氣象衛星數據產品應用和服務發展

· 文|國家衛星氣象中心 楊軍 劉健

氣象衛星數據產品應用和服務發展

· 文|國家衛星氣象中心 楊軍 劉健

一、概述

我國的氣象衛星事業發展迅速，自1988年至今，我國已成功發射了13顆風云系列氣象衛星，包括7顆極軌氣象衛星和6顆靜止氣象衛星。極軌氣象衛星實現了“更新換代、上下午星組網觀測”，靜止氣象衛星實現了“多星觀測、在軌備份、適時加密”的業務模式，氣象衛星遙感應用取得了令人矚目的成就，風云氣象衛星從整體上實現了業務化、系列化的發展，實現了從“試驗應用型”向“業務服務型”轉變的目標。目前，風云三號A/B/C極軌氣象衛星和風云二號D/E/F靜止氣象衛星在軌穩定運行，被世界氣象組織（WMO）納入全球業務應用氣象衛星序列，成為全球綜合地球觀測系統的重要成員。

國家衛星氣象中心自1978年開始接收、處理和存檔各類衛星數據，至今已存檔近5PB（雙份）各類氣象衛星數據，是國內最大的數據中心之一。眾多氣象衛星上搭載的有效載荷覆蓋了從可見光、近紅外、熱紅外、微波波段等光譜段。不同衛星探測器擁有不同的空間和時間探測分辨率，目前常用的氣象衛星數據的空間分辨率最高可達250m，時間分辨率最高可達6min。自主研發和處理生成的大氣和地球表面環境監測多源氣象衛星圖像產品、定量產品和分析產品已達數十種，在日常的業務數據產品中，不僅有各種圖像產品，而且包含有大氣（大氣溫濕廓線、云參數、降水、云導風、氣溶膠、臭氧等）、陸表（地表溫度、植被指數、積雪、土壤濕度、洪澇監測、火情）、海表（海表溫度、海洋水色、海表風速等）等多種產品[1]。多種衛星數據產品的綜合運用，為天氣預報、氣候監測、環境監測、災害監測提供了較為豐富的數據源，為氣象、海洋、農業、林業、水利、航空、航海、環境保護及軍事等部門提供了大量公益性和專業性服務，在防災減災的監測預警服務以及政府決策服務方面收效顯著，取得了良好的社會和經濟效益[2]。

目前，我國已構建起以北京、廣州、烏魯木齊、佳木斯4個國家級地面接收站和瑞典基律納站組成的氣象衛星數據接收網絡，形成了以國家級數據處理和服務中心為主體，以31個省級衛星遙感應用中心和2500多個衛星資料接收利用站組成的全國衛星遙感應用體系；除接收風云系列氣象衛星外，還接收利用美國、日本、歐洲等國家和組織的多顆衛星資料。采用衛星數字視頻廣播（DVB-S2）技術建成的風云氣象衛星數據廣播分發系統CMACast，是全球地球觀測組織（GEO）的全球衛星數據廣播分發體系的三個核心成員之一。目前，CMACast用戶接收站已超過二百多套，極大提升了中國風云氣象衛星的國際影響力。國家衛星氣象中心依托風云氣象衛星地面應用系統工程，構建了氣象衛星數據共享平臺，通過廣播系統、互聯網等方式提供衛星數據共享服務，為國內各部門、各行業用戶提供氣象數據和產品共享服務。

二、氣象衛星數據產品的應用

多年的應用實踐表明，氣象衛星探測與其他觀測相比較，有許多優點。氣象衛星在離地球幾百千米和幾萬千米的宇宙空間對地球大氣進行觀測，可以不受國界和地理條件的限制實現全球的觀測。氣象衛星觀測可以得到每日的可見光、紅外和水汽等多譜段圖像資料、大氣垂直探測資料、微波探測資料、太陽質子和粒子資料。觀測的資料不僅有定性觀測資料，還有定量觀測資料，并且可以實現長期連續觀測。采用多個光譜段，以短的時間間隔測量，能及時掌握云系演變和各種氣象要素，為天氣預報提供重要依據。氣象衛星遙感還可以實現許多常規探測無法進行的觀測，如：輻射、云、氣溶膠、大氣成分、陸面狀況（土壤濕度、植被）、海冰、大地水準面高度、海面風、海表水溫等。這些要素的獲取，在地球和空間環境監測、氣候變化的預測、天氣預報準確率的提高、災害性天氣系統的監測、由天氣事件引發的環境災害監測等方面發揮著重要的作用。

1.在天氣中的應用

高質量數值天氣預報的關鍵是它的觀測基礎。一方面，大量高質量的衛星資料目前可以在全球范圍內作為日常業務可靠地獲得。其中有許多資料是通過國際合作由外國的氣象衛星提供的，風云氣象衛星也向外國同行提供我國的觀測資料。另一方面，過去20年以來的研究工作已經大大改善了衛星資料和數值天氣預報模式耦合的方式。現在，衛星資料已經成為全球數值天氣預報所依賴的最重要的觀測系統。目前，中國氣象局正大力開展衛星資料在數值預報中的應用研究，這是提高天氣預報準確率的重要手段，將衛星探測資料加入到數值預報的三維同化系統中，能顯著提高數值天氣預報的精度和時效。風云二號衛星的一些產品，如衛星導風、水汽晴空輻射等，經過同化試驗后表明有顯著的應用潛力。由于第一代風云極軌氣象衛星只有成像儀器，難以對數值天氣預報提供強有力的支持，因此，我國在發展第二代極軌氣象衛星風云三號時，將紅外和被動微波垂直探測技術作為優先考慮的對象。風云三號衛星大氣探測儀器資料，是數值預報模式直接輻射同化的重要資料源，已陸續應用到業務模式中。

熱帶氣旋是生成于熱帶或副熱帶洋面，具有有組織對流和氣旋性環流的一種非鋒面性渦旋。1970年代以前，全球范圍內單個臺風造成10萬以上人死亡的個例共發生過7次，其中有1次發生在中國和越南。由于海洋是常規氣象觀測的盲區，而地面雷達探測距離有限（最遠為460km），氣象衛星資料具有視野開闊、觀測范圍廣、觀測時次多等優點，因此自20世紀60年代氣象衛星投入業務運行以來，衛星觀測就成為對熱帶氣旋監測最主要的手段，尤其對遠海熱帶的監測，衛星資料幾乎成為熱帶氣旋監測分析的唯一手段。風云氣象衛星已成為臺風觀測最主要的手段。云圖和其他氣象衛星定量觀測資料用于分析和預報臺風的位置、強度和天氣，做到了一個不漏，大大減小了臺風所造成的損失。

中央氣象臺先后建立和完善了基于靜止氣象衛星云圖的臺風強度客觀估計系統和臺風客觀定位系統，并初步建立了基于靜止氣象衛星TBB資料的臺風大風反演算法，極大地提高了我國臺風業務定位定強和臺風大風分布業務分析的客觀定量技術支撐能力，并大大縮小了與國際其他先進業務中心的差距。風云二號靜止氣象衛星高頻次觀測數據的使用使得熱帶氣旋24小時路徑預報誤差2012年為91km，2013年縮少到82km（圖1）。

圖1 熱帶氣旋24小時路徑預報誤差

我國西部，尤其是青藏高原的氣象觀測站極其稀少，長期以來人們很難獲得全面系統的認識。我國的風云系列氣象衛星資料不僅揭示出來自印度洋涌上高原的熱帶云系的發生、發展和演變，以及影響我國西南直至東部地區天氣系統，最重要的是，風云系列氣象衛星探測資料填補了我國青藏高原地區氣象觀測資料的空白。

2.在氣候監測與氣候變化研究中的應用

以衛星遙感為主的空基觀測是近40年發展起來的一項新型探測技術，它具有覆蓋范圍廣、信息量大、重復頻率高、信息源可靠等諸多優勢，是其他任何常規觀測都無法替代的重要信息源。未來10到20年，以遙感手段特別是基于空間的衛星遙感技術將逐步成為主要探測手段，以遙測手段特別是基于地基的遙測系統將作為綜合探測的基準系統。我國大范圍降水和溫度的異常分布與厄爾尼諾、拉尼娜事件為代表的太平洋海表水溫異常，陸地上的植被分布、極地和青藏高原上的積雪分布等大范圍陸地表面狀態異常有關系。氣象衛星提供了這些大范圍海洋和陸地表面狀態異常的信息，為短期氣候預測提供了依據。

研究表明，青藏高原積雪對中國夏季風氣候的影響是顯著的[3]。積雪的增加會明顯減弱亞洲夏季風的強度，使華南的降水減少，江淮流域的降水增多。高原冬季積雪深度的增加，比積雪面積的擴大和春季積雪深度的增加對后期氣候的影響更大。利用長時間序列衛星數據，制作積雪覆蓋監測產品。從多年的積雪覆蓋監測圖中可見（圖2），在我國的東北和青藏高原地區都有明顯的年際變化。

圖2 基于氣象衛星數據的青藏高原積雪覆蓋面積多年變化圖

3.在大氣環境監測中的應用

風云三號氣象衛星建立了我國氣象衛星監測大氣成分的里程碑，在國內首次實現了從衛星遙感監測獲取全球的臭氧總量、臭氧廓線、可見光氣溶膠光學厚度以及紫外氣溶膠指數產品，可以實現對我國以及全球大氣臭氧濃度、氣溶膠污染、霾、沙塵、火山灰以及區域秸稈焚燒煙霾的強度和分布等大氣環境狀況進行實時監測。可為我國環境氣象業務的開展提供衛星定量監測數據。

目前在軌的3顆風云三號氣象衛星具備全球上述大氣環境的探測能力，上下午星組網探測，每天可以對全球實現6次監測。從2013年1月起，每天例行開展我國大氣霾污染的定性和定量監測，為我國的環境氣象業務提供衛星探測的結果，并且利用衛星監測結果和大氣運動軌跡，可以分析大氣霾污染的程度、影響面積及其輸送過程，迄今為國家提供了十多份重要的決策服務報告。2013年8月12日，風云三號B星臭氧產品正式提供給WMO下屬的世界臭氧與紫外線輻射數據中心（WOUDC） ，納入全球臭氧監測數據交換。

我國地處歐亞大陸東部。每年春天，我國北方都會不同程度地受到沙塵天氣的影響。由于沙塵的起源和發生地通常是常規氣象觀測比較薄弱的地區，因而氣象衛星成為監測沙塵的最有力工具。利用風云靜止衛星資料，可以動態監測沙塵的起源、移動路徑以及發生發展過程；利用風云極軌衛星資料，可以定量反演大氣中懸浮沙塵的光學厚度以及載沙量等。

火山灰云是嚴重影響航空飛行安全的因素之一。從長期來看，大規模的火山灰云不僅可造成氣溫、降雨的異常；還可造成大氣污染、臭氧層被破壞，形成酸雨、加劇溫室效應等現象，對全球氣候和環境產生深遠影響。因此，建立全球的火山灰云預警和動態監測業務受到各國政府、科學家和公眾的普遍重視。2010年3月20日晚上11：30左右，在經歷了將近200年的休眠期之后，冰島南部的艾雅法拉冰河火山爆發。隨著火山爆發噴出的大片灰云向南漂移到北大西洋，造成來往北歐至全球的航空交通大癱瘓，數以千計的航班遭遇延誤和停飛，由此帶來的經濟損失高達每天2.5億美元。以風云三號A星為遙感數據源，建立了普適性更強的火山灰云遙感監測動態模型（圖3）。

圖3 基于風云三號A星 STVA指數檢測出的火山灰云（世界時2010-04-19，12：45—12：50）

4.在環境和自然災害監測中的應用

我國是環境和自然災害種類較多、發生頻繁的國家之一，風云系列氣象衛星在洪澇、森林草原火情、沙塵暴、雪災和海冰等監測中發揮了重要作用（圖4）。

利用氣象衛星觀測數據可以清晰地區分地面上的水體和陸地，與背景資料比較，可以監測洪澇。在洪澇災害發生期間，利用風云衛星資料，向國務院、水利部、國家遙感中心和有關省局提供了大量氣象衛星洪澇監測產品，其中包括洪澇地區逐縣水體增量百分比排隊，為災害評估提供了客觀依據。風云衛星還觀測到引黃灌溉水體的范圍，為水利部門管理黃河水資源提供了客觀依據。

利用氣象衛星資料監測全國范圍的火情，可以生成反映火災位置、面積等的火情監測產品和信息，并及時傳報國務院，傳送至林業部防火辦、農業部草原防火指揮部及森林武警等單位。風云衛星在重要火情監測中均發揮了重要作用。極軌衛星的觀測通道多，分辨率高，靜止衛星雖然分辨率略低，但每個小時都可以獲得資料，為林火的實時監測作出了貢獻。利用多年積累的火情發生數據，還可以揭示火險隨季節和地區發生的風險等級，為有關部門科學防范火災提供決策依據。

圖4 利用氣象衛星監測的典型災害

三、氣象衛星數據的共享服務

國家衛星氣象中心依托風云氣象衛星地面應用系統工程，構建了氣象衛星數據共享平臺。自2005年開始，為國內各部門、各行業用戶提供氣象數據和產品共享服務。

隨著風云衛星觀測能力不斷增強，國內外用戶對獲取風云衛星數據的需求大大增長，同時對獲取數據的時效性也提出了越來越高的要求。云計算所具有的服務能力具有分鐘級甚至秒級的伸縮能力及具有較傳統模式5 倍以上的性價比優勢的特點為提高衛星數據服務質量提供了新的途徑。

1.衛星數據共享服務

衛星數據的服務方式主要有：

1）衛星的直接廣播，適用于具有靜止氣象衛星接收處理系統、極軌氣象衛星接收處理系統或EOS/MODIS接收處理系統的用戶。可接收的直接廣播數據有風云二號D/E星的S-VISSR數據和風云三號衛星數據等。通過CMACast衛星廣播系統還為中國及亞太周邊地區（圖5）提供業務實時各類衛星數據和產品。

圖5 CMACast衛星廣播覆蓋區域

2） 基于Internet網絡的數據服務。通過風云衛星遙感數據服務網，用戶可以瀏覽、檢索、下載所有實時和歷史存檔的衛星數據和產品。網站的設計具備基于傳統文件方式的衛星數據檢索下載方式和基于時空一體化的空間數據庫設計的特點，在GIS平臺的支撐下實現了遙感數據空間發布與訂購，實現了全球遙感數據的二維和三維發布的功能。

3） 實時數據的FTP服務。通過國家衛星氣象中心實時數據FTP 服務器登錄的用戶可直接下載最近1～3個月內各類氣象衛星數據和產品。

2．風云衛星數據的國際共享

2003年第十四屆世界氣象大會通過提議，即建立一個通用、綜合的、高效的信息服務平臺——WMO信息系統（WIS），用于支撐WMO各項計劃及其相關中心、國際組織和計劃的數據交換和共享，并為各國的非氣象和水文（NMHS）的用戶（如：防災減災部門和研究機構）提供服務。在WMO各項計劃中，承擔資料和產品生成、加工、處理功能的中心，以及承擔資料存檔服務的中心將成為WIS中的衛星數據接收和處理中心（DCPC）。除資料收集、加工及存檔功能外，DCPC還將提供WIS所支持其他基本功能，例如：元數據目錄、互聯網門戶和數據的訪問管理等。現有的區域專業氣象中心（RSMC）以及區域氣候中心將成為WIS中的DCPC，例如：英國哈德雷研究中心（Hadley Center），非洲氣象應用發展中心（ACMAD），世界數據中心（美國Asheville，俄羅斯Obninsk），歐洲氣象衛星組織（EUMETSAT）和美國國家環境衛星資料信息局（NESDIS）等。在全球范圍內，最終將建立約150個DCPC。國家衛星氣象中心積極參與國際衛星數據交換，在2012年成為WIS的DCPC，為全球用戶提供遵循WMO信息格式規范的風云系列衛星29類數據。

在雙邊合作框架下，與EUMETSAT、 NOAA實現衛星數據共享。為EUMETSAT提供包含 風云二號、風云三號兩大系列衛星的13類數據，為 NOAA提供風云三號數據。

四、結語

中國是自然災害易發國家。根據中國氣象局資料統計, 在各類自然災害中, 氣象災害大約占到70％以上。我國每年重大氣象災害影響的人口大約達4億人次。近半個世紀以來, 發生在我國的重大氣象災害,受災人口常高達數億人次, 造成的直接經濟損失高達數千億元。其中氣象災害占自然災害的71％。由臺風、暴雨、暴雪、干旱、大風、雷電、高溫、沙塵暴等各種氣象災害引發的經濟損失大約占到國民生產總值的1％～3％。因此加強大氣觀測是防災減災的重要手段。

綜上所述，氣象衛星數據不僅在提高短臨天氣預報準確率、改善數值天氣預報精度、長時間序列衛星氣候數據對于氣候事件的監測與評估等氣象領域發揮重要作用，同時也在海洋、水利、農業、林業、交通、環境保護等各領域發揮作用。綜合考慮氣象衛星在各領域的應用，氣象衛星投入與產出比大約為1：40。這意味著氣象衛星在國家防災減災、應對氣候變化等方面發揮著重大的作用。

[1]楊軍,董超華.新一代風云極軌氣象衛星業務產品及應用[M].北京:科學出版社，2011.

[2]楊軍,許健民,董超華.風云氣象衛星40年:國際背景下的發展足跡[J].氣象科技進展,2011（1）:6-13.

[3]朱玉祥,丁一匯.青藏高原積雪對氣候影響的研究進展和問題[J].氣象科技,2007,35（1）:1-8.