風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星高光譜探測(cè)儀目標(biāo)觀測(cè)和同化應(yīng)用：

2023-11-24

在全球氣候變化背景下，極端天氣氣候事件多發(fā)頻發(fā)，預(yù)報(bào)不確定性增大。而在當(dāng)前的預(yù)報(bào)服務(wù)中，常規(guī)觀測(cè)資料尚不能滿足需求，這是橫亙?cè)跉庀蠊ぷ髡呙媲暗碾y題。開展目標(biāo)觀測(cè)，通過在觀測(cè)敏感區(qū)加密觀測(cè)，可結(jié)合同化方法來減小初值誤差。

中國(guó)氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心（以下簡(jiǎn)稱“數(shù)值預(yù)報(bào)中心”）衛(wèi)星資料同化室副主任韓威，從2016年起帶領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大氣物理所等多家單位，圍繞重點(diǎn)領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)，展開了風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星高光譜探測(cè)儀目標(biāo)觀測(cè)和同化應(yīng)用科技攻關(guān)。

風(fēng)云四號(hào)A星、B星成功發(fā)射，為開展目標(biāo)觀測(cè)提供了機(jī)遇。風(fēng)云四號(hào)系列衛(wèi)星搭載的高光譜探測(cè)儀首次實(shí)現(xiàn)全球靜止氣象衛(wèi)星高時(shí)間高光譜三維大氣探測(cè)，對(duì)2000千米×2000千米的區(qū)域探測(cè)僅需15分鐘。

2018年臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”影響期間，韓威團(tuán)隊(duì)在國(guó)家衛(wèi)星氣象中心風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)總師張志清的支持協(xié)同下，利用風(fēng)云四號(hào)A星觀測(cè)臺(tái)風(fēng)眼，并開展了預(yù)報(bào)需求驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)觀測(cè)和同化，15分鐘分辨率的探測(cè)儀目標(biāo)觀測(cè)資料同化到中國(guó)氣象局全球四維變分同化系統(tǒng)中，數(shù)值預(yù)報(bào)與風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星探測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了“天地互動(dòng)”。結(jié)果表明，高時(shí)間、高光譜分辨率資料顯著改進(jìn)了模式對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑以及副熱帶高壓強(qiáng)度、位置的預(yù)報(bào)。歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織原首席科學(xué)家施梅茨博士（Johannes Schmetz）評(píng)價(jià)：“這是地球靜止軌道大氣探測(cè)同化應(yīng)用的里程碑。”

此后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)持續(xù)突破多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，研發(fā)線性和非線性結(jié)合的大氣三維敏感區(qū)快速精準(zhǔn)算法，精準(zhǔn)規(guī)劃目標(biāo)觀測(cè)區(qū)；構(gòu)建星地協(xié)同的觀測(cè)預(yù)報(bào)互動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以預(yù)報(bào)需求驅(qū)動(dòng)的風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星探測(cè)儀智能觀測(cè)；攻克高頻次、高光譜輻射率觀測(cè)直接同化等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)觀測(cè)在中國(guó)氣象局全球同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)（CMA-GFS）中的實(shí)時(shí)同化；建立基于高頻次高光譜大氣觀測(cè)的高精度三維大氣風(fēng)場(chǎng)反演算法和模型，并發(fā)表了風(fēng)場(chǎng)科學(xué)數(shù)據(jù)集。

風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星目標(biāo)觀測(cè)和同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)在多次重大天氣過程預(yù)報(bào)和重大活動(dòng)氣象保障中得到應(yīng)用。2022年8月8日，中央氣象臺(tái)通過風(fēng)云四號(hào)B星在南海上空拍攝的分鐘級(jí)衛(wèi)星云圖，提前一天捕獲到臺(tái)風(fēng)“木蘭”正式生成之前的南海低壓。這得益于數(shù)值預(yù)報(bào)中心聯(lián)合國(guó)家衛(wèi)星氣象中心、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所等多家單位開展的風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星高光譜探測(cè)儀和香港機(jī)載下投探空儀協(xié)同的臺(tái)風(fēng)加密觀測(cè)試驗(yàn)。

短短1分鐘內(nèi)，這些數(shù)據(jù)進(jìn)入全球中期數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GRAPES—GFS）全球四維變分資料同化系統(tǒng)中，同化系統(tǒng)通過對(duì)風(fēng)云氣象衛(wèi)星紅外高光譜大氣探測(cè)、微波輻射計(jì)等高時(shí)空分辨率觀測(cè)數(shù)據(jù)、智能往返探空和香港天文臺(tái)機(jī)載下投探空加密目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)的高效同化，給出未來48小時(shí)影響我國(guó)海南島東南部區(qū)域預(yù)報(bào)目標(biāo)觀測(cè)區(qū)域的高質(zhì)量天氣初值，有效改進(jìn)了數(shù)值預(yù)報(bào)初值場(chǎng)對(duì)南海臺(tái)風(fēng)三維中尺度結(jié)構(gòu)的精細(xì)刻畫能力。結(jié)果顯示，“木蘭”登陸強(qiáng)度與前期同化后觀測(cè)試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)論一致。

今年，第6號(hào)臺(tái)風(fēng)“卡努”歷經(jīng)多次轉(zhuǎn)彎，增加了路徑預(yù)報(bào)難度。數(shù)值預(yù)報(bào)中心、國(guó)家氣象中心和國(guó)家衛(wèi)星氣象中心協(xié)同聯(lián)動(dòng)開展加密觀測(cè)和同化預(yù)報(bào)平行試驗(yàn)，提高了對(duì)“卡努”路徑預(yù)報(bào)精度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年至2023年，24小時(shí)至48小時(shí)臺(tái)風(fēng)路徑精度提高10%，預(yù)報(bào)效益顯著。

此項(xiàng)成果為風(fēng)云衛(wèi)星業(yè)務(wù)化智能目標(biāo)觀測(cè)和應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)和方法。

（來源：中國(guó)氣象報(bào)社）