“風(fēng)四郎”如何讓天氣預(yù)報(bào)更準(zhǔn)確

姜園園+陳軼夫+陳勵(lì)

“風(fēng)云四號(hào)”全身有多項(xiàng)新裝備，不僅看得更清，反應(yīng)更快，能對(duì)大氣做“切片”，“抓”閃電，還能提供不同的觀測(cè)模式

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

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

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

看得更清，反應(yīng)更快

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

這個(gè)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(duì)象并非地表的建筑物，而是高空中無時(shí)無刻不處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的大氣。因此，二者不可如此類比。

與中國(guó)第一代靜止氣象衛(wèi)星“風(fēng)云二號(hào)”的1.25公里相比，“風(fēng)云四號(hào)”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(fēng)云二號(hào)”的5公里提高到了2公里和4公里。

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

從通道數(shù)來看，先進(jìn)的靜止軌道輻射成像儀在“風(fēng)云二號(hào)”5個(gè)通道的基礎(chǔ)上，增加到14個(gè)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(fēng)云四號(hào)”的反應(yīng)也更敏捷，這與“風(fēng)云四號(hào)”的三軸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

“‘風(fēng)云二號(hào)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(duì)較小，但缺點(diǎn)顯而易見：在自轉(zhuǎn)過程中，從35800公里外觀測(cè)地球，只有一小部分時(shí)間可以掃描地球，其他大部分時(shí)間都在掃描太空。”國(guó)家衛(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(jī)放在三角架上，可以24小時(shí)“凝視”地球。結(jié)果是，完成1幅圓盤圖觀測(cè)，時(shí)間可由“風(fēng)云二號(hào)”所需的30分鐘縮短至15分鐘。此外，“風(fēng)云四號(hào)”還可以靈活地對(duì)想要觀測(cè)的區(qū)域進(jìn)行高頻次連拍，針對(duì)東西、南北各一千公里區(qū)域的觀測(cè)時(shí)間僅需要1分鐘。

做“切片”，“抓”閃電

當(dāng)大氣垂直運(yùn)動(dòng)變化劇烈時(shí)，就會(huì)生成讓人談之色變的強(qiáng)對(duì)流天氣。摸清大氣垂直運(yùn)動(dòng)的“脈搏”，就能及時(shí)預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展。

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

“但探空氣球存在地域局限性。”中國(guó)工程院院士許健民告訴《瞭望東方周刊》，在沒有人的偏遠(yuǎn)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(cè)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(fēng)云四號(hào)”搭載的是世界首個(gè)靜止軌道干涉式紅外探測(cè)儀。這個(gè)探測(cè)儀有1600多個(gè)探測(cè)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(xì)數(shù)據(jù)。重要的是，“風(fēng)云四號(hào)”與地球保持相對(duì)靜止，1個(gè)小時(shí)就能完成一次對(duì)中國(guó)及周邊區(qū)域大氣的垂直探測(cè)，相較于極軌衛(wèi)星多星組網(wǎng)探測(cè)頻次和探空站的12小時(shí)一次，在時(shí)間分辨率方面強(qiáng)勢(shì)勝出;同時(shí)，靜止軌道干涉式紅外探測(cè)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(qiáng)對(duì)流天氣往往都伴隨著強(qiáng)烈而密集的閃電，因而閃電監(jiān)測(cè)也被人們稱作是強(qiáng)對(duì)流天氣的“示蹤器”。

鑒于閃電對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣獨(dú)特的指示作用，以及靜止衛(wèi)星觀測(cè)平臺(tái)突出的時(shí)空覆蓋優(yōu)勢(shì)，近年來，發(fā)展地球靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀，以實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電和強(qiáng)對(duì)流天氣的實(shí)時(shí)、連續(xù)觀測(cè)成為國(guó)際上閃電探測(cè)的一個(gè)重要發(fā)展課題。

然而，“抓”閃電卻絕不簡(jiǎn)單。“風(fēng)云四號(hào)”A星地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師張志清告訴《瞭望東方周刊》，一般來說，閃電持續(xù)時(shí)間很短，比人類眨眼的速度還快。“風(fēng)云四號(hào)”儀器團(tuán)隊(duì)中“抓閃電”的高手就是靜止軌道閃電成像儀，這也是中國(guó)首次在衛(wèi)星上安裝這一儀器。

“風(fēng)云四號(hào)”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?chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

值得一提的是，“風(fēng)云四號(hào)”首次使用了全新研制的SAST5000平臺(tái)，將成像輻射計(jì)、干涉式大氣垂直探測(cè)儀、閃電成像儀和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器包安裝在一個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)上，在世界上首次實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣的多手段綜合觀測(cè)。

如果與各國(guó)下一代靜止氣象衛(wèi)星的縱向比較，“風(fēng)云四號(hào)”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(guó)實(shí)現(xiàn)靜止軌道氣象衛(wèi)星跨越式發(fā)展的重要標(biāo)志。

中國(guó)氣象衛(wèi)星家族

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

“風(fēng)云四號(hào)”衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師郭強(qiáng)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(dú)特的作用，對(duì)于天氣氣候預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)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(shí)時(shí)刻刻對(duì)所負(fù)責(zé)區(qū)域進(jìn)行高頻次不間斷的觀測(cè)，對(duì)于尺度較大的天氣過程來說，靜止氣象衛(wèi)星可隨時(shí)獲取觀測(cè)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(yáng)保持同步，所以地球上每一個(gè)地方被同一顆極軌氣象衛(wèi)星觀測(cè)到的本地時(shí)間都是一樣的。極軌氣象衛(wèi)星的這一特點(diǎn)使衛(wèi)星遙感探測(cè)資料具有長(zhǎng)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(shí)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(dòng)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(duì)極地高緯度地區(qū)沒有觀測(cè)能力，因此中國(guó)氣象衛(wèi)星極地和高緯度觀測(cè)的任務(wù)也主要由穿越極地的極軌氣象衛(wèi)星承擔(dān)。

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

目前，“風(fēng)云”衛(wèi)星數(shù)據(jù)全球開放，實(shí)時(shí)共享。

截至2016年7月，中國(guó)國(guó)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(gè)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(gè)亞太國(guó)家和地區(qū)正實(shí)時(shí)共享“風(fēng)云”衛(wèi)星數(shù)據(jù);全球90多個(gè)國(guó)家和地區(qū)使用“風(fēng)云”衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星資料正為中國(guó)的暴雨、洪澇、沙塵暴等災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供可靠依據(jù)。以臺(tái)風(fēng)為例，2015年中國(guó)臺(tái)風(fēng)24小時(shí)路徑預(yù)報(bào)誤差首次低于70公里，24小時(shí)至120小時(shí)各時(shí)效預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均高于日本和美國(guó)，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

國(guó)家衛(wèi)星氣象中心主任楊軍表示，“風(fēng)云”衛(wèi)星以其先進(jìn)的技術(shù)水平、運(yùn)行的可靠性和較高的穩(wěn)定性，已成為全球?qū)Φ赜^測(cè)網(wǎng)中名副其實(shí)的主力軍。

“天氣預(yù)報(bào)將更及時(shí)準(zhǔn)確”

“隨著更為先進(jìn)的‘風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星的投入使用，我們的天氣預(yù)報(bào)將更加準(zhǔn)確及時(shí)。”多位氣象領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)“風(fēng)云四號(hào)”表示了期待。

中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心副主任龔建東介紹，在天氣預(yù)報(bào)中，一方面預(yù)報(bào)員會(huì)依賴對(duì)以往天氣過程進(jìn)行總結(jié)和對(duì)天氣發(fā)展演變經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提煉;另一方面，預(yù)報(bào)員會(huì)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，根據(jù)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)“做加法”。

“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是一個(gè)初值問題。”龔建東解釋，即給定一個(gè)初始時(shí)刻的大氣三維狀態(tài)，利用已知的大氣運(yùn)動(dòng)方程，建立數(shù)值模式，對(duì)未來進(jìn)行預(yù)測(cè)。初始時(shí)刻觀測(cè)的信息越豐富、越完備，初值越準(zhǔn)確，對(duì)后來的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高所起到的作用就越大。

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

從觀測(cè)要素的豐富性角度來講，常規(guī)觀測(cè)要素主要涉及大氣的風(fēng)、溫、壓、濕，而衛(wèi)星可以幫忙補(bǔ)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(cè)信息。

因此，國(guó)際上的全球模式里，衛(wèi)星觀測(cè)占資料總量的比例達(dá)到90%。

但相比于全球模式，區(qū)域模式對(duì)資料獲取的時(shí)效性要求更高。“因?yàn)橘Y料只有在比較短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)，才能發(fā)揮作用。”龔建東說。

而“風(fēng)云四號(hào)”的成功發(fā)射，讓龔建東對(duì)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(gè)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(fēng)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(shí)到一兩個(gè)小時(shí)，長(zhǎng)的到10個(gè)小時(shí)，快速生成、快速消亡。對(duì)此類天氣現(xiàn)象的模式預(yù)報(bào)，目前雷達(dá)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(shí)間頻次的觀測(cè)，能夠快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)演變過程。比如“風(fēng)云四號(hào)”提供了一種特殊的觀測(cè)模式——區(qū)域觀測(cè)模式。“如果跟雷達(dá)結(jié)合起來，就能獲得更加完整的系統(tǒng)圖像。”

另外，“風(fēng)云四號(hào)”搭載了更先進(jìn)的儀器，可以提供豐富的大氣垂直探測(cè)與云信息，將改善初始時(shí)刻三維結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)而改善預(yù)報(bào)。

未來，氣候變暖，極端天氣和氣候事件將會(huì)更多;經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、政府決策和人民群眾生產(chǎn)生活對(duì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的需求更高;城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，氣象對(duì)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(duì)這些新需求，風(fēng)云衛(wèi)星的下一個(gè)20年有著怎樣的藍(lán)圖？

“為滿足觀測(cè)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(cè)體系。”楊軍說。

航天科技集團(tuán)公司八院院長(zhǎng)助理張春明認(rèn)為，未來“風(fēng)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(cè)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、全天候、三維云雨15分鐘高頻次觀測(cè);低軌衛(wèi)星側(cè)重于高緯度高頻次數(shù)據(jù)的觀測(cè)，具備災(zāi)害天氣快速響應(yīng)能力，全面實(shí)現(xiàn)降水、風(fēng)場(chǎng)、云、大氣成分等精細(xì)化探測(cè)能力。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)研發(fā)中軌道氣象試驗(yàn)衛(wèi)星，對(duì)高、低軌衛(wèi)星上成熟的氣象載荷進(jìn)行中軌探測(cè)試驗(yàn)。

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(bǔ)充，提供“高實(shí)時(shí)”和“全覆蓋”的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。