風云四號氣象衛(wèi)星高光譜探測儀目標觀測和同化應(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)，預報不確定性增大。而在當前的預報服務(wù)中，常規(guī)觀測資料尚不能滿足需求，這是橫亙在氣象工作者面前的難題。開展目標觀測，通過在觀測敏感區(qū)加密觀測，可結(jié)合同化方法來減小初值誤差。

中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預報中心（以下簡稱“數(shù)值預報中心”）衛(wèi)星資料同化室副主任韓威，從2016年起帶領(lǐng)項目團隊聯(lián)合復旦大學、中國科學院大氣物理所等多家單位，圍繞重點領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)，展開了風云四號氣象衛(wèi)星高光譜探測儀目標觀測和同化應(yīng)用科技攻關(guān)。

風云四號A星、B星成功發(fā)射，為開展目標觀測提供了機遇。風云四號系列衛(wèi)星搭載的高光譜探測儀首次實現(xiàn)全球靜止氣象衛(wèi)星高時間高光譜三維大氣探測，對2000千米×2000千米的區(qū)域探測僅需15分鐘。

2018年臺風“瑪莉亞”影響期間，韓威團隊在國家衛(wèi)星氣象中心風云四號氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)總師張志清的支持協(xié)同下，利用風云四號A星觀測臺風眼，并開展了預報需求驅(qū)動的目標觀測和同化，15分鐘分辨率的探測儀目標觀測資料同化到中國氣象局全球四維變分同化系統(tǒng)中，數(shù)值預報與風云四號衛(wèi)星探測儀實現(xiàn)了“天地互動”。結(jié)果表明，高時間、高光譜分辨率資料顯著改進了模式對臺風路徑以及副熱帶高壓強度、位置的預報。歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織原首席科學家施梅茨博士（Johannes Schmetz）評價：“這是地球靜止軌道大氣探測同化應(yīng)用的里程碑?！?/font>

此后，項目團隊持續(xù)突破多項關(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)快速精準算法，精準規(guī)劃目標觀測區(qū)；構(gòu)建星地協(xié)同的觀測預報互動技術(shù)系統(tǒng)，實現(xiàn)以預報需求驅(qū)動的風云四號衛(wèi)星探測儀智能觀測；攻克高頻次、高光譜輻射率觀測直接同化等多項關(guān)鍵技術(shù)難題，實現(xiàn)目標觀測在中國氣象局全球同化預報系統(tǒng)（CMA-GFS）中的實時同化；建立基于高頻次高光譜大氣觀測的高精度三維大氣風場反演算法和模型，并發(fā)表了風場科學數(shù)據(jù)集。

風云四號氣象衛(wèi)星目標觀測和同化預報系統(tǒng)在多次重大天氣過程預報和重大活動氣象保障中得到應(yīng)用。2022年8月8日，中央氣象臺通過風云四號B星在南海上空拍攝的分鐘級衛(wèi)星云圖，提前一天捕獲到臺風“木蘭”正式生成之前的南海低壓。這得益于數(shù)值預報中心聯(lián)合國家衛(wèi)星氣象中心、中國科學院大氣物理研究所等多家單位開展的風云四號衛(wèi)星高光譜探測儀和香港機載下投探空儀協(xié)同的臺風加密觀測試驗。

短短1分鐘內(nèi)，這些數(shù)據(jù)進入全球中期數(shù)值預報系統(tǒng)（GRAPES—GFS）全球四維變分資料同化系統(tǒng)中，同化系統(tǒng)通過對風云氣象衛(wèi)星紅外高光譜大氣探測、微波輻射計等高時空分辨率觀測數(shù)據(jù)、智能往返探空和香港天文臺機載下投探空加密目標觀測數(shù)據(jù)的高效同化，給出未來48小時影響我國海南島東南部區(qū)域預報目標觀測區(qū)域的高質(zhì)量天氣初值，有效改進了數(shù)值預報初值場對南海臺風三維中尺度結(jié)構(gòu)的精細刻畫能力。結(jié)果顯示，“木蘭”登陸強度與前期同化后觀測試驗預報結(jié)論一致。

今年，第6號臺風“卡努”歷經(jīng)多次轉(zhuǎn)彎，增加了路徑預報難度。數(shù)值預報中心、國家氣象中心和國家衛(wèi)星氣象中心協(xié)同聯(lián)動開展加密觀測和同化預報平行試驗，提高了對“卡努”路徑預報精度。據(jù)統(tǒng)計，2018年至2023年，24小時至48小時臺風路徑精度提高10%，預報效益顯著。

此項成果為風云衛(wèi)星業(yè)務(wù)化智能目標觀測和應(yīng)用提供了科學依據(jù)和方法。

（來源：中國氣象報社）