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NOAA气象卫星大会:风云际会大舞台
——美国气象卫星发展新态势

来源:中国气象报   发布时间:2015年05月13日07:40
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贾朋群

  4月27日到5月1日,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)气象卫星大会在马里兰州成功举办。来自全球相关领域(气象卫星用户和提供者)的650位学者报名参加,因会议接待能力的关系,大约100人不得不等候空位。为了配合这次大会的召开,从4月22日开始,卫星遥感跨机构工作组会议、GOES数据技术工作组会和NOAA GOES数据国际用户培训等在会前相继举办,为大会的召开烘托了人气,增加了技术含量。

  会议分5个部分,安排了80余个报告,使得整个会议内容充足且紧凑。特别是,大会的主题定位于“准备未来的环境卫星”,使得大会成为各气象卫星国和组织争相展示未来气象卫星全貌的舞台。本文主要依据美方报告,介绍大会反映出来的未来气象卫星领域的新理念。

  当气象卫星大踏步迈向高分辨时 会倒逼地面预报系统作出改变

  本次大会在展示天基观测新技术的同时,也有一些天气气候预报新理念浮现,而这些创新性的思维,更多来自预报一线熟悉、应用卫星数据的用户。例如,美国国家天气局(NWS)首席业务官员墨菲在开幕式上,做了论述卫星资料对NWS重要性的论述演讲,他用1980年至2012年世界上的灾害分布数据,说明了全球天气趋势出现了越来越明显的改变,即在地球物理灾害变化不大的情况下,气象、水文和气候事件大幅度增加。与此同时,虽然全球拥有35颗不同的环境探测卫星,但是天基探测和预测的能力在出现弱化。面对政府预算的减少,天基设备的能力几乎被全部挖掘出来,进一步的挑战尤其艰巨。墨菲认为,传统上,低轨(极轨)卫星为NWS提供数据,而静止卫星主要拥有天气形势的判断。但是,目前二者的区别正在走向模糊。例如,低轨道卫星资料越来越多地被预报员使用预警功能,特别是针对阿拉斯加州、沿海风的预警,而静止卫星上的一些探测资料,也通过同化系统在NWS中获得应用。因此,两个种类卫星的全面融合既是方向,也是气象卫星界最重要的挑战之一。这种融合需要业务和研究层面上的共同努力,还需要红外和微波这一传统卫星探测技术与新出现的GPS掩星技术的共同努力,以及遥感和实地观察的共同支持才能实现。

  此外,墨菲分析了卫星快速探测获得的资料,在延迟时间很长的数据同化过程中,其价值会大幅度降低,他因此提出2.5小时同化窗口的概念,尽可能避免因数分钟的延迟给激烈天气预警带来的影响。NWS代表的发言也向与会专家提出一个值得思考的问题:在进入地面观测自动化和新一代天基观测时代时,如何确保所有资料最快速地被业务预报圈利用?要做到这一点,也许所有的地面系统要有些改变,至少要和天基观测的节奏保持一致才行。

  发言者还历数了十余个融入天气预报业务的卫星探测创新案例,发现2014年及之前有葵花和GPM卫星等5次;2015年有SMAP卫星等3次;预期2016年将有GOES-R和COSMIC-2等4次。频繁的天基探测创新成果,以及这些创新在快速与天气气候预报业务融合的同时,其开始显现的低轨和静止卫星、研究和业务、本国和国际资源之间的界限开始模糊的特征,也让与会者增添了更多信心。

  美国换代气象卫星平台初露端倪

  会上来自NOAA的多位专家,共同描述了美国下一代气象卫星的全景图像。NOAA卫星和信息局长在会上直接宣告了到2017年NOAA的4颗重要卫星的发射时间:Jasson3(2015年7月22日)、GOES-R(2016年2季度)、COSMIC-2a(2016年3季度)、JPSS-1(2017年2季度)。对于即将升空的Jasson3和GOES-R,美国气象卫星人更是充满自豪:JPSS-1代表了重要技术改进,目前其搭载的VIIRS、OMPS-N、CrIS和CERES等仪器已经装载完毕;预计今年升空的GOES-R,其性能会成倍提高:谱信息的数量提高3倍,空间分辨率提高4倍,对高影响天气覆盖时间扫描速度提高5倍。该星在经过各种测试后,预计将于2017年3月业务化。可以说,上述卫星的发射和成功运行,将开启NOAA气象卫星的换代周期。

  实际上,GOES-R背负美国下一代静止气象卫星的盛名,主要依据来自其中带着的两个关键传感器:先进基准图像仪(ABI)和地球静止闪电测绘仪(GLM)。和以往GOES搭载的类似仪器不同,ABI不仅是GOES-R系列卫星的基本仪器,其探测的通道增加到覆盖可见光和近红外的16个(原为5通道),前述的GOES-R主要性能数倍提高的依据主要来自ABI。目前,世界上欧洲、日本和韩国等国家的下一代地球静止气象卫星,类似ABI的仪器几乎成为标配,尤其是ABI与日本葵花-8卫星上的AHI相比,只是在2个通道的波长不同而已。如果说ABI是对原载仪器的改进,那么,GLM则是填补空白。GLM能够对西半球所有的闪电活动进行探测,探测的时间延迟仅仅20秒。GLM资料的出现,给目前的预报带来了改进的机会,也提出了挑战。首先,闪电一般总是和激烈天气联系在一起,延迟很小的GLM数据,如果能够和模式预报结合起来,不仅能够改进预报,还能够大幅度提高预警的提前时间。但是,目前的数据更新系统,有可能让GLM无所作为。会上,科学家们讨论了GLM与NOAA新推出的高分辨率(3千米)快速同化系统(HRRR)可能的结合方式,即通过HRRR时间延迟LTF(闪电威胁预报)集合技术最终解决GLM与目前业务体系的融合问题。

  美国多机构卫星探测平台图像难言完整

  在这次会议上,NOAA以外其他联邦机构的卫星平台建设,只有来自美国国防部(DoD)以及美空军等做了报告。自1962年以来,DoD通过其DMSP卫星开始地球大气的探测。1995年发射的DMSP-13卫星,在20年后依然提供重要的探测图像,是典型的长寿卫星。来自国防部的达标在会上透露,DoD计划在2021年前后发射WSF(Weather System Follow-on,天气系统第二代)系列卫星,在WSF上可能搭载圆锥微波图像仪。这或许意味着未来美国军方将主要依据战事的需要,在与民用卫星共享技术进步的同时,构造其下一代大气探测卫星和更适用于战争需求专门的星载仪器。

  本次大会并没有来自NASA的代表,就NASA主导构建的空基平台中大气和环境探测内容做重要的发言,此外,美国与其他国家和地区联合开展的项目,例如美日联合开发的GPM(全球降水观测)等也不见专门的介绍,这是大会让人略感遗憾的地方。

  卫星数据获取和培训,一个都不能少

  会议的最后两个板块,分别探讨卫星数据的发布和获取以及气象卫星的教育培训,这既是一种务实,即想用户之想,更是卫星技术快速发展带来的必然:卫星数据快速融入预报和研究模式带来更多的数据接口问题,而卫星和卫星搭载传感器的多样化和复杂化,正在让气象卫星培训成为科研和业务人员入门的必要程序,未来面对一个特定的天气系统,你可能可以从极轨、静止轨道上或者小卫星更加多变轨道上,获得时间和空间域最接近的多个卫星及传感器探测资料,要了解如此众多卫星资料的视角和特点,没有相关的培训几乎不可想象。

  正如很多与会者的感觉,如果说世界上气象资料的全球共享走在了前面,那么全球卫星资料的共享则更是一面旗帜。地球静止卫星在全球的定位都是卫星国协调的结果,其中资料的共享显然是前提。针对JPSS卫星和GOES-R卫星资料的获取,大会分别安排了4个和3个报告进行介绍,目前,这些卫星各传感器数据的获取,NOAA通过其CLASS系统(综合大型阵列数据管理系统)陆续开始做好了包括准实时和历史数据的发布准备。一些特别数据,一般都在研发部门的网站上设立了“直读”端口,用户可以快速获取。针对大部分用户的卫星探测产品,除了探测器不同通道产品、多通道探测数据合成产品之外,用户还可以根据自己的特别需求,定制其所需产品。例如农业等行业用处产品、新卫星传感器数据转化为NetCDF4或GRIB2等常用格式、让卫星针对特别过程获得“再采样”数据、滤波和压缩等。目前,CLASS用于80类资料,每类资料可以包含多种数据,这使得CLASS上可获取的数据库达到300个,其中最为热门的数据是来自GOES、POES和S-NPP卫星的原始辐射资料。

  在教育和培训方面,美国代表分别介绍了区域培训、合作所、COMET项目以及虚拟培训等手段中涉及卫星气象教育和培训的部分。这些教育和培训的共同特点是超前性。美国即将升空的气象卫星的主页上,几乎无一例外都有教育版块,提供该卫星工作原理和对气象预报和研究促进意义等信息,而在COMET的超过2000个英语气象卫星课件中,已经有数十个针对GOES-R的培训课件(英语69个,西语25个,法语16个)。NOAA的国家实验室和与高校合建的合作所,往往能够利用其本身就是新卫星传感器或产品研发基地的优势,开展更加有含金量的培训。例如,CIRA(大气研究合作所)和CIMSS(气象卫星研究合作所)两个合作所推出了VISIT(卫星综合培训可视学院)和SHyMet(卫星水文和气象)两个针对预报员的培训计划,它们与WMO的虚拟实验室共同构筑美国业务和学术气象卫星新技术的培训和研发基地,吸引力众多相关机构形成影响广泛的平台。

  目前,世界各国共同开展的气象和环境探测活动,每天提供大约20亿条观测信息,而这些信息的99%来自卫星探测平台。极地轨道和地球静止轨道上的气象和环境探测卫星的数量已经达到35颗,这些卫星组成的星群和空间网络,实际上代表着人类对地球大气和环境的感知和逐步加深的认知。在成功发射了人类第一颗人造卫星的美国,其气象卫星发展战略,不仅具有强大的技术优势,也同时在与气象业务的互动和对接中,大踏步地向新一代气象卫星平台迈进。

  (来源:《中国气象报》2015年5月13日三版 责任编辑:张林)

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