面溫度實況分析產品還能夠較好地反映出局地高/低溫路段分析的細節特徵，如京滬高速河北-天津交界處的高溫路段、天津境內津薊高速中部的低溫路段，以及河北境內廊涿高速的低溫路段。

除了應用在交通氣象服務領域之外，研究團隊還選擇了9個有代表性的電站，開展光伏陣列可利用太陽能資源的監測及短臨預報試驗；將“風雲四號”閃電資料融合到STMAS模式中，研發了雷達反射率因子演算法這一核心技術；“風雲四號”部分原始資料加工的圖形產品在國家突發事件預警資訊釋出業務中起到了輔助決策作用；利用具有云繫結構和地物特徵層次豐富、紋理清晰優勢的“風雲四號”雲圖，開展了面向全媒體氣象服務衛星產品視覺化科普應用研究等。

“未來，我們將基於‘風雲四號’產品資料，完善太陽能資源監測和短時臨近預報、高速公路路面溫度監測、森林草原火險監測和預報、航空領域氣象服務、電網雷擊災害監測和預警等五個專業方向應用技術，並將其業務化，讓‘風雲四號’發揮更大的價值。”申彥波說。

向更科學追雲播雨近一步

中國氣象報記者 崔國輝

1958年，我國人工影響天氣業務起步。當時在飛機上看不到衛星實時資料，只能在登機之前於地面暗房中將一張張接收到的衛星照片洗出來，判斷增雨條件、制定飛機增雨計劃。然而，大氣運動瞬息萬變，年輕時多次被困在危險雲團中的經歷讓現在的“風雲四號”衛星人影團隊首席專家周毓荃認識到，只有更好地瞭解雲，才能更科學有效、更安全地“追雲播雨”。

人影作業是透過向雲中播撒催化劑，改變雲的微物理結構，提高雲水-降水的轉化效率，其難點就在於對雲的認識和作業條件的把握。“對三維雲場和雲水場的特性及演變規律的瞭解是人影的關鍵，現代人影業務需要對雲的宏觀結構和微觀特性進行時空連續監測，而衛星是大範圍獲取以上資料的最主要手段。”周毓荃表示。

2004年，我國國家級人影業務起步，基於“風雲二號”衛星資料開發的雲特性引數監測產品便是人影業務邁出的第一步。隨著一顆顆“風雲”系列衛星的升空，雲特性引數產品也一直“與時俱進”，不斷升級。

如今，隨著“風雲四號”衛星及地面應用系統正式投入業務執行，“風雲四號”衛星人影應用示範專案也已全面啟動，一些開發和應用工作開始為人影業務注入新的活力。

“風雲四號”宏微觀雲特徵引數和人影雲分類系列產品。

專案團隊融合“風雲四號”衛星資料、業務實時L波段探空資料以及地面觀測資料開發了人影業務人員最為關心的雲底高度、過冷層厚度、暖區厚度及雲體厚度等參量產品。為滿足人影對雲微觀物理特徵引數反演的精度需求，團隊還開發了冰雲、過冷水等相態識別的人影微觀雲物理特徵引數反演演算法。

基於“風雲四號”衛星觀測資料和雲宏微觀反演產品，專案團隊開發了人影作業目標雲分類和識別演算法，可以針對人影作業需求及作業條件等目標進行雲分類。“該技術緊扣人影業務實際需求，除混合雲和暖雲外，另有對積狀雲和冰雹雲的識別；不僅停留在對雲頂型別的識別，更注重垂直方向上雲降水物理過程的分析。”周毓荃介紹。

目前，在雲降水精細處理分析系統（CPAS）的基礎上，應用“風雲四號”衛星資料的CPAS-FY4系統已完成初步開發，相關雲產品已對接CIMISS系統並面向全國發布。據悉，該系統可顯示的雲產品包括降水預估、雲型別、水汽總量、雲相態、雲頂高度和溫度、雲光學厚度、雲粒子有效半徑、液水路徑、冰水路徑等。經過不同衛星之間的雲產品檢驗、飛機直接觀測和衛星雲反演產品比對檢驗、空地結合的雲宏微觀結構檢驗，這些雲產品的質量已經相當高。比如，在進行飛機觀測雲引數與衛星雲引數檢驗處理時，系統可實現每5分鐘提取一個時刻的飛機經緯度，將之與最近時間最近距離的衛星畫素點進行匹配。

目前，這些雲產品也已應用於雲模式預報產品檢驗、人影作業條件監測分析和作業設計、人影作業效果分析等人影業務的各個方面。

未來，專案團隊將繼續以高時空解析度、多光譜的“風雲四號”衛星資料為主要資訊源，融合全國業務佈網的實時探空、雷達、地面觀測以及飛機探測資料，建立滿足人影業務需求的“風雲四號”衛星雲結構特徵和雲降水物理過程的反演技術方法與業務產品；升級開發具有“風雲四號”衛星反演計算、整合顯示和分析功能的雲降水精細處理分析系統；在典型區域開展雲特性產品飛機和地面聯合雲物理觀測檢驗，完成“風雲四號”衛星雲特性產品的評估分析報告；針對我國典型雲系，開展“風雲四號”衛星在人影業務中的應用探索和示範。

獲取衛星雲圖，如同翻看相簿一樣方便

中國氣象報記者 劉釗

總量數百TB，日增近千GB，如何呼叫如此海量的衛星觀測資料？漫長的傳輸過程、複雜的資料管理、巨大的空間佔用？對此，“風雲四號”衛星資料服務系統的回答是：通通不需要——在國家級業務單位，使用者只需在電腦上點開名為“FY4A”的資料夾，即可直達資料，獲取最新的衛星雲圖，就如同找到自己剛拍的照片一樣簡單。

這套系統又被稱為CIMISS衛星資料資源池，當“風雲四號”觀測資料所得的巨量資料經前期處理後，5分鐘內便會匯入這個資源池中，透過網路直接連線到使用者，供其隨時檢視呼叫。從使用者的角度看，他們的電腦或業務系統裡只是多了一個存有衛星資料的1。4PB大小的資料夾，點開之後，雲圖、閃電、地表溫度、海面溫度、陸地氣溶膠等數十種資料便盡在掌握之中。

“風雲四號”A星資料獲取和共享服務體系。

“風雲四號”衛星應用支撐團隊首席專家徐喆告訴記者，目前，國家級氣象業務單位均可享受到近似本地資料的衛星資料資源池服務。“與過去相比，就如同從靠火車頭帶動的綠皮車，升級到每節車廂都有動力的動車組。”徐喆說，過去，使用者呼叫衛星資料需要先傳輸到本地，並消耗大量的資源用於本地儲存。而採用分散式儲存技術的衛星資料資源池省去了這兩步操作，具有多節點支援，高可用性、高併發性，儲存服務一體化的優點，讓海量的資料得以即時抵達使用者桌面。

自2017年2月15日“風雲四號”衛星資料資源池開通以來，迄今共釋出資料79類，資料量達370TB，日增資料量760GB。使用者累計訪問量1798萬次，訪問資料總量161TB。動力升級後，資源池已經實現了對業務使用者的“提速”。

針對省級氣象部門、國內行業使用者、國內外科研使用者以及“一帶一路”區域、亞太區域國際使用者，由於網路頻寬限制，目前還無法做到像國家級業務單位一樣實現虛擬本地儲存。但根據使用者的不同需求，如行業使用者、科研使用者和公眾使用者可以透過直收站、CMACast轉發、CIMISS地面專網、Internet網站等方式獲取衛星資料。各類獲取途徑也正在不斷進行技術最佳化，Internet網站為使用者提供了精細化檢索功能，還可以用“點菜”——資料定製的模式獲取資料。“風雲四號”衛星成像儀資料解析度高、資料量大，一併下載費時費力。利用資料定製功能，使用者可在系統內指定時間、空間範圍進行資料集抽取和切分，只保留使用者需要的資料，節省資料傳輸量，這樣就大大提高了使用者獲取資料的效率。