天气预报有了更精细的监测数据

　　中国气象报记者 黄彬 牛彦元

　　在“风云四号”卫星天气预报应用攻关团队首席专家许映龙眼里，“风云四号”A星所提供的监测数据在天气预报业务中扮演着非常重要的角色，为强化卫星监测分析业务技术、发展卫星监测客观定量分析方法提供了重要支撑。

　　对于天气预报而言，卫星监测数据可以更精准地反映天气系统以及天气系统在卫星云图上的特征和变化。通过数据同化技术，卫星监测数据可融入到数值预报模式中，进一步提升预报精度。

　　相比于“风云二号”G星、F星，“风云四号”A星的高时空分辨率观测图像在对台风监测上有着质的飞跃。其红外扫描辐射计空间分辨率由原先的5公里精细到2公里，针对我国及周边地区的观测时间分辨率也由30分钟缩短至5分钟，而且在需要满足特定的观测需求时，甚至可以在更短时间内传回观测数据。“观测数据越精细，就越有利于准确把握天气系统的细节和变化。”许映龙说。

　　在台风预报业务中，卫星监测是海上监测的最主要手段。如今，借助于卫星观测，可以无一遗漏地观测全球热带地区的气旋。“风云四号”A星可为监测台风动向、强度变化及周围环境场中天气系统的演变提供高时空分辨率的多种观测信息。同时，由卫星观测云移动推导出的云导风以及由卫星探测反演出的海表温度、大气中温度和湿度的垂直分布等，都为进一步研究和认识台风的移动、结构、发生发展中的动力学和热力学过程提供了新的可能和角度。

　　不仅如此，“风云四号”A星可见光扫描辐射计还可提供500米高时空分辨率图像，可以反映台风云结构及其演变的精细化动态信息，特别是对台风眼区的监测，可以弥补此前在轨卫星空间分辨率和时间分辨率不够高的缺点，为台风定位、定强提供分析依据，可为研究和预报台风发生、发展、演变和消亡提供有力支撑。在2017年第13号台风“天鸽”登陆前，“风云四号”A星传回的监测数据就为锁定台风中心位置、确定强度提供了科学依据。

　　目前，应用攻关团队已通过引进美国威斯康星大学研发的高级客观Dvorak技术，借助于卫星数据解码、数学处理识别方法和计算机技术，实现了台风云型特征（台风眼、螺旋云带等）、云顶温度、眼区温度、中心密闭云区等台风云系特征的自动识别，建立了基于“风云四号”A星的西北太平洋和南海台风强度客观估计系统。

2017年8月22日，台风“天鸽”影响期间珠海九州岛地面风速观测变化曲线。

　　“得益于‘风云四号’A星的高时空分辨率，强对流监测业务应用特别是短时临近预报将有所突破。”许映龙对新一代气象卫星在强对流天气和短时临近预报业务中的应用充满信心。

　　目前，应用攻关团队基于“风云四号”A星建立了短时强降水的卫星参数判识方法，可实现全国不同区域分别建立判识模型；利用地闪监测产品，融合“风云四号”A星的闪电监测数据，生成不同累积时次的地闪和云闪综合闪电监测产品。此外，预报员还可以基于“风云四号”A星的监测资料、雷达观测、闪电观测、地闪观测和地面自动站观测数据进行对流系统强度识别，制作强对流综合监测产品。

　　许映龙认为，“风云四号”A星的监测数据将会更广泛地应用到天气预报业务中，而其更加精细的特征也符合天气预报未来客观定量分析的发展思路，此外与AI技术的融合应用也是未来“风云四号”A星业务应用的主要方向之一。

　　为气候业务“成绩单”加分

　　中国气象报记者 赖栩雯

　　如何提升我国气象卫星在气候和气候变化中的业务应用能力，解决气象卫星遥感应用中的瓶颈问题是我国气象部门当前面临的紧迫任务之一。结合我国气候特点和国家级气候业务需求，国家气候中心深入推进“风云四号”卫星资料在气候监测、气候模式、气候数据服务等领域的应用落地和成果转化，不仅提高了“风云四号”卫星在国家级气候业务中的应用与服务水平，还充分发挥了“风云四号”卫星的社会效益和经济效益，为我国经济社会发展提供了更加优质的气候服务保障。

　　亚洲季风区是世界上最大的季风区，受季风影响，亚洲东部和南部地区极易发生旱涝灾害。“亚洲季风监测是国家气候中心气候系统监测的重要组成部分，也是短期气候预测不可缺少的重要监测信息。”“风云四号”卫星应用攻关团队（以下简称“攻关团队”）气候应用领域首席专家聂肃平说。

　　基于“风云四号”卫星产品，国家气候中心攻关团队开发了亚洲季风系统中关键变量的试验性监测应用业务产品，包括印度洋至太平洋西部海表温度、欧亚地区各层水汽输送及射出长波辐射（OLR）气候业务监测产品等，建立了上述三类产品在亚洲季风监测中的试验性业务。“亚洲季风系统对我国和亚洲地区各国气候有重要影响，这一应用产品是‘风云四号’卫星资料在气候领域应用的核心。”聂肃平表示。

　　据悉，国家气候中心于上世纪九十年代建立了亚洲季风监测业务系统，但业务主要依赖于国外卫星或再分析资料。开发基于“风云四号”卫星资料的亚洲季风监测业务产品，对于提高国家级气候业务中我国自主资料的应用能力有重要意义。为开展南海季风爆发业务监测服务，国家气候中心基于“风云四号”卫星资料开发的孟加拉湾季风监测产品，弥补了该地区原有海表浮标观测数据少的不足。聂肃平解释道：“孟加拉湾季风爆发是南海季风爆发的前兆信号，可以为南海季风爆发的监测预测提供有益的指示。”

　　卫星观测资料在气候模式中的定量应用是提升模式预测准确性的关键。通过核心技术攻关，国家气候中心已基本解决“风云四号”卫星陆表温度产品在气候预测业务模式陆面分量模式中同化应用的关键技术问题。“我们发现，同化陆表温度产品对模式陆表温度的模拟有正贡献，同化后能为气候预测模式提供更准确的陆面下垫面条件。”聂肃平说。

　　在聂肃平看来，“风云四号”卫星资料还为推进我国现有气候业务中全球尺度积雪监测的自主化提供了核心数据支撑。“在此之前，我国的全球尺度积雪监测业务主要依赖于美国的监测产品，核心产品的自主程度较低。”而现在，结合我国全球积雪监测的气候业务应用需求，国家气候中心基于“风云四号”和“风云三号”卫星产品，结合地面台站观测数据，开发了欧亚区域多源数据融合的积雪覆盖试验性气候应用产品，与国际先进的IMS积雪产品一致性明显提高。“这是研制具有自主知识产权的全球尺度积雪覆盖产品的第一步。”聂肃平说。

　　为使卫星产品更好地为气候业务人员提供高效的服务，国家气候中心还开展了基于“风云四号”产品的监控和共享展示平台建设。该平台可以方便业务人员对卫星产品数据进行预处理和分类存储，并提供便捷的接口实时调取卫星产品，同时还能实现对实时接收的卫星产品、生成气候应用业务产品的到位情况进行监控和反馈，确保未来基于“风云四号”卫星资料的气候业务的自动化和实时化运行管理。

　　“双高”分辨率数据大显身手

　　中国气象报记者 王玫珏

　　提起“风云四号”A星资料在数值预报上的应用，中国气象局数值预报中心模式研发室副主任、“风云四号”卫星数值预报应用攻关团队首席专家韩威用“恰逢其时”“鼓舞人心”两个词语来形容。

　　数值预报中心与国家卫星气象中心等单位密切配合，将“风云四号”A 星率先在我国自主发展的 GRAPES 数值天气预报系统进行了评估和试验，初步结果十分喜人。

　　“好马要配好鞍。”韩威说，“GRAPES全球四维变分同化系统的发展让‘风云四号’A 星的高时空、高光谱分辨率数据大显身手，两者‘相遇’恰逢其时。”卫星搭载的是世界首个静止轨道干涉式红外探测仪，有 1600 多个探测通道，就像CT切片一样，把大气在垂直方向上切层，获得精细数据。垂直探测仪实现对我国及周边地区每小时一次大气温湿分布的垂直探测，弥补现有地面探空站点稀少、时间频次有限的不足，提高了数值天气预报精度。

　　红外干涉式探测资料的评估和初步同化是一项富有挑战性的工作，可以说是应用攻关中的重点、难点。团队不断攻坚克难，完成了观测算子、通道选择、偏差订正和云检测等算法；在GRAPES中建立了红外干涉式探测仪资料的同化模块，初步具备了直接同化能力。

　　“风云四号”A星闪电成像仪的主要作用是对闪电进行观测，获取观测覆盖区范围内的闪电分布图。该仪器可对我国及周边区域的闪电频次和强度进行探测。将闪电的实时、连续观测数据与云图叠加起来，就能实现对强对流天气的监测与跟踪。通过个例分析，数值预报攻关团队发现，同化闪电仪观测数据后，局地降水预报能力增强，在一定程度上减少了降水漏报问题。

　　“风云四号”A星智能观测模式试验是卫星资料同化应用中的一次“尝鲜”，实现了数值预报与观测系统的互动。

　　“比如，红外探测在有云区域探测能力较弱，在晴空区域较强。通过GRAPES全球业务数值预报可得出未来24小时‘风云四号’观测区域的云和晴空状况，为卫星观测制定任务规划。该方法兼顾了全圆盘晴空区域探测和区域天气预报预警需求，同时充分施展了‘风云四号’灵活机动的探测本领，发挥其高时间分辨率大气垂直探测的核心优势。”韩威介绍，这样一种卫星观测与用户的互动，在国际上也是鲜有的。

　　此外，作为应用方，数值预报中心通过加强与卫星相关研制单位的协作，在攻关中为“风云四号”后续卫星的设计也提出了具体需求。

　　目前，“风云四号”A 星资料初步同化已经实现，建立了一系列技术流程。“这些进展离不开团队与各方‘面对面、手拉手’的合作。下一步，为了让卫星资料投入数值预报业务使用，还需要大批量的试验，在实例中研究每个仪器、每份资料中的贡献，论证实际业务应用的可行性。”韩威说。

　　沙尘、火点与蓝藻皆可“捕获”

　　中国气象报记者 宛霞

　　通过连续观测，可以看到霾的整个形成过程；对于火点监测更及时，使火险的短时预警成为可能；根据太湖蓝藻的日变化与日照、风向的关系，实时监测蓝藻变化……说到“风云四号”在生态环境监测方面的应用，该卫星应用攻关团队——生态环境团队首席专家方翔如数家珍。

　　已有观测数据显示，以“风云四号”A星为代表的新一代静止气象卫星的生态环境监测能力明显提升，可实现对快速变化的生态环境目标的早期探测，对环境灾害事件的全过程连续监测。

　　在大气环境监测方面，“风云四号”A星拓展了霾监测业务，生态环境团队开展了多项图像制作及定量化监测产品开发工作。目前，产品已实现业务化，生成的材料被纳入秋冬季霾监测报告。同时，通过连续监测，很好地区分了霾和雾。“我们还做了扩展性应用，可进一步实现PM2.5的动态监测，获取大范围PM2.5区域分布信息。”

　　“风云四号”A星对沙尘的识别精度有很大提升，生态环境团队研发了新的沙尘指数产品，在沙尘监测业务方面发挥了积极作用。据方翔介绍，中国气象科学研究院在沙尘预报模式中加入沙尘指数产品，反馈的结果是：在一次明显沙尘过程中，没有加入该沙尘指数产品时，我国东北、华北东部地区一些植被比较好的地方在暗背景下的沙尘预报并不准确，而加入沙尘指数产品后，对于这些地方的沙尘预报准确率明显提高。

“风云四号”A星可实现对空气质量、森林火险等的实时监测。

　　值得一提的是，在地表监测方面，“风云四号”A星的火点监测效益显著。“它对火点的监测可达到小于两公里的分辨率。我们利用其可见光通道可测出烟尘，根据烟尘的连续观测走向，递推出风向风速。同时，我们的综合判断不仅依靠烟尘和火点，还结合生态地表参数，把林木的信息加进去，包括可燃物的性质、覆盖的成分等都可以作为火点预判的条件。”据方翔介绍，基于“风云四号”A星产品监测火点的优势，山东、广东等省电力部门纷纷与气象部门签署协议，加强火点监测合作。

　　在水体环境监测方面，“风云四号”A星对湖泊藻类的监测效果明显。今年4月，太湖流域有一次严重的蓝藻扩散过程，通过极轨卫星不能及时获取监测信息，但通过“风云四号”A星的连续监测，气象科技人员对蓝藻面积做出准确评估，监测效果明显。此外，“风云四号”A星还对海雾、融雪型洪水、地表高温以及在全球变暖背景下喜马拉雅山南麓积雪变化等方面进行监测，发挥了积极作用。

　　方翔说，“风云四号”A星在生态领域应用的潜力和价值非常大，通过生态环境团队的攻关，目前其产品已逐渐业务化，并在业务服务中发挥了很大作用。“人们对生态环境的关注度越来越高，生态遥感将不局限于某一颗卫星，需要极轨卫星、静止卫星、高分卫星等多元卫星配合使用，共同做好生态环境监测。”

　　让专业气象服务更专业

　　中国气象报记者 王敬涛

　　2017年2月27日，在“风云四号”产品数据尚未业务化之际，中央电视台《新闻联播天气预报》运用了由国家卫星气象中心提供的“风云四号”14通道高时空分辨率红外图像、由中国气象局公共气象服务中心（以下简称公服中心）加工制作的GIF动态云图，充分展示了“风云四号”云图云系结构和地物特征层次丰富、纹理清晰的优势。

　　2017年6月23日，为应对华北和华南降雨，“风云四号”开始持续20小时、每两分钟一次的加密观测。这是“风云四号”第一次开展紧急天气服务，公服中心积极应用并加强业务推广工作，并在6月24日中央电视台《新闻联播天气预报》中应用。

　　2017年伊始，在中国气象局的统一组织下，公服中心牵头，国家卫星气象中心和部分省气象局参与，率先开展“风云四号”产品数据在专业气象服务和公众气象服务领域的试应用，计划研究建立新一代“风云四号”气象卫星产品在太阳能资源监测和短时临近预报、高速公路路面温度监测、森林草原火险监测和预报、航空领域气象服务、电网雷击灾害监测和预警等五个专业方向应用的技术方法，并初步建立业务系统。

“风云四号”卫星产品在专业气象服务中的应用领域。

　　“‘风云四号’产品数据在专业气象服务应用中的主要优势有三项：空间分辨率高，可以有效弥补地面专业观测的不足；时间分辨率高，达到15分钟，能够支撑专业气象服务实况监测和短时临近预测的业务需求；产品要素丰富，可以满足不同领域专业气象服务的需求。”中国气象局风能太阳能资源中心副主任、“风云四号”科研试验卫星专业气象服务应用示范系统首席专家申彦波告诉记者。

　　作为当今最先进的气象卫星，“风云四号”在“实习期”内便已经在专业气象服务领域崭露头角。2017年5月18日，华北地区遭遇了一次高温天气过程。研究团队使用天津域内津蓟高速上交通气象观测站点路面温度与气温观测值，对应卫星像元内地表温度之间的统计回归关系，建立订正模型，并应用该模型对京津及周边地区公路沿线卫星遥感地表温度进行订正，获取到公路路网上连续分布的地表温度。

　　“这对于交通管理部门应对高温天气采取相应的应急对策更具指导意义。”申彦波介绍，“经过经验订正后的地表温度值比订正前有明显的提高。对于有交通气象观测的路段，路面温度实况值与卫星地表温度产品订正后的等级基本一致。”另外，使用卫星资料订正分析得到的公路路面温度实况分析产品还能够较好地反映出局地高/低温路段分析的细节特征，如京沪高速河北-天津交界处的高温路段、天津境内津蓟高速中部的低温路段，以及河北境内廊涿高速的低温路段。

　　除了应用在交通气象服务领域之外，研究团队还选择了9个有代表性的电站，开展光伏阵列可利用太阳能资源的监测及短临预报试验；将“风云四号”闪电数据融合到STMAS模式中，研发了雷达反射率因子算法这一核心技术；“风云四号”部分原始数据加工的图形产品在国家突发事件预警信息发布业务中起到了辅助决策作用；利用具有云系结构和地物特征层次丰富、纹理清晰优势的“风云四号”云图，开展了面向全媒体气象服务卫星产品可视化科普应用研究等。

　　“未来，我们将基于‘风云四号’产品数据，完善太阳能资源监测和短时临近预报、高速公路路面温度监测、森林草原火险监测和预报、航空领域气象服务、电网雷击灾害监测和预警等五个专业方向应用技术，并将其业务化，让‘风云四号’发挥更大的价值。”申彦波说。

　　向更科学追云播雨近一步

　　中国气象报记者 崔国辉

　　1958年，我国人工影响天气业务起步。当时在飞机上看不到卫星实时资料，只能在登机之前于地面暗房中将一张张接收到的卫星照片洗出来，判断增雨条件、制定飞机增雨计划。然而，大气运动瞬息万变，年轻时多次被困在危险云团中的经历让现在的“风云四号”卫星人影团队首席专家周毓荃认识到，只有更好地了解云，才能更科学有效、更安全地“追云播雨”。

　　人影作业是通过向云中播撒催化剂，改变云的微物理结构，提高云水-降水的转化效率，其难点就在于对云的认识和作业条件的把握。“对三维云场和云水场的特性及演变规律的了解是人影的关键，现代人影业务需要对云的宏观结构和微观特性进行时空连续监测，而卫星是大范围获取以上数据的最主要手段。”周毓荃表示。

　　2004年，我国国家级人影业务起步，基于“风云二号”卫星资料开发的云特性参数监测产品便是人影业务迈出的第一步。随着一颗颗“风云”系列卫星的升空，云特性参数产品也一直“与时俱进”，不断升级。

　　如今，随着“风云四号”卫星及地面应用系统正式投入业务运行，“风云四号”卫星人影应用示范项目也已全面启动，一些开发和应用工作开始为人影业务注入新的活力。

“风云四号”宏微观云特征参数和人影云分类系列产品。

　　项目团队融合“风云四号”卫星资料、业务实时L波段探空资料以及地面观测资料开发了人影业务人员最为关心的云底高度、过冷层厚度、暖区厚度及云体厚度等参量产品。为满足人影对云微观物理特征参数反演的精度需求，团队还开发了冰云、过冷水等相态识别的人影微观云物理特征参数反演算法。

　　基于“风云四号”卫星观测资料和云宏微观反演产品，项目团队开发了人影作业目标云分类和识别算法，可以针对人影作业需求及作业条件等目标进行云分类。“该技术紧扣人影业务实际需求，除混合云和暖云外，另有对积状云和冰雹云的识别；不仅停留在对云顶类型的识别，更注重垂直方向上云降水物理过程的分析。”周毓荃介绍。

　　目前，在云降水精细处理分析系统（CPAS）的基础上，应用“风云四号”卫星资料的CPAS-FY4系统已完成初步开发，相关云产品已对接CIMISS系统并面向全国发布。据悉，该系统可显示的云产品包括降水预估、云类型、水汽总量、云相态、云顶高度和温度、云光学厚度、云粒子有效半径、液水路径、冰水路径等。经过不同卫星之间的云产品检验、飞机直接观测和卫星云反演产品比对检验、空地结合的云宏微观结构检验，这些云产品的质量已经相当高。比如，在进行飞机观测云参数与卫星云参数检验处理时，系统可实现每5分钟提取一个时刻的飞机经纬度，将之与最近时间最近距离的卫星像素点进行匹配。

　　目前，这些云产品也已应用于云模式预报产品检验、人影作业条件监测分析和作业设计、人影作业效果分析等人影业务的各个方面。

　　未来，项目团队将继续以高时空分辨率、多光谱的“风云四号”卫星资料为主要信息源，融合全国业务布网的实时探空、雷达、地面观测以及飞机探测资料，建立满足人影业务需求的“风云四号”卫星云结构特征和云降水物理过程的反演技术方法与业务产品；升级开发具有“风云四号”卫星反演计算、集成显示和分析功能的云降水精细处理分析系统；在典型区域开展云特性产品飞机和地面联合云物理观测检验，完成“风云四号”卫星云特性产品的评估分析报告；针对我国典型云系，开展“风云四号”卫星在人影业务中的应用探索和示范。

　　获取卫星云图，如同翻看相册一样方便

　　中国气象报记者 刘钊

　　总量数百TB，日增近千GB，如何调用如此海量的卫星观测数据？漫长的传输过程、复杂的数据管理、巨大的空间占用？对此，“风云四号”卫星数据服务系统的回答是：通通不需要——在国家级业务单位，用户只需在电脑上点开名为“FY4A”的文件夹，即可直达数据，获取最新的卫星云图，就如同找到自己刚拍的照片一样简单。

　　这套系统又被称为CIMISS卫星数据资源池，当“风云四号”观测数据所得的巨量数据经前期处理后，5分钟内便会汇入这个资源池中，通过网络直接连接到用户，供其随时查看调用。从用户的角度看，他们的电脑或业务系统里只是多了一个存有卫星数据的1.4PB大小的文件夹，点开之后，云图、闪电、地表温度、海面温度、陆地气溶胶等数十种数据便尽在掌握之中。

“风云四号”A星数据获取和共享服务体系。

　　“风云四号”卫星应用支撑团队首席专家徐喆告诉记者，目前，国家级气象业务单位均可享受到近似本地数据的卫星数据资源池服务。“与过去相比，就如同从靠火车头带动的绿皮车，升级到每节车厢都有动力的动车组。”徐喆说，过去，用户调用卫星数据需要先传输到本地，并消耗大量的资源用于本地存储。而采用分布式存储技术的卫星数据资源池省去了这两步操作，具有多节点支持，高可用性、高并发性，存储服务一体化的优点，让海量的数据得以即时抵达用户桌面。

　　自2017年2月15日“风云四号”卫星数据资源池开通以来，迄今共发布数据79类，数据量达370TB，日增数据量760GB。用户累计访问量1798万次，访问数据总量161TB。动力升级后，资源池已经实现了对业务用户的“提速”。

　　针对省级气象部门、国内行业用户、国内外科研用户以及“一带一路”区域、亚太区域国际用户，由于网络带宽限制，目前还无法做到像国家级业务单位一样实现虚拟本地存储。但根据用户的不同需求，如行业用户、科研用户和公众用户可以通过直收站、CMACast转发、CIMISS地面专网、Internet网站等方式获取卫星数据。各类获取途径也正在不断进行技术优化，Internet网站为用户提供了精细化检索功能，还可以用“点菜”——数据定制的模式获取数据。“风云四号”卫星成像仪数据分辨率高、数据量大，一并下载费时费力。利用数据定制功能，用户可在系统内指定时间、空间范围进行数据集抽取和切分，只保留用户需要的数据，节省数据传输量，这样就大大提高了用户获取数据的效率。

　　（来源：《中国气象报》2018年5月8日二版 责任编辑：张林）