風(fēng)云氣象衛(wèi)星在汛期防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用

文 | 咸迪 任素玲 邵佳麗 張元元 張海真 單天蟬 高浩國家衛(wèi)星氣象中心

一、概述

近年來，氣候變化導(dǎo)致的氣象災(zāi)害給人類生命財產(chǎn)安全造成了巨大損失，防災(zāi)減災(zāi)已成為各國政府特別關(guān)注的一項重要任務(wù)。從我國主要自然災(zāi)害的變化趨勢來看，20世紀(jì)60年代以來我國極端強(qiáng)降水的時間逐年增多，僅2018年日降水量突破歷史極值的測站就達(dá)到68個，持續(xù)和超強(qiáng)的降水帶來的山洪、泥石流以及江河湖泊水位上漲等災(zāi)害造成巨大影響；20世紀(jì)90年代以來我國極端高溫事件增多，并呈現(xiàn)出明顯的年際變化特征，2018年突破歷史極值的測站達(dá)到57個；同時，影響我國的西北太平洋臺風(fēng)活動雖然呈現(xiàn)逐年減少，但登陸我國的臺風(fēng)比例呈增加趨勢，并且超強(qiáng)臺風(fēng)給沿海地區(qū)造成的經(jīng)濟(jì)損失也逐年上升，其中2019年“利奇馬”臺風(fēng)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)537.2億元。以上這些自然災(zāi)害主要發(fā)生在我國的伏汛期間，一般為每年5-10月，其中主汛期為6-9月。

我國風(fēng)云氣象衛(wèi)星經(jīng)過近50年的發(fā)展，已經(jīng)成功發(fā)射17顆衛(wèi)星，實現(xiàn)了地球靜止軌道和極地軌道兩個類型衛(wèi)星從試驗走向業(yè)務(wù)，從面向國內(nèi)服務(wù)走向國際服務(wù)，逐步實現(xiàn)了我國自主研制氣象衛(wèi)星對國際氣象衛(wèi)星的替換。我國風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于天氣、氣候、環(huán)境等近百個行業(yè)中。目前，我國風(fēng)云氣象衛(wèi)星共有7顆衛(wèi)星在軌，包括3顆極軌氣象衛(wèi)星（FY－3B、FY－3C和FY－3D)和4顆靜止軌道氣象衛(wèi)星（FY－2H、FY－2G、FY－4A和FY－2F)。極軌氣象衛(wèi)星每日可以實現(xiàn)對全球的中分辨率光學(xué)成像、微波探測以及多光譜探測，靜止軌道氣象衛(wèi)星每日可以實現(xiàn)對同一地點的高時間分辨率的觀測，其中FY－4A可實現(xiàn)對中國及周邊區(qū)域最高5分鐘頻次的觀測。由于風(fēng)云氣象衛(wèi)星的觀測特點，其衛(wèi)星數(shù)據(jù)、產(chǎn)品和應(yīng)用平臺在汛期天氣預(yù)報、熱帶氣旋、暴雨、洪澇以及應(yīng)急監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。

二、風(fēng)云氣象衛(wèi)星主要汛期服務(wù)及應(yīng)用

1.天氣預(yù)報

氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高時空分辨率、多光譜以及穩(wěn)定均勻等特性，能夠有效解決數(shù)值天氣預(yù)報所需的氣象觀測數(shù)據(jù)不足的問題。中國氣象局致力于將氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用于天氣預(yù)報，尤其是數(shù)值天氣預(yù)報中。風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)同化到中國氣象局GRAPES系統(tǒng)中，其中FY－4A水汽通道云導(dǎo)風(fēng)資料的同化可以改善強(qiáng)降水落區(qū)和強(qiáng)對流預(yù)報。此外，自20世紀(jì)90年代開始，歐洲氣象中心（ECMWF）在數(shù)值預(yù)報中逐步引入衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，到2018年其數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)中同化的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)包含30顆衛(wèi)星、超過90種數(shù)據(jù)和1000多種參數(shù)，其中就包括FY－3衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。目前，包括FY－3D、FY－4A在內(nèi)的多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)正在進(jìn)行試驗驗證，其中，同化后的FY－3D微波載荷在英國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報系統(tǒng)中起到正效應(yīng)，能夠降低0.1%的全球天氣預(yù)報誤差。

2.熱帶氣旋監(jiān)測

相比地面測站，氣象衛(wèi)星具有觀測范圍廣、頻率高等特點，尤其在熱帶氣旋的監(jiān)測上，氣象衛(wèi)星的優(yōu)勢尤其明顯。FY－4A成像儀的最高觀測頻率可以達(dá)到5分鐘，通過衛(wèi)星直收站、專線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)等途徑，向中央氣象臺等用戶提供高時效的服務(wù)。2019年8月，短短兩周時間內(nèi)連續(xù)4個熱帶氣旋在西北太平洋生成，其中9號臺風(fēng)“利奇馬”發(fā)展成為超強(qiáng)臺風(fēng)，給我國東部沿海地區(qū)造成了嚴(yán)重影響。圖1為“利奇馬”臺風(fēng)FY－4A真彩色合成圖，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用幫助中央氣象臺更快、更精確地定位熱帶氣旋的移動位置以及大風(fēng)圈的信息，同時也使熱帶氣旋預(yù)報的準(zhǔn)確性大幅度提升。

圖1 “利奇馬”臺風(fēng)FY-4A真彩色合成圖（2019年8月8日12:00）

FY－4A上所攜帶的干涉式大氣垂直探測儀（GIIRS）首次實現(xiàn)了在地球靜止軌道對大范圍大氣垂直溫度和濕度結(jié)構(gòu)的探測。自從首次接收該數(shù)據(jù)以來，中國氣象局對其處理軟件進(jìn)行了多次升級，不斷提高了數(shù)據(jù)光譜和輻射特性的精確性及時間穩(wěn)定度，其數(shù)據(jù)和溫濕度闊線產(chǎn)品已經(jīng)在GRAPES系統(tǒng)中同化并發(fā)揮正影響。在對熱帶氣旋的監(jiān)測過程中，風(fēng)云氣象衛(wèi)星觀測與數(shù)值預(yù)報緊密配合，結(jié)合熱帶氣旋的預(yù)報結(jié)果，指揮FY－4A GIIRS對特定區(qū)域進(jìn)行觀測，將獲取的15分鐘分辨率GIIRS區(qū)域加密觀測資料同化到GRAPES全球預(yù)報系統(tǒng)中，可進(jìn)一步改善對熱帶氣旋移動位置和強(qiáng)度的預(yù)報。

3.暴雨和強(qiáng)對流監(jiān)測

暴雨和強(qiáng)對流監(jiān)測是氣象衛(wèi)星的另一項主要應(yīng)用，利用氣象衛(wèi)星的高頻次、高時效觀測數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測局地發(fā)生的強(qiáng)對流和暴雨天氣。通過對云圖上亮度溫度和云的分析，可以掌握強(qiáng)對流發(fā)生和發(fā)展過程，同時對其造成的降水進(jìn)行預(yù)估。FY－4A上搭載的閃電成像儀（LMI）可以對閃電活動進(jìn)行實時連續(xù)觀測，每分鐘可以觀測500次，并生成每分鐘的閃電事件產(chǎn)品，對強(qiáng)對流的識別有很好的指示作用。利用FY－2云導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品可以對強(qiáng)對流周圍的輻合輻散進(jìn)行分析，綜合水汽云圖和紅外云圖對強(qiáng)降水進(jìn)行短臨預(yù)報。圖2是利用風(fēng)云氣象衛(wèi)星對2020年7月8日華南暴雨的監(jiān)測與分析結(jié)果，圖2（a）云圖中的黃色部分為強(qiáng)上升積雨云，說明這些地方對流強(qiáng)烈，與圖2（b）水汽云導(dǎo)風(fēng)散度圖中的兩個高值區(qū)相對應(yīng)。

圖2 華南暴雨監(jiān)測及分析（2020年7月8日）

風(fēng)云氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用處理系統(tǒng)不斷提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和生成能力。風(fēng)云四號衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺（SWAP2.0）可將衛(wèi)星產(chǎn)品的發(fā)布時效縮短到10分鐘之內(nèi)，實現(xiàn)對FY－2和FY－4衛(wèi)星圖像和產(chǎn)品的可視化分析。經(jīng)過不斷升級，該平臺目前已經(jīng)實現(xiàn)風(fēng)云氣象衛(wèi)星云圖和地面氣象雷達(dá)產(chǎn)品的疊加（圖3），通過天地一體化監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，幫助預(yù)報員更好地作出強(qiáng)對流分析和短臨天氣預(yù)報。

圖3 風(fēng)云四號衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺融合FY-4A云圖和雷達(dá)組合反射率

4.洪澇監(jiān)測

汛期強(qiáng)對流和暴雨天氣容易造成長江、淮河、鄱陽湖等河流和湖泊的洪澇。FY－3中分辨率成像儀（MERSI）最高空間分辨率為250m，F(xiàn)Y－3D MERSI有25個通道，其觀測幅寬、通道特性等較國外同等儀器具有一定優(yōu)勢，可在陸表水體的監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。利用歷史風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)對重點湖泊和江河的水體監(jiān)測數(shù)據(jù)集，與每日實時監(jiān)測到的水體產(chǎn)品進(jìn)行比較，可以得到洪澇水體增加的位置、面積以及動態(tài)變化等信息，為防汛指揮決策提供依據(jù)。同時，綜合衛(wèi)星遙感影像與地表農(nóng)作物分布信息，可以分析洪澇對我國主要農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)造成的影響，從而對農(nóng)作物估產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。目前，3顆FY－3衛(wèi)星在軌業(yè)務(wù)運行，每天可對全國各大江河湖泊進(jìn)行6次監(jiān)測。

2020年6月底以來，持續(xù)強(qiáng)降水導(dǎo)致長江中下游地區(qū)汛情嚴(yán)重，其中鄱陽湖多個水文站超過歷史極值，風(fēng)云氣象衛(wèi)星在鄱陽湖洪澇水體的監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。圖4（a）為2020年6月13日FY－3D監(jiān)測到的鄱陽湖水體，圖4（b）為2020年7月14日FY－3D監(jiān)測鄱陽湖水體，從兩幅圖像對比來看，鄱陽湖水體面積擴(kuò)大非常明顯；圖4（c）為鄱陽湖水體變化監(jiān)測圖，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，7月14日鄱陽湖及周邊水體面積為4403km2，為十年來最大。由于FY－3監(jiān)測水體主要依靠光學(xué)載荷，在有云覆蓋時無法對目標(biāo)水體進(jìn)行有效監(jiān)測，因此在遙感應(yīng)用業(yè)務(wù)中綜合利用多源衛(wèi)星非常重要，特別是利用高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測。

圖4 FY-3D鄱陽湖水情變化監(jiān)測圖

5.旱情監(jiān)測

圖5 FY-4A瀾滄江-湄公河流域旱情變化監(jiān)測圖

風(fēng)云氣象衛(wèi)星攜帶的光學(xué)和微波儀器，可以用來反演土壤濕度、植被指數(shù)、地表溫度、地表蒸散等一系列衛(wèi)星遙感產(chǎn)品，綜合利用衛(wèi)星遙感產(chǎn)品和地面監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，有利于及時發(fā)現(xiàn)旱情，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)部門科學(xué)抗旱。圖5是FY－4A于2020年4-5月對瀾滄江-湄公河流域旱情變化監(jiān)測圖。如圖5（a）所示，2020年4月該區(qū)域旱情較為嚴(yán)重，大部分區(qū)域存在中度以上旱情；如圖5（b）所示，5月大部分地區(qū)的旱情已經(jīng)有所緩解，但緬甸中部和南部、泰國東北部旱情持續(xù)發(fā)展；圖5（c）為地表相對蒸散差值圖，可以看出該區(qū)域大部分地區(qū)的地表相對蒸散值升高，表明近期該地區(qū)土壤水分供應(yīng)狀況改善，旱情有所緩解。

6. 應(yīng)急減災(zāi)服務(wù)

目前，風(fēng)云氣象衛(wèi)星已經(jīng)實現(xiàn)了各系列衛(wèi)星的業(yè)務(wù)化運行。FY－2和FY－4依靠高時效性、高時間頻次的數(shù)據(jù)、豐富的產(chǎn)品以及機(jī)動的區(qū)域掃描觀測能力為應(yīng)急減災(zāi)提供實時天氣監(jiān)測信息，F(xiàn)Y－3利用其較高的分辨率、較寬的觀測幅寬、微波探測能力以及全球覆蓋能力提供生態(tài)環(huán)境、洪澇監(jiān)測等應(yīng)急減災(zāi)服務(wù)。

在為國內(nèi)提供應(yīng)急服務(wù)的同時，為充分發(fā)揮風(fēng)云氣象衛(wèi)星的國際應(yīng)用服務(wù)效益，中國氣象局于2018年4月發(fā)布了《風(fēng)云衛(wèi)星國際用戶防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急保障機(jī)制》（FY_ESM)，當(dāng)注冊用戶國家遭受臺風(fēng)、洪澇等災(zāi)害時，可向中國氣象局啟動該機(jī)制，通過風(fēng)云氣象衛(wèi)星的區(qū)域掃描以及全球觀測的能力，獲取風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)、產(chǎn)品以及監(jiān)測服務(wù)。除此之外，風(fēng)云氣象衛(wèi)星已經(jīng)成為全球綜合地球觀測系統(tǒng)的重要成員，同時也是空間和重大災(zāi)害國際憲章機(jī)制的值班衛(wèi)星。2020年5月1日，烏茲別克斯坦薩爾多巴水庫發(fā)生潰壩，中國氣象局及時啟動應(yīng)急保障機(jī)制，綜合利用FY－3D和高分辨率衛(wèi)星為該國氣象部門提供了潰壩水體監(jiān)測服務(wù)。如圖6所示，潰壩發(fā)生后，錫爾河州出現(xiàn)較大范圍新增水體。

圖6 FY-3D烏茲別克斯坦?jié)吻昂笏楸O(jiān)測圖

三、結(jié)論和展望

每年汛期發(fā)生的各類自然災(zāi)害都會給我國帶來人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，充分利用風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品可以在災(zāi)前預(yù)報預(yù)警、災(zāi)中決策部署以及災(zāi)后監(jiān)測分析等災(zāi)害全過程中發(fā)揮重要作用。隨著各級政府、企事業(yè)單位以及公眾對汛期災(zāi)害發(fā)生過程中的服務(wù)需求越來越大，風(fēng)云氣象衛(wèi)星將不斷改進(jìn)儀器性能，擴(kuò)展觀測手段，提高服務(wù)時效。未來計劃發(fā)射的FY－3E將運行在晨昏軌道上，搭載風(fēng)場雷達(dá)等多類儀器，為數(shù)值天氣預(yù)報的改進(jìn)提供更加豐富的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。同時，中國氣象局將優(yōu)化靜止軌道氣象衛(wèi)星布局，為國內(nèi)和“一帶一路”沿線國家和地區(qū)提供高質(zhì)量、高時效的服務(wù)。