■ 關(guān)敏 張甲珅 姚依欣

驗(yàn)證試驗(yàn)表明，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)為ECMWF系統(tǒng)的預(yù)報做出了重要貢獻(xiàn)，對全球大部分地區(qū)的2天內(nèi)預(yù)報有顯著的正效果，在赤道地區(qū)對4天內(nèi)預(yù)報有顯著的正效果。

2020年風(fēng)云氣象衛(wèi)星用戶大會于2020年10月28—29日在蘇州召開。本次大會是風(fēng)云氣象衛(wèi)星事業(yè)50周年系列活動之一，也是首次面向國內(nèi)風(fēng)云氣象衛(wèi)星用戶的學(xué)術(shù)交流盛會。大會回顧了我國風(fēng)云氣象衛(wèi)星事業(yè)50年發(fā)展歷程和取得的成就，集中檢驗(yàn)和展示了風(fēng)云衛(wèi)星在國內(nèi)各領(lǐng)域和行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)展。

1 會議概況

大會由中國氣象局、國家航天局、中國科學(xué)院和中國航天科技集團(tuán)有限公司共同主辦，中國氣象局氣象衛(wèi)星工程管理辦公室、中國氣象學(xué)會、國家衛(wèi)星氣象中心、中國航天科技集團(tuán)有限公司第八研究院承辦。大會主題為“提升風(fēng)云氣象衛(wèi)星服務(wù)能力，筑牢防災(zāi)減災(zāi)第一道防線”。來自部委、軍隊、中國科學(xué)院、中國航天科技集團(tuán)、高校及氣象部門等120余家單位，超過500位專家學(xué)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(yè)務(wù)，風(fēng)云衛(wèi)星資料在數(shù)值預(yù)報模式中占比穩(wěn)步提升。數(shù)值天氣預(yù)報是氣象業(yè)務(wù)的核心基礎(chǔ)。隨著風(fēng)云衛(wèi)星的發(fā)展，風(fēng)云衛(wèi)星觀測資料在我國GRAPES業(yè)務(wù)系統(tǒng)中同化應(yīng)用的數(shù)量和效益不斷提升，并且形成了衛(wèi)星資料同化應(yīng)用改進(jìn)的業(yè)務(wù)協(xié)作模式。李娟介紹了風(fēng)云衛(wèi)星資料在GRAPES中的應(yīng)用情況，指出2017年以后，GRAPES同化的衛(wèi)星資料占比由62%提升到76%，F(xiàn)Y-2衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品和晴空水汽通道輻射率資料在GRAPES全球和區(qū)域同化預(yù)報中發(fā)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(qū)域背景誤差協(xié)方差及觀測誤差后驗(yàn)估計的最優(yōu)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(guān)鍵技術(shù)后，2018年12月實(shí)現(xiàn)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(yù)報中心（ECMWF）預(yù)報系統(tǒng)中已先后同化了FY-3系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，同時對FY-4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展了同化評估，準(zhǔn)備業(yè)務(wù)監(jiān)測。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)為ECMWF系統(tǒng)的預(yù)報做出了重要貢獻(xiàn)，對全球大部分地區(qū)的2天內(nèi)預(yù)報有顯著的正效果，在赤道地區(qū)對4天內(nèi)預(yù)報有顯著的正效果。英國氣象局已業(yè)務(wù)同化和監(jiān)測風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)，同化試驗(yàn)結(jié)果表明加入FY-3D衛(wèi)星資料對英國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報系統(tǒng)的預(yù)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(jī)構(gòu)也分別不同程度的同化和評估風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

助力氣象防災(zāi)減災(zāi)，風(fēng)云衛(wèi)星精密監(jiān)測、精準(zhǔn)預(yù)報、精細(xì)服務(wù)能力日益提高。風(fēng)云衛(wèi)星已成為氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的最主要手段，本次會議四分之一的報告是利用風(fēng)云衛(wèi)星開展臺風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對流、沙塵、霧、霾等災(zāi)害性天氣以及洪澇、火災(zāi)、地表高溫和干旱等地表環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測。許健民院士利用FY-2和FY-4A衛(wèi)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(qū)、市的專家學(xué)者通過對風(fēng)云衛(wèi)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(fā)維持機(jī)制，提高區(qū)域強(qiáng)對流天氣預(yù)報預(yù)警以及防雷減災(zāi)能力。在臺風(fēng)監(jiān)測方面，許映龍介紹了中央氣象臺目前基于靜止氣象衛(wèi)星的臺風(fēng)定量監(jiān)測技術(shù)，通過識別提取風(fēng)云靜止衛(wèi)星臺風(fēng)云型特征、云頂溫度、眼區(qū)溫度、中心密閉云區(qū)等臺風(fēng)云系特征結(jié)構(gòu)，進(jìn)行臺風(fēng)強(qiáng)度客觀分析。

保障生態(tài)文明建設(shè)，氣象衛(wèi)星遙感綜合應(yīng)用體系成果豐碩。提升生態(tài)文明建設(shè)氣象保障服務(wù)水平和能力，是落實(shí)國家重大戰(zhàn)略的舉措之一。唐世浩報告了國家級生態(tài)環(huán)境氣象應(yīng)用情況?；陲L(fēng)云、高分為主的多源衛(wèi)星，國家衛(wèi)星氣象中心建立了全國及重點(diǎn)區(qū)域陸表植被狀態(tài)（農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、長勢、植被覆蓋、葉面積指數(shù)、凈初級生產(chǎn)力、釋氧量等）和火情、水體等陸地環(huán)境狀況監(jiān)測評估系統(tǒng)，進(jìn)而開展生態(tài)環(huán)境綜合評估。劉勇洪從城市生態(tài)氣象條件、陸表環(huán)境、大氣環(huán)境、人居環(huán)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(tài)氣象監(jiān)測評估初步研究，利用包括FY-3衛(wèi)星在內(nèi)的多源數(shù)據(jù)對2019年北京城市生態(tài)氣象進(jìn)行監(jiān)測評估，評估顯示北京近年來在生態(tài)環(huán)境改善方面的措施卓有成效。

人工智能與傳統(tǒng)物理方法分庭抗禮，風(fēng)云衛(wèi)星產(chǎn)品算法不斷創(chuàng)新。近年來人工智能（AI）在衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中被廣泛應(yīng)用。本次會議一大亮點(diǎn)是有大量利用AI技術(shù)開展的遙感產(chǎn)品算法和應(yīng)用技術(shù)研究，與傳統(tǒng)的基于物理方法的衛(wèi)星產(chǎn)品算法分庭抗禮。將極端隨機(jī)樹、隨機(jī)森林、邏輯回歸、深度語義分割等機(jī)器學(xué)習(xí)方法用于云檢測，可獲得93%以上的云檢測精度。采用數(shù)學(xué)反問題正則化、隨機(jī)森林、極端梯度提升等方法估算FY-4A衛(wèi)星降水，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演FY-4A衛(wèi)星大氣溫度廓線，利用梯度提升決策樹檢測FY-3C衛(wèi)星陸上降水，基于極端隨機(jī)樹、深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法提取FY-3衛(wèi)星全球陸表水體信息等，這些機(jī)器學(xué)習(xí)算法得到的遙感產(chǎn)品都具有較高精度。機(jī)器學(xué)習(xí)根據(jù)給定的訓(xùn)練樣本統(tǒng)計估計某系統(tǒng)輸入輸出之間的依賴關(guān)系，從而獲得對未知輸出的預(yù)測能力。這種單純數(shù)據(jù)驅(qū)動的，基于有限樣本集的學(xué)習(xí)方法，以可接受的計算代價，高效地完成對觀測數(shù)據(jù)中隱含遙感信息的挖掘。它不依賴傳統(tǒng)動力學(xué)原理和規(guī)律，卻有很高的準(zhǔn)確率和數(shù)據(jù)處理效率、很強(qiáng)的數(shù)據(jù)挖掘能力、分析復(fù)雜相互作用分類特征的能力，為難以通過經(jīng)典物理模型給出確定方案的復(fù)雜問題提供了解決路徑。

需求牽引衛(wèi)星和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，構(gòu)建星地一體化智慧觀測應(yīng)用體系是未來愿景。氣象衛(wèi)星遙感應(yīng)用的進(jìn)步，離不開風(fēng)云衛(wèi)星的發(fā)展和遙感儀器性能的提升。經(jīng)過50年發(fā)展，風(fēng)云衛(wèi)星已形成靜止和極軌2個系列10個批次累計發(fā)射18顆目前在軌運(yùn)行7顆、靜止衛(wèi)星東西組網(wǎng)、極軌衛(wèi)星上下午軌道全球觀測的業(yè)務(wù)布局?？锒úㄔ菏炕仡櫫宋覈鴼庀笮l(wèi)星及光學(xué)探測載荷的發(fā)展歷程，從1970年中國氣象局成立“氣象衛(wèi)星地面站總站”（現(xiàn)國家衛(wèi)星氣象中心）開始細(xì)數(shù)了風(fēng)云衛(wèi)星發(fā)展和探測技術(shù)、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(shù)，光譜通道分別為1370和1650個，光譜分辨率最高達(dá)0.625 cm。經(jīng)在軌評估HIRAS光譜定標(biāo)精度3 ppm，GIIRS光譜定標(biāo)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(shí)現(xiàn)臭氧分布立體探測。掩星探測載荷首次采用開環(huán)跟蹤技術(shù)，兼容GPS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，還將增加海面風(fēng)場探測功能，實(shí)現(xiàn)電離層、大氣層和海面立體監(jiān)測。通過載荷技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)云衛(wèi)星光學(xué)觀測能力從千米級分辨率提升到百米級，實(shí)現(xiàn)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(jìn)輻射傳輸模式系統(tǒng)ARMS。該系統(tǒng)針對風(fēng)云衛(wèi)星載荷通道設(shè)置和功能特點(diǎn)設(shè)計精確的大氣透過率快速計算模型，從標(biāo)量求解到矢量求解，在通用非球形粒子散射理論與數(shù)據(jù)庫和海洋及陸面發(fā)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(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)同化應(yīng)用和遙感應(yīng)用的核心支撐技術(shù)。

面向未來，中國氣象局氣象衛(wèi)星工程管理辦公室楊軍主任展望了第三代風(fēng)云氣象衛(wèi)星規(guī)劃和愿景。下一代風(fēng)云衛(wèi)星將實(shí)現(xiàn)高低軌星座化協(xié)同組網(wǎng)觀測、輻射基準(zhǔn)高精度傳遞、星地一體化在軌定標(biāo)，地面應(yīng)用系統(tǒng)集約智慧運(yùn)行、星地協(xié)同智能調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃，全面建成衛(wèi)星遙感綜合應(yīng)用體系，打造服務(wù)“一帶一路”品牌。

3 小結(jié)和啟示

2020年風(fēng)云氣象衛(wèi)星用戶大會從多個維度展示了風(fēng)云氣象衛(wèi)星事業(yè)50年發(fā)展取得的成就。通過大會，我們欣喜地看到，經(jīng)過50年發(fā)展，風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)被越來越多地用于氣象預(yù)報業(yè)務(wù)、氣象防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)文明建設(shè)等領(lǐng)域，也被廣泛用于自然資源監(jiān)測和保護(hù)、農(nóng)村農(nóng)業(yè)、應(yīng)急減災(zāi)等多個行業(yè)，為服務(wù)民生、社會發(fā)展保駕護(hù)航。同時，越來越多的科技工作者正在使用風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)研發(fā)應(yīng)用產(chǎn)品算法，這些優(yōu)秀的算法將為風(fēng)云衛(wèi)星遙感產(chǎn)品提供技術(shù)支撐。而越來越旺盛的應(yīng)用需求也促進(jìn)和激勵了我國氣象衛(wèi)星平臺和有效載荷自主關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，為我國氣象衛(wèi)星躋身國際先進(jìn)水平奠定了基礎(chǔ)。