風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺及其應(yīng)用

文 | 咸迪 方翔 賈煦 迎春

1.國家衛(wèi)星氣象中心 2.內(nèi)蒙古錫林郭勒盟氣象局

一、引言

風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星是我國第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星，第一顆風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星——風(fēng)云四號A星（FY-4A）于2016年12月11日成功發(fā)射，其主要目標(biāo)是替換我國第一代靜止軌道氣象衛(wèi)星，在觀測能力和指標(biāo)上大大超越前一代靜止軌道氣象衛(wèi)星，同時確保我國能夠在靜止軌道上保持穩(wěn)定、高效、連續(xù)的天氣觀測。風(fēng)云四號A星配備的多通道掃描成像輻射計（AGRI），可每15分鐘對東半球掃描一次，最快可以每1分鐘生成一次區(qū)域觀測圖像。其通道數(shù)量為14個，最高空間分辨率達(dá)到500m，近紅外波段和紅外波段的分辨率為1000m、2000m和4000m。目前為了保證中國及周邊區(qū)域天氣預(yù)報的及時性，采用每日40次全圓盤觀測和165次中國及周邊區(qū)域觀測的模式，確保除全圓盤觀測之外，可以獲取5分鐘間隔的中國及周邊區(qū)域的衛(wèi)星觀測。從表1可以看出，風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計在天氣監(jiān)測方面較風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星能力有大幅提升。

2017年5月17日，世界氣象組織執(zhí)行理事會第69次屆會認(rèn)定中國氣象局為世界氣象中心之一，是目前設(shè)在發(fā)展中國家的唯一的世界氣象中心。我國的氣象衛(wèi)星成為世界氣象中心（北京）的重要支撐，為了發(fā)揮氣象衛(wèi)星在全球天氣監(jiān)測和預(yù)報的作用，風(fēng)云四號科學(xué)試驗氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計之初就確定在應(yīng)用與示范系統(tǒng)中新建一個面向天氣業(yè)務(wù)的遙感應(yīng)用平臺，利用風(fēng)云四號A星豐富的觀測信息，實現(xiàn)多種資料在天氣分析、環(huán)境監(jiān)測、氣候監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用，為國家級、省地市以及國際氣象部門提供風(fēng)云四號A星產(chǎn)品的應(yīng)用工具。該平臺自2018年上半年開始建設(shè)，并于2019年汛期前正式上線試運行，在全國和部分“一帶一路”沿線國家已經(jīng)得到應(yīng)用。

表1 FY-2H可見光紅外自旋掃描輻射儀與FY-4A多通道掃描成像輻射計儀器性能對比

二、風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺設(shè)計

風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺（SWAP2.0）是主要面向各類衛(wèi)星遙感應(yīng)用用戶開發(fā)的一套應(yīng)用軟件，以風(fēng)云四號A星的數(shù)據(jù)為主，功能設(shè)計考慮各類用戶使用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的需求，采用“云+端”和開放共享的設(shè)計理念，將遙感應(yīng)用平臺建設(shè)成一個集多源異構(gòu)遙感數(shù)據(jù)處理、管理、遙感產(chǎn)品生成以及多種可視化手段為一體的“智慧遙感”平臺，同時兼具先進(jìn)的數(shù)據(jù)動態(tài)遷移、跨平臺應(yīng)用以及大數(shù)據(jù)應(yīng)用等先進(jìn)技術(shù)的遙感應(yīng)用平臺。

1.平臺用戶

1）國家級氣象用戶：包括國家氣象中心、國家氣候中心、國家氣象信息中心、公共服務(wù)中心以及其他中國氣象局直屬事業(yè)單位中的業(yè)務(wù)用戶，主要支持國家級氣象部門的遙感應(yīng)用；

2）省市縣級氣象用戶：包括各省、市、縣氣象部門，以及港、澳、臺的氣象部門；

3）決策部門用戶：包括國務(wù)院等決策部門；

4）行業(yè)用戶：包括水利、航空、航天、農(nóng)、林、牧、漁等行業(yè)，以及部分專線用戶；

5）公眾用戶：包括通過互聯(lián)網(wǎng)、APP、微信等途徑獲取遙感應(yīng)用服務(wù)的社會公眾、企事業(yè)單位、科研人員等；

6）國際用戶：包括“一帶一路”沿線國家在內(nèi)的來自世界各地的氣象部門、科研人員以及其他用戶。

2.平臺主要功能和特點

（1）以靜止衛(wèi)星為主，面向天氣應(yīng)用

該平臺以我國風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星為主要數(shù)據(jù)源，包括風(fēng)云四號A星和風(fēng)云二號H星（FY-2H）。通過建立衛(wèi)星概念模型，實現(xiàn)對日常典型大尺度天氣系統(tǒng)的綜合監(jiān)測和解譯，為日常天氣分析及短期天氣預(yù)報提供服務(wù)，幫助預(yù)報員提高對云系、云類的識別和云圖的整體認(rèn)識，提高新一代靜止氣象衛(wèi)星資料在天氣分析中的應(yīng)用水平。為用戶提供基于B/S、移動平臺、客戶端等多種客戶端的遙感應(yīng)用分析平臺，主要包括對流云團(tuán)、臺風(fēng)、霧霾、海霧、沙塵天氣、熱源點、藍(lán)藻、湖泊和海洋環(huán)境的監(jiān)測和跟蹤，同時可以實現(xiàn)基于多源衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的數(shù)據(jù)疊加（包括常規(guī)氣象數(shù)據(jù)、高空資料、雷達(dá)資料等）。

（2）實現(xiàn)插件化天氣應(yīng)用調(diào)度和管理

建立遙感應(yīng)用插件基礎(chǔ)平臺，設(shè)計遙感應(yīng)用算法和小程序的插件標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)已有各種遙感應(yīng)用算法的插件化，實現(xiàn)各類插件的自動化、流程化調(diào)度，實現(xiàn)遙感應(yīng)用插件的便捷配置，為專業(yè)用戶提供在線的遙感應(yīng)用插件的云開發(fā)平臺和插件集、算法集的交易平臺。

（3）采用“云+端”架構(gòu)，實現(xiàn)衛(wèi)星天氣交互應(yīng)用

利用公有云和私有云，構(gòu)建風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)品混合云架構(gòu)，支撐衛(wèi)星直收站、中國氣象局衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（CMACast）、網(wǎng)站下載等多源氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用，實現(xiàn)面向PC、平板電腦、移動終端、微信等多種客戶端的衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)品發(fā)布和交互應(yīng)用（圖1）。

圖1 風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺“云+端”架構(gòu)

（4）面向“一帶一路”用戶，實現(xiàn)多語言版本發(fā)布

為了實現(xiàn)風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星等靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品在衛(wèi)星覆蓋國家應(yīng)用，衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺設(shè)計時除了中文版之外，也設(shè)計了英文版和俄文版兩個主要外語版本。其中，俄語版主要考慮到上海合作組織相關(guān)國家氣象部門人員以俄語為主，同時風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星可以很好地覆蓋以上國家，并提供高時間頻率的區(qū)域觀測數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。

3.平臺主要版本

目前風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺（SWAP2.0）已經(jīng)實現(xiàn)了2個主要版本，即單機版和網(wǎng)絡(luò)版。

（1）單機版SWAP2.0

單機版風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺（圖2）主要面向已安裝衛(wèi)星直收站和CMACast數(shù)據(jù)接收站的用戶，以及配備氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源池的用戶，可以實現(xiàn)直收數(shù)據(jù)自動配置和處理，按照用戶需求定制化生成衛(wèi)星圖像。同時，單機版還提供了較強大的衛(wèi)星天氣分析功能，實現(xiàn)對日常典型中大尺度天氣系統(tǒng)的綜合監(jiān)測和解譯，提高新一代靜止氣象衛(wèi)星資料在天氣分析中的應(yīng)用水平。

（2）網(wǎng)絡(luò)版SWAP2.0

網(wǎng)絡(luò)版風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺（圖3）主要面向廣大科研用戶和公眾用戶，目前該平臺已經(jīng)通過國家衛(wèi)星氣象中心網(wǎng)站（http://rsapp.nsmc.org.cn/geofy）發(fā)布。高時效是該平臺的主要特點，風(fēng)云四號A星完成全圓盤觀測或者中國及周邊區(qū)域觀測后10分鐘之內(nèi)，用戶就可以在網(wǎng)站查看最新時次的影像。目前已經(jīng)發(fā)布的衛(wèi)星產(chǎn)品包括風(fēng)云四號A星14個通道的黑白云圖、十多種RGB合成圖，以及十多種衛(wèi)星產(chǎn)品。除了風(fēng)云四號A星的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，風(fēng)云二號H星的產(chǎn)品也通過該平臺進(jìn)行發(fā)布，可以覆蓋大多數(shù)“一帶一路”沿線國家。

三、風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺主要應(yīng)用

風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺主要應(yīng)用于天氣分析、環(huán)境監(jiān)測以及重大服務(wù)保障等領(lǐng)域。

1.天氣應(yīng)用

利用該平臺可以對臺風(fēng)、暴雨強對流、沙塵暴、大霧等天氣事件進(jìn)行實時監(jiān)測。針對臺風(fēng)監(jiān)測，該平臺可以從定強、定位、降水、大風(fēng)、環(huán)境場特征等方面實現(xiàn)全方位臺風(fēng)（熱帶氣旋）動態(tài)監(jiān)測，充分發(fā)揮新一代靜止氣象衛(wèi)星具有的高頻次、高空間分辨率和多光譜等優(yōu)勢，提高衛(wèi)星資料在臺風(fēng)業(yè)務(wù)的服務(wù)支撐水平和應(yīng)用能力。針對暴雨強對流等災(zāi)害天氣，該平臺可實現(xiàn)對中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和演變過程的監(jiān)測分析，并對中尺度對流系統(tǒng)的初生進(jìn)行預(yù)警，為短時臨近預(yù)報提供衛(wèi)星遙感監(jiān)測分析結(jié)果，利用過去的衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)可以反演生成未來3小時之內(nèi)的衛(wèi)星預(yù)報云圖，為天氣分析和臨近預(yù)報提供服務(wù)。

2.環(huán)境監(jiān)測

風(fēng)云四號A星多通道掃描成像輻射計的中波紅外通道對地表發(fā)生的火點等熱源點具有較強的敏感性，可以反演出地表的火點信息。該平臺利用風(fēng)云四號衛(wèi)星火點反演產(chǎn)品，可以實現(xiàn)對發(fā)生在森林、草原等地區(qū)的火點進(jìn)行高頻次觀測。根據(jù)目前衛(wèi)星的觀測模式，可以對中國及周邊區(qū)域的火點進(jìn)行5分鐘間隔的連續(xù)監(jiān)測。圖4為風(fēng)云四號A星監(jiān)測到2019年11月9日發(fā)生在澳大利亞東南部的森林大火分布及其煙霧擴(kuò)散情況。

圖2 單機版風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺界面

圖3 網(wǎng)絡(luò)版風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺界面

圖4 風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺監(jiān)測澳大利亞森林大火分布情況

四、結(jié)論與展望

風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺第一次采用“云+端”架構(gòu)，將高時效數(shù)據(jù)處理和可視化、氣象衛(wèi)星天氣分析以及臺風(fēng)綜合數(shù)據(jù)庫有機結(jié)合，形成了一個基于新一代靜止氣象衛(wèi)星的應(yīng)用平臺。

目前，該平臺已在國內(nèi)外推廣應(yīng)用。其中，我國的國家級氣象部門、省級氣象部門以及市縣級氣象部門根據(jù)自身數(shù)據(jù)接收和獲取條件分別安裝了單機版和網(wǎng)絡(luò)版SWAP2.0；國際用戶中部分安裝CMACast接收設(shè)備的國家氣象局已經(jīng)在業(yè)務(wù)平臺安裝了單機版SWAP2.0，其他相關(guān)國家通過中國氣象局組織的技術(shù)培訓(xùn)，已經(jīng)在業(yè)務(wù)中使用網(wǎng)絡(luò)版SWAP2.0，目前已經(jīng)有超過40個國家的用戶使用該平臺。

在風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)工程的建設(shè)中，風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺仍然作為主推的衛(wèi)星天氣應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺進(jìn)行不斷的完善和提升，尤其是加大基于公有云的衛(wèi)星應(yīng)用插件式應(yīng)用，使用戶有機會通過公有云平臺將自身業(yè)務(wù)與風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)有機結(jié)合，為用戶提供更加個性化、可定制的衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺，不斷擴(kuò)展風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域，提高風(fēng)云衛(wèi)星的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。