提升風云氣象衛星服務能力，筑牢防災減災第一道防線
——2020年風云氣象衛星用戶大會綜述

■ 關敏 張甲珅 姚依欣

驗證試驗表明，FY-3衛星數據為ECMWF系統的預報做出了重要貢獻，對全球大部分地區的2天內預報有顯著的正效果，在赤道地區對4天內預報有顯著的正效果。

2020年風云氣象衛星用戶大會于2020年10月28—29日在蘇州召開。本次大會是風云氣象衛星事業50周年系列活動之一，也是首次面向國內風云氣象衛星用戶的學術交流盛會。大會回顧了我國風云氣象衛星事業50年發展歷程和取得的成就，集中檢驗和展示了風云衛星在國內各領域和行業的應用進展。

1 會議概況

大會由中國氣象局、國家航天局、中國科學院和中國航天科技集團有限公司共同主辦，中國氣象局氣象衛星工程管理辦公室、中國氣象學會、國家衛星氣象中心、中國航天科技集團有限公司第八研究院承辦。大會主題為“提升風云氣象衛星服務能力，筑牢防災減災第一道防線”。來自部委、軍隊、中國科學院、中國航天科技集團、高校及氣象部門等120余家單位，超過500位專家學者與會交流。大會交流報告共計218個，其中口頭報告115個，墻報103個。

2 會議主要成果

支撐氣象核心業務，風云衛星資料在數值預報模式中占比穩步提升。數值天氣預報是氣象業務的核心基礎。隨著風云衛星的發展，風云衛星觀測資料在我國GRAPES業務系統中同化應用的數量和效益不斷提升，并且形成了衛星資料同化應用改進的業務協作模式。李娟介紹了風云衛星資料在GRAPES中的應用情況，指出2017年以后，GRAPES同化的衛星資料占比由62%提升到76%，FY-2衛星云導風產品和晴空水汽通道輻射率資料在GRAPES全球和區域同化預報中發揮了重要作用。尤其是，在突破了FY-4A地球靜止軌道干涉式探測儀GIIRS觀測算子、基于觀測區域背景誤差協方差及觀測誤差后驗估計的最優通道選擇、以及適合大陣型探測器的偏差在線估計和訂正算法等關鍵技術后，2018年12月實現了FY-4A GIIRS資料在GRAPES全球4DVar中的同化。陸其峰介紹，自2009年起，歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）預報系統中已先后同化了FY-3系列衛星數據，同時對FY-4A衛星數據開展了同化評估，準備業務監測。驗證試驗表明，FY-3衛星數據為ECMWF系統的預報做出了重要貢獻，對全球大部分地區的2天內預報有顯著的正效果，在赤道地區對4天內預報有顯著的正效果。英國氣象局已業務同化和監測風云衛星數據，同化試驗結果表明加入FY-3D衛星資料對英國氣象局數值預報系統的預報有中性偏正的效果。德國、法國、日本、韓國、芬蘭、印度、瑞士等國家的氣象機構也分別不同程度的同化和評估風云衛星數據。

助力氣象防災減災，風云衛星精密監測、精準預報、精細服務能力日益提高。風云衛星已成為氣象災害監測預警的最主要手段，本次會議四分之一的報告是利用風云衛星開展臺風、暴雨、強對流、沙塵、霧、霾等災害性天氣以及洪澇、火災、地表高溫和干旱等地表環境災害監測。許健民院士利用FY-2和FY-4A衛星云圖，分析了長江流域2020年6—7月幾次梅雨鋒暴雨。來自不同省、區、市的專家學者通過對風云衛星云圖和閃電資料的分析，探討局地大暴雨的物理過程和觸發維持機制，提高區域強對流天氣預報預警以及防雷減災能力。在臺風監測方面，許映龍介紹了中央氣象臺目前基于靜止氣象衛星的臺風定量監測技術，通過識別提取風云靜止衛星臺風云型特征、云頂溫度、眼區溫度、中心密閉云區等臺風云系特征結構，進行臺風強度客觀分析。

保障生態文明建設，氣象衛星遙感綜合應用體系成果豐碩。提升生態文明建設氣象保障服務水平和能力，是落實國家重大戰略的舉措之一。唐世浩報告了國家級生態環境氣象應用情況。基于風云、高分為主的多源衛星，國家衛星氣象中心建立了全國及重點區域陸表植被狀態（農業估產、長勢、植被覆蓋、葉面積指數、凈初級生產力、釋氧量等）和火情、水體等陸地環境狀況監測評估系統，進而開展生態環境綜合評估。劉勇洪從城市生態氣象條件、陸表環境、大氣環境、人居環境以及城市高影響天氣氣候事件等5個方面開展了城市生態氣象監測評估初步研究，利用包括FY-3衛星在內的多源數據對2019年北京城市生態氣象進行監測評估，評估顯示北京近年來在生態環境改善方面的措施卓有成效。

人工智能與傳統物理方法分庭抗禮，風云衛星產品算法不斷創新。近年來人工智能（AI）在衛星數據處理中被廣泛應用。本次會議一大亮點是有大量利用AI技術開展的遙感產品算法和應用技術研究，與傳統的基于物理方法的衛星產品算法分庭抗禮。將極端隨機樹、隨機森林、邏輯回歸、深度語義分割等機器學習方法用于云檢測，可獲得93%以上的云檢測精度。采用數學反問題正則化、隨機森林、極端梯度提升等方法估算FY-4A衛星降水，利用神經網絡反演FY-4A衛星大氣溫度廓線，利用梯度提升決策樹檢測FY-3C衛星陸上降水，基于極端隨機樹、深層神經網絡方法提取FY-3衛星全球陸表水體信息等，這些機器學習算法得到的遙感產品都具有較高精度。機器學習根據給定的訓練樣本統計估計某系統輸入輸出之間的依賴關系，從而獲得對未知輸出的預測能力。這種單純數據驅動的，基于有限樣本集的學習方法，以可接受的計算代價，高效地完成對觀測數據中隱含遙感信息的挖掘。它不依賴傳統動力學原理和規律，卻有很高的準確率和數據處理效率、很強的數據挖掘能力、分析復雜相互作用分類特征的能力，為難以通過經典物理模型給出確定方案的復雜問題提供了解決路徑。

需求牽引衛星和應用技術發展，構建星地一體化智慧觀測應用體系是未來愿景。氣象衛星遙感應用的進步，離不開風云衛星的發展和遙感儀器性能的提升。經過50年發展，風云衛星已形成靜止和極軌2個系列10個批次累計發射18顆目前在軌運行7顆、靜止衛星東西組網、極軌衛星上下午軌道全球觀測的業務布局。匡定波院士回顧了我國氣象衛星及光學探測載荷的發展歷程，從1970年中國氣象局成立“氣象衛星地面站總站”（現國家衛星氣象中心）開始細數了風云衛星發展和探測技術、探測器能力的提升。我國目前在軌光譜分辨率最高的紅外高光譜大氣探測載荷FY-3D/HIRAS和全球首個靜止軌道紅外高光譜載荷FY-4A/GIIRS均采用干涉分光技術，光譜通道分別為1370和1650個，光譜分辨率最高達0.625 cm。經在軌評估HIRAS光譜定標精度3 ppm，GIIRS光譜定標精度10 ppm。未來紫外高光譜臭氧探測空間分辨率提高至7 km，光譜分辨率0.5～1 nm，可實現臭氧分布立體探測。掩星探測載荷首次采用開環跟蹤技術，兼容GPS和北斗導航系統，還將增加海面風場探測功能，實現電離層、大氣層和海面立體監測。通過載荷技術的發展，風云衛星光學觀測能力從千米級分辨率提升到百米級，實現了全天候、全譜段、三維、高光譜定量探測的跨越。

翁富忠介紹了我國新一代先進輻射傳輸模式系統ARMS。該系統針對風云衛星載荷通道設置和功能特點設計精確的大氣透過率快速計算模型，從標量求解到矢量求解，在通用非球形粒子散射理論與數據庫和海洋及陸面發射率理論模型等方面取得了突破性成果，與美國CRTM、歐洲RTTOV模式形成三足鼎立之勢，成為了支持風云衛星數據同化應用和遙感應用的核心支撐技術。

面向未來，中國氣象局氣象衛星工程管理辦公室楊軍主任展望了第三代風云氣象衛星規劃和愿景。下一代風云衛星將實現高低軌星座化協同組網觀測、輻射基準高精度傳遞、星地一體化在軌定標，地面應用系統集約智慧運行、星地協同智能調度與任務規劃，全面建成衛星遙感綜合應用體系，打造服務“一帶一路”品牌。

3 小結和啟示

2020年風云氣象衛星用戶大會從多個維度展示了風云氣象衛星事業50年發展取得的成就。通過大會，我們欣喜地看到，經過50年發展，風云衛星遙感數據被越來越多地用于氣象預報業務、氣象防災減災、生態文明建設等領域，也被廣泛用于自然資源監測和保護、農村農業、應急減災等多個行業，為服務民生、社會發展保駕護航。同時，越來越多的科技工作者正在使用風云衛星數據研發應用產品算法，這些優秀的算法將為風云衛星遙感產品提供技術支撐。而越來越旺盛的應用需求也促進和激勵了我國氣象衛星平臺和有效載荷自主關鍵技術研發，為我國氣象衛星躋身國際先進水平奠定了基礎。