“風四郎”如何讓天氣預(yù)報更準確

姜園園+陳軼夫+陳勵

“風云四號”全身有多項新裝備，不僅看得更清，反應(yīng)更快，能對大氣做“切片”，“抓”閃電，還能提供不同的觀測模式

2016年12月26日，成功定點10天后，中國新一代靜止氣象衛(wèi)星“風云四號”A星狀態(tài)良好，將開展為期一年的在軌測試和試驗。

“風云四號”A星是中國首顆靜止軌道上三軸穩(wěn)定的定量遙感衛(wèi)星，代表著當今氣象衛(wèi)星最先進水平，在多方面實現(xiàn)了重大技術(shù)突破。其成功發(fā)射，也拉開了中國靜止軌道氣象衛(wèi)星升級換代的序幕。

這顆被稱為“風四郎”的最牛氣象衛(wèi)星，將為中國乃至全球氣象、氣候觀測帶來哪些變化？

看得更清，反應(yīng)更快

“風四郎”上天后，有網(wǎng)友問道：“風云二號”分辨率1.25公里，“風云四號”500米，可是谷歌地圖分辨率都達到1米了，我們是不是落后500年？

這個問題的答案，涉及氣象衛(wèi)星和其他衛(wèi)星的不同：氣象衛(wèi)星最“關(guān)心”的拍攝對象并非地表的建筑物，而是高空中無時無刻不處在運動狀態(tài)的大氣。因此，二者不可如此類比。

與中國第一代靜止氣象衛(wèi)星“風云二號”的1.25公里相比，“風云四號”的500米可見光最高分辨率有了6倍的提高;紅外通道的分辨率也從“風云二號”的5公里提高到了2公里和4公里。

這位讓“風云四號”擁有更佳視力的功臣是“風云四號”四大載荷之一—先進的靜止軌道輻射成像儀，它也是迄今為止中國靜止軌道最先進的成像儀。

從通道數(shù)來看，先進的靜止軌道輻射成像儀在“風云二號”5個通道的基礎(chǔ)上，增加到14個通道，包括可見光、近紅外和紅外通道等。

除了能看得更清楚以外，“風云四號”的反應(yīng)也更敏捷，這與“風云四號”的三軸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

“‘風云二號采取的是類似陀螺旋轉(zhuǎn)的自旋穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，技術(shù)難度相對較小，但缺點顯而易見：在自轉(zhuǎn)過程中，從35800公里外觀測地球，只有一小部分時間可以掃描地球，其他大部分時間都在掃描太空?！眹倚l(wèi)星氣象中心副主任魏彩英告訴《瞭望東方周刊》。

而相較于自旋穩(wěn)定，三軸穩(wěn)定就像把相機放在三角架上，可以24小時“凝視”地球。結(jié)果是，完成1幅圓盤圖觀測，時間可由“風云二號”所需的30分鐘縮短至15分鐘。此外，“風云四號”還可以靈活地對想要觀測的區(qū)域進行高頻次連拍，針對東西、南北各一千公里區(qū)域的觀測時間僅需要1分鐘。

做“切片”，“抓”閃電

當大氣垂直運動變化劇烈時，就會生成讓人談之色變的強對流天氣。摸清大氣垂直運動的“脈搏”，就能及時預(yù)報強對流天氣的發(fā)生、發(fā)展。

在大氣垂直探測儀器裝載于氣象衛(wèi)星之前，有一個設(shè)備可以幫助天氣預(yù)報人員獲得大氣溫度、濕度的垂直分布情況，那就是全國一百多個探空站每天上下午定時施放的探空氣球。

“但探空氣球存在地域局限性?！敝袊こ淘涸菏吭S健民告訴《瞭望東方周刊》，在沒有人的偏遠陸地和海洋就無法通過施放探空氣球來獲取探空資料。有了衛(wèi)星垂直探測技術(shù)以后，為在世界任何地方收集大氣垂直資料提供了可能性。

“風云四號”搭載的是世界首個靜止軌道干涉式紅外探測儀。這個探測儀有1600多個探測通道，就像CT切片一樣，把晴空大氣在垂直方向上切層，獲得大氣垂直方向上的精細數(shù)據(jù)。重要的是，“風云四號”與地球保持相對靜止，1個小時就能完成一次對中國及周邊區(qū)域大氣的垂直探測，相較于極軌衛(wèi)星多星組網(wǎng)探測頻次和探空站的12小時一次，在時間分辨率方面強勢勝出;同時，靜止軌道干涉式紅外探測儀的空間分辨率是16公里，大大優(yōu)于探空站200公里的平均間隔。

強對流天氣往往都伴隨著強烈而密集的閃電，因而閃電監(jiān)測也被人們稱作是強對流天氣的“示蹤器”。

鑒于閃電對強對流天氣獨特的指示作用，以及靜止衛(wèi)星觀測平臺突出的時空覆蓋優(yōu)勢，近年來，發(fā)展地球靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀，以實現(xiàn)對閃電和強對流天氣的實時、連續(xù)觀測成為國際上閃電探測的一個重要發(fā)展課題。

然而，“抓”閃電卻絕不簡單?！帮L云四號”A星地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師張志清告訴《瞭望東方周刊》，一般來說，閃電持續(xù)時間很短，比人類眨眼的速度還快。“風云四號”儀器團隊中“抓閃電”的高手就是靜止軌道閃電成像儀，這也是中國首次在衛(wèi)星上安裝這一儀器。

“風云四號”上還搭載了空間天氣儀器包，能夠?qū)Φ厍蛲杰壍赖膸щ娏Ｗ虞椛浜痛艌霏h(huán)境進行實時監(jiān)測。

值得一提的是，“風云四號”首次使用了全新研制的SAST5000平臺，將成像輻射計、干涉式大氣垂直探測儀、閃電成像儀和空間環(huán)境監(jiān)測儀器包安裝在一個衛(wèi)星平臺上，在世界上首次實現(xiàn)對大氣的多手段綜合觀測。

如果與各國下一代靜止氣象衛(wèi)星的縱向比較，“風云四號”與GOES-R、MTG、Himawari-8/9等衛(wèi)星在技術(shù)難度和復(fù)雜度方面處于同一水平線上的衛(wèi)星系列，是中國實現(xiàn)靜止軌道氣象衛(wèi)星跨越式發(fā)展的重要標志。

中國氣象衛(wèi)星家族

“風四郎”是中國的氣象衛(wèi)星體系的最新一員。這個大家庭由靜止氣象衛(wèi)星和極軌氣象衛(wèi)星組成。

“風云四號”衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計師郭強介紹，雖然都是氣象衛(wèi)星，但極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星有其各自獨特的作用，對于天氣氣候預(yù)測預(yù)報和研究來說，這兩種衛(wèi)星缺一不可。

靜止氣象衛(wèi)星軌道高度高，一顆衛(wèi)星即能覆蓋地球的三分之一區(qū)域，并能夠時時刻刻對所負責區(qū)域進行高頻次不間斷的觀測，對于尺度較大的天氣過程來說，靜止氣象衛(wèi)星可隨時獲取觀測區(qū)域內(nèi)的各類天氣過程數(shù)據(jù)。

極軌氣象衛(wèi)星軌道和太陽保持同步，所以地球上每一個地方被同一顆極軌氣象衛(wèi)星觀測到的本地時間都是一樣的。極軌氣象衛(wèi)星的這一特點使衛(wèi)星遙感探測資料具有長期可比性，能夠給氣候和生態(tài)研究提供地球同緯度同一本地時間的重要數(shù)據(jù)。

隨著全球氣候變暖，南北極氣候變化日益牽動著研究者的心。由于位于赤道同步軌道的靜止氣象衛(wèi)星對極地高緯度地區(qū)沒有觀測能力，因此中國氣象衛(wèi)星極地和高緯度觀測的任務(wù)也主要由穿越極地的極軌氣象衛(wèi)星承擔。

當前，中國靜止氣象衛(wèi)星“風云二號”D/E/F/G四星和極軌氣象衛(wèi)星“風云三號”A/B/C三星在軌?！帮L云二號”衛(wèi)星可以提供最高每25分鐘一次全地球圓盤觀測、每6分鐘一次區(qū)域觀測資料;“風云三號”衛(wèi)星可每天對地球同一區(qū)域完成4次三維立體觀測。

目前，“風云”衛(wèi)星數(shù)據(jù)全球開放，實時共享。

截至2016年7月，中國國家衛(wèi)星氣象中心在全球擁有超過2400家數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)用戶，超過500個中規(guī)模靜止氣象衛(wèi)星用戶利用站，超過3000家數(shù)據(jù)用戶終端;18個亞太國家和地區(qū)正實時共享“風云”衛(wèi)星數(shù)據(jù);全球90多個國家和地區(qū)使用“風云”衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星資料正為中國的暴雨、洪澇、沙塵暴等災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)報提供可靠依據(jù)。以臺風為例，2015年中國臺風24小時路徑預(yù)報誤差首次低于70公里，24小時至120小時各時效預(yù)報準確率均高于日本和美國，達到世界領(lǐng)先水平。

國家衛(wèi)星氣象中心主任楊軍表示，“風云”衛(wèi)星以其先進的技術(shù)水平、運行的可靠性和較高的穩(wěn)定性，已成為全球?qū)Φ赜^測網(wǎng)中名副其實的主力軍。

“天氣預(yù)報將更及時準確”

“隨著更為先進的‘風云四號氣象衛(wèi)星的投入使用，我們的天氣預(yù)報將更加準確及時?！倍辔粴庀箢I(lǐng)域?qū)＜覍Α帮L云四號”表示了期待。

中國氣象局數(shù)值預(yù)報中心副主任龔建東介紹，在天氣預(yù)報中，一方面預(yù)報員會依賴對以往天氣過程進行總結(jié)和對天氣發(fā)展演變經(jīng)驗進行提煉;另一方面，預(yù)報員會在數(shù)值天氣預(yù)報的基礎(chǔ)上，根據(jù)預(yù)報經(jīng)驗“做加法”。

“數(shù)值天氣預(yù)報是一個初值問題?！饼徑|解釋，即給定一個初始時刻的大氣三維狀態(tài)，利用已知的大氣運動方程，建立數(shù)值模式，對未來進行預(yù)測。初始時刻觀測的信息越豐富、越完備，初值越準確，對后來的預(yù)報準確率提高所起到的作用就越大。

“從全球范圍來看，有相當大的區(qū)域，是人類不適合長期值守的，比如海洋、沙漠、高原、極區(qū)。對于這部分地區(qū)，就需要大量的衛(wèi)星遙測信息來提供更有效的信息。”龔建東說。

從觀測要素的豐富性角度來講，常規(guī)觀測要素主要涉及大氣的風、溫、壓、濕，而衛(wèi)星可以幫忙補充大氣里的云、氣溶膠、陸表等信息，可以提供更加綜合的觀測信息。

因此，國際上的全球模式里，衛(wèi)星觀測占資料總量的比例達到90%。

但相比于全球模式，區(qū)域模式對資料獲取的時效性要求更高?！耙驗橘Y料只有在比較短的時間內(nèi)到達，才能發(fā)揮作用?！饼徑|說。

而“風云四號”的成功發(fā)射，讓龔建東對氣象衛(wèi)星資料在區(qū)域模式中的深入應(yīng)用抱有很大的期待。

以中小尺度天氣系統(tǒng)為例，它們雖然“個頭小”，但其破壞力大，是災(zāi)害的重要來源。

2016年江蘇鹽城出現(xiàn)的龍卷風就是典型的小尺度天氣系統(tǒng)。這些天氣過程系統(tǒng)的生命周期很短，從半小時到一兩個小時，長的到10個小時，快速生成、快速消亡。對此類天氣現(xiàn)象的模式預(yù)報，目前雷達發(fā)揮了很大作用。

但在龔建東看來，新一代靜止衛(wèi)星也能提供高時間頻次的觀測，能夠快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)演變過程。比如“風云四號”提供了一種特殊的觀測模式——區(qū)域觀測模式?！叭绻走_結(jié)合起來，就能獲得更加完整的系統(tǒng)圖像?！?/p>

另外，“風云四號”搭載了更先進的儀器，可以提供豐富的大氣垂直探測與云信息，將改善初始時刻三維結(jié)構(gòu)分析，進而改善預(yù)報。

未來，氣候變暖，極端天氣和氣候事件將會更多;經(jīng)濟社會發(fā)展、政府決策和人民群眾生產(chǎn)生活對預(yù)報準確率的需求更高;城鎮(zhèn)化進程加快，氣象對民生的影響和作用更大;資源約束加劇，農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境、海洋等領(lǐng)域?qū)庀蠓?wù)的要求更高。

面對這些新需求，風云衛(wèi)星的下一個20年有著怎樣的藍圖？

“為滿足觀測需求，我們需要突破傳統(tǒng)的靜止和極軌衛(wèi)星體系，建成一套多衛(wèi)星、多軌道融合的觀測體系?！睏钴娬f。

航天科技集團公司八院院長助理張春明認為，未來“風云”氣象衛(wèi)星應(yīng)采用綜合星與專用星座的組網(wǎng)體系。其中，高軌衛(wèi)星側(cè)重于低緯度高頻次數(shù)據(jù)的觀測，實現(xiàn)連續(xù)、全天候、三維云雨15分鐘高頻次觀測;低軌衛(wèi)星側(cè)重于高緯度高頻次數(shù)據(jù)的觀測，具備災(zāi)害天氣快速響應(yīng)能力，全面實現(xiàn)降水、風場、云、大氣成分等精細化探測能力。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)研發(fā)中軌道氣象試驗衛(wèi)星，對高、低軌衛(wèi)星上成熟的氣象載荷進行中軌探測試驗。

中科院重大任務(wù)局上海分院書記王建宇表示，微小衛(wèi)星星座，也應(yīng)成為極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星的有效補充，提供“高實時”和“全覆蓋”的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。