让“风云”看清世界,让世界洞悉风云

云脑智库 2022-01-15 00:00


来源 | 悦智网

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在全球气候变化的背景下,极端气象灾害高发、频发、重发。据不完全统计,在过去20年间,台风、暴雨、高温、干旱、沙尘暴、雪灾等气象灾害造成全球约130万人死亡,仅在我国,平均每年因气象灾害造成的直接经济损失就高达2900亿元人民币。

为提高全球防灾减灾能力,保护人民生命财产安全,我国自20世纪70年代起开始发展风云气象卫星,到目前为止,我国已先后发射19颗风云气象卫星,目前有8颗卫星在轨运行。风云气象卫星已形成比较完善的业务观测体系,具备了全天时、全天候的全球气象观测能力。
要提升风云卫星全球服务能力,必须首先解决全球气象灾害定量遥感的一系列关键技术。为此科技部于2018年立项国家重点研发计划“全球气象卫星遥感动态监测、分析技术及定量应用方法及平台研究”项目。该项目围绕全球气象灾害监测服务的迫切需求,解决全球气象灾害高精度定量反演、多源融合和定量监测及快速响应服务的关键技术问题,形成对全球主要气象灾害的高精度监测分析能力和快速响应业务服务能力。
经过3年的联合攻关,项目取得了一系列成果(见图1)。首先,研发了自主可控的快速辐射传输模拟系统(Advanced Radiative Transfer Modeling System,ARMS)作为气象卫星定量应用的“芯片”,该模式已成为比肩美国CRTM(Community Radiative Transfer Model)和欧洲RTTOV(Radiative Transfer for TOVS)等的国际主流模式。同时,基于ARMS研发了企业级风云卫星7个关键参数集成反演系统,大幅提升了气象卫星产品的精度和动态范围;解决了全球时空连续、物理一致的产品融合关键技术,形成了全球气象灾害关键参数的高精度融合产品;构建了全球台风、暴雨、高温、干旱、沙尘暴、雪灾等主要气象灾害遥感致灾因子及成灾指标,实现了气象灾害定量监测和服务;建立了多套全球主要气象灾害卫星遥感数据集;突破全球气象灾害遥感可视化分析与快速响应关键技术,研制了可视化分析与快速响应服务平台。

在项目成果的有力支撑下,风云卫星目前为全球120个国家和地区(其中 85个位于“一带一路”区域)提供数据和产品服务。项目研发的产品和模式已进入中国气象局核心业务系统,应用于台风、暴雨、高温、沙尘等气象灾害的监测业务,为2020年、2021年汛期及重大活动气象保障工作提供了有力支撑,多次为“一带一路”沿线国家和地区提供及时优质的气象灾害监测服务。

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快速辐射传输模拟系统

ARMS核心模块
目前,风云气象卫星产品反演和资料同化中使用的辐射传输模式多为国外引进。一方面,随着中国卫星事业的快速发展和搭载仪器越来越多样化,欧美的快速辐射传输模式已不能很好地满足我国卫星遥感应用的需求;另一方面,新一代中国风云卫星在空间、频谱和时间分辨率上观测到的全球大气信息大大多于以往仪器。项目组研发了ARMS核心模块,实现了辐射传输求解由标量到矢量的飞跃(见图2)。目前ARMS已发展成为国际主流模式,与美国CRTM和欧洲RTTOV形成三足鼎立的格局。

在ARMS中发展和建立了完整的气溶胶、云粒子散射数据库,实现在全天候条件下红外及微波大气探测仪快速高精度的辐射传输计算,并可扩展到可见光及紫外波段以实现更多仪器的应用需求。在非球形粒子散射特性研究方面,项目组利用国际上通用的计算非球形粒子散射特性的模拟工具离散耦粒子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA),初步对11种不同形状的冰晶粒子(包括柱状、片状、玫瑰状、扇形雪花状和树枝形雪花状等)在微波范围内的散射特性进行研究,并分别比较了同一粒子形态在不同温度和不同观测频率下的散射特性差异、同样等效半径下不同粒子形态在同一温度下的散射特性差异、每种粒子在不同粒径时散射相函数差异。项目进一步完善了ARMS中海洋微波发射率理论模型和陆面发射率数据集,以增强“三极”地区复杂地表状况下的应用能力。

应用验证的结果表明,ARMS对风云卫星微波、红外宽带和红外高光谱仪器观测的模拟精度优于或和国外模式相当,计算速度与美国CRTM,欧洲RTTOV的业务模式相当(见图3),云散射情况下计算精度有明显改善。此外,ARMS在全天候条件、“三极”地区复杂地表状况和风云卫星仪器支持方面性能优于国外模式,成为卫星遥感和数值预报应用强有力的技术支撑。目前ARMS已支撑中国气象局数值预报中心和华东区域数值预报中心的业务,发展的FY-4A/GIIRS大气透过率模型被美国卫星资料同化联合中心(JCSDA)引入。

同时,ARMS直接支持风云卫星遥感产品集成反演算法。项目组基于ARMS发展构建了4类(包含7个参数)的风云卫星集成反演系统,包括风云卫星云参数集成反演算法FICA、大气廓线集成反演算法FIPA、气溶胶集成反演算法FIAA和地表参数集成反演算法FISA。企业级卫星产品反演集成系统有效改善了目前风云气象卫星产品反演多采用单一产品孤立算法的不足,大幅提升了气象卫星产品的物理一致性、精度和动态范围。

基于多源数据对风云卫星产品质量进行全方位评估,包括与站点观测实况数据(陆面温湿度探空数据、洋面飞机下投式探空数据、地面实测土壤水分数据、AERONET AOD数据等)的对比、和其他卫星产品横向对比(SMAP土壤水分等)以及ECMWF再分析数据(ERA5等)比较等。验证结果表明,大部分反演产品已经达到或超过项目精度要求。
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基于风云卫星的多通道、多传感器、

多尺度数据融合算法和相关产品
为提高多源气象卫星在气象灾害中的协同监测和预警作用,项目组针对多源气象卫星光谱特性、反演算法、时空分辨率等不同导致产品一致性和连续性有限的问题,通过L1级和L2级卫星数据的时空匹配和融合,将不同仪器、不同来源数据融合起来,以消除仪器间由于光谱响应函数、观测角度等的差异,实现了风云卫星和国际同类卫星的精度互换,并以此为基础,开展长时间序列降水等灾害数据集的构建。研发出多颗静止卫星成像仪通道一致性订正的融合算法和基于人工智能光学通道融合技术,生成了高时空分辨率全球静止卫星融合产品;基于L1级光谱数据,提出了一种基于机器学习的辐射数据时空谱融合方法,以用于风云卫星资料的标准化处理;研发了风云卫星微波温湿度计通道融合技术;基于传统数学模型、机器学习和多维变分等方法,建立了卫星反演的L2级降水、地表温度、地表湿度、大气温湿度、气溶胶、积雪等多种气象参数的融合算法,提高了多源气象卫星在气象灾害中的协同监测和预警作用;进一步研究了星地融合的降水数据在日尺度的校正方法,研制并发布了一套亚洲地区高时空分辨率长时间序列的高质量降水数据集AIMERG(0.1°/半小时,2000—2015,亚洲)。
FY-3D搭载的微波探测仪包括微波温度计(MWTS)和微波湿度计(MWHS)。由于不是对同一像元的观测,且缺少23.8和31.4GHz两个重要的通道,FY-3D微波温湿度计资料在实际应用时存在较大的困难。为了充分利用FY-3D微波探测仪资料,项目组融合MWTS和MWHS观测信息,并通过机器学习算法加入与该项目发展的快速辐射传输模拟系统ATMS云检测通道类似的虚拟观测通道,最终形成具有30个通道的融合产品CMWS(Comprehensive Micro Wave Sounding Suite),并将其应用于大气水成物反演以及降水率反演,同时为第一课题反演大气温湿度廓线提供了基础观测产品。CMWS是目前世界上探测通道最多的星载微波探测仪产品,其充分利用了FY-3D微波温湿度计的观测特点,弥补了FY-3D微波温湿度计的不足,不仅可以为微波探测仪的同化和反演应用提供完整的数据和算法支持,同时还弥补了微波降水产品的空白。
由CMWS支撑研发的台风结构、强度和风雨影响的综合定量产品已应用于中国气象局数值预报中心、台风与海洋气象预报中心的业务中,并在2020年台风“黑格比”“海高斯”“巴威”以及2021年台风“烟花”等多次台风重大应急响应会商中实时提供台风的三维结构及暖心分布(见图4)、综合评估台风带来的风雨影响等定量信息(见图5),起到了较好的实际应用和媒体宣传效果。

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适用于气象卫星数据的全球主要气象灾害
致灾因子提取方法和灾害定量监测模型
全球主要气象灾害分布范围广阔,影响地区的地理气候条件及下垫面类型有所不同。项目组利用多源卫星数据,结合各种灾害孕灾环境特点,在气象部门已有的气象灾害致灾因子定义基础上,研发和改进了多种以国产卫星为主的台风、暴雨、高温、干旱、沙尘暴、雪灾等气象灾害致灾因子提取算法和模型(见表1),如揭示台风风雨影响的致灾因子和指标、用于暴雨监测的反映时段降水和强度的暴雨强度指数、用于湿热型高温天气监测的温湿指数、用于监测沙尘暴强度的地面能见度等,显著提高了卫星遥感气象灾害定量监测精度和对全球不同地理气候特点区域的监测水平。同时,为提高气象卫星全球气象灾害监测响应时效,开展了对卫星遥感致灾因子成灾指标(即基于卫星遥感的致灾临界气象条件)的研究,提出了建立重点地区致灾因子成灾指标的方法。在此基础上,利用气象卫星遥感致灾因子及成灾指标等信息建立全球气象灾害定量监测模型,将改变以往应对全球气象灾害的被动启动模式(得知媒体报道或有关部门提出要求时开始监测处理)发挥作用,为提高气象卫星全球气象灾害监测响应时效和产品质量提供技术支撑。
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灾害遥感综合分析新产品

在“一带一路”区域应用示范
为了满足基于国产卫星数据的新型气象灾害卫星遥感综合分析服务产品的应用需求,以及面向国家“一带一路”建设的全球气象灾害监测保障能力的提升要求,项目组通过对主要气象灾害的监测和风险评估预警方法研究,研发主要气象灾害卫星遥感综合分析服务新产品,实现在“一带一路”重点区域的示范应用,提升国产气象卫星的全球主要气象灾害业务化监测能力及快速响应能力,协助沿线各国减轻气象灾害风险。建立了卫星遥感洪涝、滑坡、干旱、台风、暴雨等多项灾害遥感综合分析新产品,提高了主要气象灾害的预测和评估精度;开展了主要气象灾害的综合分析新产品研发和典型区域的应用示范,提升“一带一路”区域的风险评估业务化服务能力。

针对卫星遥感全球暴雨灾害定量监测的技术需求,开展了基于多源卫星暴雨灾害定量监测关键技术方法研究。在气象部门已有的气象灾害致灾因子定义基础上,创建了以近30年全球暴雨灾害历史数据为基础的致灾因子提取方法和过程暴雨强度模型方法;研制了包含地形影响因子和水系影响因子的高精度暴雨孕灾环境模型方法;建立了以暴雨强度和暴雨孕灾环境为参数的灾害监测模型,以历史暴雨灾害信息为依据的暴雨致灾临界条件和等级划分,形成全球不同区域动态暴雨灾害危险性指数模型方法;并依据高程数据提取全球7个重点河流流域信息,开展精细化暴雨灾害监测。实现了卫星遥感全球重点区域暴雨灾害的动态监测,改变以往全球暴雨气象灾害启动的被动模式,为提高气象卫星全球气象灾害监测响应时效和产品质量提供技术支撑。

卫星遥感暴雨灾害监测模型在2020年我国南方特大暴雨洪涝灾害、2021年7月20日河南特大暴雨灾害服务中开展示范应用(见图6),相关分析材料为党中央、国务院和各级政府决策提供了有力支撑。央视新闻频道“新闻周刊”“新闻直播间”“新闻1+1”“东方时空”及央视中文国际频道、财经频道等进行了专题播出,人民日报、新华社、新京报等媒体进行了专题报道。

项目建设的全球气象灾害快速响应卫星遥感服务平台,在“一带一路”重点区域开展应用示范,并取得实际成效。项目先后为伊朗南部洪涝灾害、非洲南部台风“伊代”引发的洪涝灾害、巴基斯坦和斯里兰卡的暴雨灾害、尼泊尔中部和西部强对流天气造成的暴雨洪涝灾害、越南台风“浪卡”引发的暴雨洪涝灾害、印度的高温灾害(见图7)、阿富汗和巴基斯坦的沙尘灾害(见图8)等提供风云卫星气象灾害遥感监测服务,提高了“一带一路”等全球重点地区气象灾害的监测水平,相关服务获得用户的好评。

综上,项目通过提高国产气象卫星反演产品的精度和一致性,研究主要气象灾害致灾因子提取方法,研发气象灾害定量监测模型和业务平台,可为我国及全球主要气象灾害的动态定量监测提供重要的技术支持,形成对重点区域主要气象灾害遥感监测快速响应及业务化服务能力,从而大幅提升对我国及“一带一路”沿线国家气象灾害的监测服务水平。
致谢:感谢国家重点研发计划“全球气象卫星遥感动态监测、分析技术及定量应用方法及平台研究”项目(项目编号:2018YFC1506500)的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2021年10月刊。

专家简介

杨军国家卫星气象中心研究员

翁富忠中国气象科学研究院教授

唐世浩:国家卫星气象中心研究员

韩秀珍:国家卫星气象中心研究员

刘超:南京信息工程大学教授

洪阳:北京大学遥感所教授

陈晓玲:武汉大学教授

郑伟:国家卫星气象中心研究员

朱琳:国家卫星气象中心研究员

高浩:国家卫星气象中心高级工程师

新:国家卫星气象中心研究员

任素玲:国家卫星气象中心研究员

徐榕焓:国家卫星气象中心高级工程师

刘清华:国家卫星气象中心高级工程师

- The End

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