風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星高光譜探測儀目標(biāo)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(yù)報不確定性增大。而在當(dāng)前的預(yù)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(biāo)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(yù)報中心（以下簡稱“數(shù)值預(yù)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(fù)旦大學(xué)、中國科學(xué)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(fēng)云四號氣象衛(wèi)星高光譜探測儀目標(biāo)觀測和同化應(yīng)用科技攻關(guān)。

風(fēng)云四號A星、B星成功發(fā)射，為開展目標(biāo)觀測提供了機遇。風(fēng)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(fēng)“瑪莉亞”影響期間，韓威團隊在國家衛(wèi)星氣象中心風(fēng)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(fēng)云四號A星觀測臺風(fēng)眼，并開展了預(yù)報需求驅(qū)動的目標(biāo)觀測和同化，15分鐘分辨率的探測儀目標(biāo)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(yù)報與風(fēng)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(fēng)路徑以及副熱帶高壓強度、位置的預(yù)報。歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織原首席科學(xué)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。”

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(zhǔn)算法，精準(zhǔn)規(guī)劃目標(biāo)觀測區(qū)；構(gòu)建星地協(xié)同的觀測預(yù)報互動技術(shù)系統(tǒng)，實現(xiàn)以預(yù)報需求驅(qū)動的風(fēng)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(biāo)觀測在中國氣象局全球同化預(yù)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(fēng)場反演算法和模型，并發(fā)表了風(fēng)場科學(xué)數(shù)據(jù)集。

風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星目標(biāo)觀測和同化預(yù)報系統(tǒng)在多次重大天氣過程預(yù)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(fēng)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(fēng)“木蘭”正式生成之前的南海低壓。這得益于數(shù)值預(yù)報中心聯(lián)合國家衛(wèi)星氣象中心、中國科學(xué)院大氣物理研究所等多家單位開展的風(fēng)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(fēng)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(yù)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(fēng)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(biāo)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(yù)報目標(biāo)觀測區(qū)域的高質(zhì)量天氣初值，有效改進了數(shù)值預(yù)報初值場對南海臺風(fēng)三維中尺度結(jié)構(gòu)的精細(xì)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(yù)報結(jié)論一致。

今年，第6號臺風(fēng)“卡努”歷經(jīng)多次轉(zhuǎn)彎，增加了路徑預(yù)報難度。數(shù)值預(yù)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(yù)報平行試驗，提高了對“卡努”路徑預(yù)報精度。據(jù)統(tǒng)計，2018年至2023年，24小時至48小時臺風(fēng)路徑精度提高10%，預(yù)報效益顯著。

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

（來源：中國氣象報社）