風廓線雷達資料在福建省氣象局的業務應用現狀與展望*

曾瑾瑜 汪學淵 潘 寧

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風廓線雷達資料在福建省氣象局的業務應用現狀與展望*

曾瑾瑜1汪學淵2潘 寧1

1. 福建省氣象臺 2.福建省大氣探測技術保障中心

簡要總結了近年來風廓線雷達探測資料在福建省氣象局的業務應用情況。風廓線雷達數據質量控制技術的研究提升了風場數據的可靠性和準確性，拓展了風場數據的應用范圍，但仍有改進的空間。風廓線雷達為實時監測、分析天氣系統尤其是中小尺度天氣系統的發生、發展提供了可能，為提高日常的強對流和臺風預報預警準確率提供了技術支撐，同時也對福建省新型風場資料在預報上的應用起引領和示范作用。在今后的研究中應結合其他觀測資料進行綜合分析，開展不同類型天氣的關鍵機制應用。其資料直接或二次開發后應用到天氣監測、個例分析中，有利于加強預報員對中小尺度天氣系統物理機制的進一步認識和理解，提高短時臨近預報水平。風廓線雷達組網資料用于數值模式資料同化中，亦能有效改進模式效果，目前在福建省已開始業務運行，將在今后的批量觀測系統試驗中不斷完善。

風廓線雷達 福建 質量控制 組網 強對流 臺風 資料同化

風廓線雷達作為新一代高空探測遙感設備，可以做到無人值守來進行連續的觀測，并且與常規的探測方法相比，風廓線雷達所提供的探測資料具有種類多、分辨率高等特點。風廓線雷達突出的探測方法和探測資料的特點決定了風廓線雷達的廣泛用途，在氣象、軍事、航空、航天及全球變化研究等多個領域有廣泛的應用前景。

我國對風廓線雷達的應用研究始于20世紀80年代，目前探測數據的質量和時空分辨率都有了較大提高。《我國高空探測系統發展規劃（1996—2010）》提出“逐步發展風廓線雷達和GPS探測系統”，“在中尺度天氣監測預報服務基地優先布設風廓線雷達，風廓線雷達宜安插在常規探空測站之間或天氣變化的敏感區；風廓線雷達站間距以200～250km為宜，建立風廓線雷達探測網”。截至2016年年底，我國業務上投入使用的有83部風廓線雷達，目前中國氣象局規劃到2025年將組建一個覆蓋我國全境的225部風廓線雷達網[1]。

圖1 福建省氣象局現有風廓線雷達布局圖

未來3年，福建省的風廓線雷達數量將達到20部，為了使風廓線雷達資料能夠更好地為預報服務，充分挖掘高時空分辨率風廓線雷達資料的應用價值，福建省氣象局開展了風廓線雷達關鍵技術攻關以及災害性天氣預報預警應用工作，取得了創新性的成果，項目成果的應用將進一步加強對災害性天氣發生原因的科學認識，提升災害性天氣臨近預報預警技術，減少強對流和臺風等災害性天氣對福建省造成的重大經濟損失。通過近七年的研究應用，風廓線雷達資料已經逐漸成為福建省氣象局預報員嚴密監測天氣、做好短時臨近預報及天氣個例總結中必不可少的觀測資料之一。本文旨在系統性歸納和總結福建省氣象局近年來基于風廓線雷達資料所開展的相關業務研究和應用情況，以期為風廓線雷達的業務應用提供更好的參考和借鑒。

1 風廓線雷達在福建省氣象局的業務應用情況

1.1 風廓線雷達數據質量控制技術研究

風廓線雷達容易受天氣環境變化的影響，導致風場數據的可靠性不穩定，如有降水出現時，受雨滴下降末速度的影響，風廓線雷達不能直接得到大氣的真實風在垂直方向上隨時間的演變；風廓線雷達資料易受雷達附近的建筑物、樹木等地物，以及飛機、鳥類等飛行物體等因素的影響，應用中有待從資料處理技術上加以完善和改進。風廓線雷達數據的質量控制是當前風廓線雷達應用研究的熱點和難點，目前國內對這方面開展的工作相對較少。

1.1.1風廓線雷達資料的可用性和一致性研究

前人工作從不同角度論證了風廓線雷達資料的可用性和一致性，但僅局限于定性分析，對風廓線雷達與常規探空雷達數據對比定量分析相對較少。汪學淵等[2]利用2012年2～5月在福建邵武探空站開展的風廓線雷達與常規探空雷達對比觀測試驗，定量分析了風廓線雷達探測期間的數據獲取率、風廓線雷達自身數據的準確性、風廓線雷達和探空雷達數據的一致性。通過數據評估，確立了風廓線雷達自身數據的準確性良好，但是降雨對數據的準確性影響比較大；風廓線雷達與探空雷達總體數據一致性對比良好，說明風廓線雷達監測大氣風場的有效性。為了使風廓線雷達和探空雷達資料能夠更好地比對，對比試驗應該選擇比較平穩的天氣過程，這是風廓線雷達需要改進的地方。

上述試驗研究是在風廓線雷達與探空站位于同一地點的前提條件下進行的，主要目的是為了驗證風廓線儀器自身的性能和比較不同探測方法的結果有何差異。現階段更常見的情況是風廓線雷達與探空站、多普勒雷達站位于不同的地點，在假設風廓線雷達探測風場有相當可信度的前提下，有必要考察風廓線雷達所代表風場信息的范圍，來確定未來風廓線雷達布網的密度。為此，陳齊川[3]通過與探空數據、多普勒雷達反演風場、近距離風廓線雷達間的對比發現，風廓線雷達的一致性和代表性在不同的時間、不同降水系統，不同的時間間隔下是有區別的，距離越遠，差異越大。時間間隔長時（時間分辨率低），前汛期期間風廓線200km以內一致性和代表性都較一致，其它時間200km和100km風場就有明顯的差異。因此，在前汛期運用現有的風廓線雷達，結合探空、多普勒雷達反演的風場來分析風場的宏觀變化是足夠的。但對于分析局地的暴雨、強對流過程，甚至是普通穩定性降水過程，雖然風廓線雷達的時間分辨率高，但其細微變化只能反映其周圍有限距離內風場的變化規律，這主要是由于其時間分辨率遠大于站點布設的空間分辨率。

1.1.2風廓線雷達高低模式拼接技術和基于Gabor變換間歇性雜波抑制技術

數據獲取率和信噪比是反映風廓線雷達探測性能的重要指標。汪學淵等[4]開展風廓線雷達高低模式拼接技術的研究，通過對2012 年全年的風廓線數據進行統計分析，確定邊界層風廓線雷達低模和高模的最佳拼接高度以0.6km為宜，以改善風廓線雷達風場產品的數據質量。而通過信噪比指標的統計分析，總結出信噪比在有無降雨情況下不同的變化規律。在零度層的高度信噪比突然增大來判定零度層高度，對人影作業具有一定的參考價值。

對風廓線雷達的數據進行濾波是另一種提高風廓線雷達數據質量的方式。國內氣象部門在雜波抑制方面的工作很少，使得國內的風廓線雷達數據質量相對較低。范能柱在2013年福建省氣象局青年科技專項項目“風廓線雷達數據質量控制及業務應用”中利用現代信號處理方法(小波變換、Gabor變換、時頻分析等)來抑制風廓線雷達間歇性雜波，通過對比分析發現，Gabor變換在處理間歇性雜波抑制優于其他信號處理方法，確立了Gabor變換在風廓線雷達雜波抑制技術的應用，提升了風廓線雷達風場產品數據質量。

1.2 風廓線雷達產品的二次開發及業務應用

1.2.1風廓線雷達降雨反射率反演及驗證技術研究

L波段風廓線雷達不僅能測高空風場，在降雨天氣下還能測雨，為了充分利用風廓線雷達垂直方向上高分辨率觀測特性，獲取風廓線雷達上空垂直降雨結構，汪學淵等[5]開展了風廓線雷達降雨反射率二次產品的開發，推導了適用于風廓線雷達的氣象雷達方程，調校了氣象雷達方程參數以適用于風廓線雷達，在國內首次開展了雨滴譜儀與風廓線雷達降雨反射率對比試驗，優化了兩種不同探測設備對比的時空差異，驗證了風廓線雷達降雨反射率產品的準確性和可靠性，廣泛應用于降雨垂直結構研究。

1.2.2組網風廓線資料的二次開發及業務應用

單部風廓線雷達反演出來的直接產品如大氣風場的垂直分布（圖2），對于中小尺度天氣系統物理結構的認識起著非常重要的作用，但單部風廓線雷達的觀測產品只能從一個點的垂直風場結構反映具有四維特征的天氣系統物理結構的演變特征，這顯然是不夠的。3部及以上的風廓線雷達可以組成一個小型區域觀測網，通過組網資料能夠揭示大氣風場的多層垂直結構，了解天氣影響系統所在的高度和強度。

范能柱通過風廓線雷達、天氣雷達和探空雷達風場組網技術的研究，建立了多源觀測風場資料組網應用平臺。為了最大化綜合利用風場資源，將全國風廓線雷達處理成標準層（300、400、500、700、850、925hPa）風場產品，同時可以與多普勒天氣雷達風廓線產品和探空風場信息組網顯示，可在福建省氣象業務平臺和Micaps預報軟件上供全省預報員查看（圖3），于2014年投入業務使用，廣泛應用于福建天氣預報業務中，為預報員應用風廓線雷達產品實時分析天氣提供很好的幫助。特別在廈門金磚會晤氣象預報服務中（圖4），該應用平臺的使用為“瑪娃”臺風和強對流天氣的預報預警服務提供了一定依據，發揮了重要作用。

圖2 風廓線雷達顯示相互平臺

圖3 2017年9月30日850hPa風廓線雷達、天氣雷達和探空風場組網顯示

圖4 2017年9月3～5日金磚會晤期間廈門單站風廓線和強對流預報時序圖

1.3 風廓線雷達資料在強對流和暴雨天氣預報預警中的應用研究

風廓線雷達產品業務應用最多的是風廓線雷達水平風廓線資料，大氣水平風場垂直廓線資料可以方便、直觀地指示高空槽和氣旋配合過境的情況，分析大氣冷暖平流、風的垂直切變、中低空急流的強弱以及冷暖空氣交匯的空間結構等，為天氣過程及環境場的精細分析提供了可行性。在福建省布設風廓線雷達站伊始，曾瑾瑜等[6]就利用風廓線雷達資料對福建省永安一次強對流天氣進行詳細分析，針對冰雹、雷暴大風、短時強降水三類強對流天氣分別對應的風廓線雷達水平風場演變特征分析三種災害性天氣形成的物理機制，由此總結出本類天氣的預報信息或臨近預警指標，對強對流天氣的臨近預報和預警具有比較實用的價值，為預報員應用風廓線雷達資料提供了有力的參考。張桂榮等[7]通過分析建甌2015年首個暴雨過程，發現風廓線雷達資料能較好地監測天氣系統的演變特別是低空急流的脈動，發現低空急流到達本站不一定立即引發強降水，低空急流的脈動與降水強度的變化有較好的對應關系。黃園園等[8]對福建省2015年7月19～24日大暴雨過程中低空急流與強降水的關系進行了分析，不僅得出對流層存在的中尺度現象及低空急流的脈動與強降水發生過程在時間上的配合，而且通過對低空急流指數的定義，得出低空急流指數的增大與降水的增強有較好的對應關系，且往往比降水的增強提前1～2h左右，可為短時強降水的預報提供參考。

風廓線雷達的垂直風資料可反映出降水的開始、結束，而垂直速度大小隨高度的波動，以及波動發展的高度反映了大氣中垂直熱交換的程度，從而也是判斷對流發展強度的一個重要方法。在本省的研究中[6-7]，大于4m/s或小于-4m/s的垂直速度反映了降水天氣的開始和結束，可以認為垂直速度的絕對值越大，降水越強。

由于強天氣時段常出現水平和垂直風向風速產品缺測，可借助于功率譜數據作進一步分析。曾瑾瑜等[6]研究表明，降水期間功率譜密度出現雙峰譜甚至多峰譜，而降雹時間段波束圖出現了速度模糊，證明強對流系統通過測站。功率譜數據對天氣發展趨勢提供可靠的指示作用。

目前風廓線雷達資料在福建省強對流和暴雨天氣中的應用研究主要以個例分析為主，系統性的分析研究極少。沈永生[9]以風廓線雷達資料為研究對象，結合常規天氣圖及自動站資料，對近幾年短時強降水、雷暴大風、冰雹等強對流天氣個例進行系統分析研究，尋找不同天氣形勢下各類強對流天氣的風廓線參數表現特征，歸納凝練了閩西北地區冰雹、大風、短時強降水等各類強對流天氣風廓線特征指標，建立概念模型。其研究成果在福建省強對流天氣預報服務中廣泛應用，為強對流天氣的臨近預報預警提供參考判據，特別是在廈門金磚會晤氣象保障服務中發揮了重要作用。

表1 2011年10月～2014年3月三明市強對流天氣風廓線雷達特征統計

1.4 風廓線雷達資料對臺風內部垂直結構觀測應用研究

目前，國內在利用風廓線雷達在臺風登陸點實時監測臺風內部風場結構的應用研究還比較少，福建省氣象局開展了多次臺風登陸點風廓線雷達應急觀測試驗，實時觀測數據分析揭示了臺風內部垂直風場和降雨結構演變規律，確立了風廓線雷達在監測臺風垂直風場結構的優越性。

1.4.1多產品、多角度、系統性地分析了臺風登陸時風場和降雨的垂直結構

“蘇拉”臺風影響福建期間，移動風廓線雷達被拉到登陸點附近，獲得了“蘇拉”登陸前后的風廓線資料。汪學淵等[10]根據風廓線雷達資料對臺風登陸期間有效數據獲取率進行統計分析，得出臺風登陸期間的有效探測高度為4.8km，登陸期間風廓線雷達的探測能力明顯增強。利用風廓線雷達提供的多種垂直探測資料，從信噪比、垂直速度、水平風速等數據多種角度綜合分析了臺風登陸風場變化過程。結果表明，臺風眼過境時，風向由偏北風逐漸轉變為偏南風，并且風向變化是從高空向下傳導。對臺風風場結構的觀測，將對其發展演變和對其路徑、風雨影響等預報提供強大支撐。

理想中的臺風結構其上下層氣旋環流一般是垂直的，但實際上有相當一部分臺風中心垂方向軸線是傾斜的[11]，過去由于觀測設備的限制，容易被忽略。劉愛鳴等[12]通過風廓線等相關資料分析，揭示了“蘇拉”臺風登陸福建前垂直結構發生南傾的事實（圖5），并從分析臺風環流結構變化著手，研究這種特殊暴雨落區的成因；同時還分析了和“蘇拉”相似路徑臺風的個例，給出登陸閩北浙南西行臺風垂直結構發生南傾的環流特征，為今后這類臺風暴雨的落區預報提供參考依據，提高臺風暴雨的預報能力。在實際臺風暴雨落區預報中，特別要加強臺風垂直結構變化的分析，尤其是低空西南氣流不強時，對高空環流形勢、環境風場資料、渦度場以及風廓線雷達資料的分析，有助于判別臺風渦旋中心垂直軸線是否向南傾斜。

圖5 2012年8月3日福建霞浦站上空風場廓線演變

a——風向風速（m/s） b——8月3日7:30風向方位

1.4.2通過多源觀測資料在臺風登陸期間風場變化的對比，確立了各種探測設備觀測風速的一致性，以及風廓線雷達在監測臺風的優越性

汪學淵等[13]通過多源觀測資料在超強臺風“蘇力”登陸期間風場變化的對比，確立了各種探測設備觀測風速的一致性，以及風廓線雷達在監測臺風的優越性。雷達在觀測臺風眼結構時，風向轉變是由高空向地面傳導，預測了臺風眼近似“C”型結構，同時比其他探測設備能夠提前對臺風風向變化的預報預警。對于沿海一帶臺風易登陸地帶，宜進行加密布局以便更好地獲得臺風結構和臺風預警，為風廓線雷達的建設提供參考。

1.4.3組網風廓線資料對預報降水落區和強度有一定提前量

任賽賽等[14]通過850hPa和700hPa風廓線雷達水平風資料來分析“尼伯特”臺風暴雨，發現風廓線雷達可以判斷系統的移動、強度和過境時間，對預報降水落區和強度有一定提前量。

1.5 風廓線雷達資料在數值同化中的應用

風廓線雷達資料除了在常規天氣預報有重要使用價值外，更為關鍵的應用是在數值預報模式中的同化。其為數值模式提供的高空風資料量明顯增多，能夠影響中尺度同化和預報系統的結果，總體上可以改善短期預報水平。

國外在業務風廓線雷達網建成之前進行的觀測系統模擬試驗（OSSEs）和之后的觀測系統試驗（OSEs）結果表明，無論是模擬的還是實際的組網風廓線雷達資料，其同化對模式預報的影響評價都是正面的[15-16]，同化組網風廓線雷達資料能揭示常規探空觀測不易分辨的天氣系統特征[17]，或者提高模式對天氣系統尤其是中尺度系統的預報性能[18]。根據OSEs的評估結果，國外主要全球數值預報業務系統（如ECMWF、JMA、NCEP和CMC）先后實現了風廓線雷達資料在模式中的業務同化，結果表明，該數據的同化應用對模式預報性能的提高有正面影響。

國內雖然較早就注意到風廓線雷達資料在數值模式中的應用價值，進行了風廓線雷達布網的數值研究[19]，以及單點風廓線雷達資料同化的初步應用[20]，但是針對我國組網風廓線雷達資料的同化研究極少[21]，尚未實現組網風廓線雷達資料在業務數值模式中的業務同化。

為了探討組網風廓線雷達資料同化對業務區域數值預報系統的作用，潘寧針對組網風廓線雷達水平風反演資料，開展有無同化該反演資料的對比試驗，進行觀測影響預報的評估[22]，分別應用福建省業務區域數值預報模式系統（FJ-WRF）和快速更新同化預報系統（FJ-RUC），設計有無同化組網風廓線雷達水平風觀測的兩組分析預報對比試驗方案，并將試驗方案用于2014 年7 月4 日干對流為主和13～14 日混合性強對流兩個強對流過程的個例研究，通過對比試驗分析場和預報場的差異、相對全球模式分析場和探空及風廓線雷達觀測的誤差檢驗，以及與全球模式分析場和地面區域自動站觀測的對比，評估同化組網風廓線雷達水平風資料對模式分析及預報的影響。研究表明，同化組網風廓線雷達水平風觀測后，主要影響了各層水平風的分析，FJ-RUC 暖啟動低層的溫度和比濕分析在小范圍內也受到較明顯的影響；分析場變化能明顯影響模式各層風場預報、低層及邊界層的溫度和比濕預報（圖6）；就模式預報層平均絕對偏差和均方根誤差兩種誤差檢驗而言，同化組網風廓線雷達水平風對FJ-RUC 模式預報以正面影響為主，對FJ-WRF 模式預報以負面影響為主。

圖6 第1 組對比試驗2014 年7 月14 日06 時700hPa（上排）和850hPa（下排）12 小時預報之差

a1,a2——溫度；b1,b2——比濕；c1,c2——水平風U 分量；d1,d2——水平風V 分量

個例研究顯示，快速更新循環（RUC）是福建省業務模式系統應用組網風廓線雷達資料的可行方案，在此基礎上，經過幾年的努力，目前福建省氣象臺在“福建快速更新同化預報系統”（FJ-RUC）中已經實現了風廓線雷達資料的同化，并業務化運行。在運行的同時，潘寧設計了有無同化風廓線雷達資料的控制試驗和對比試驗，于2016年4～5月開展批量試驗（圖7），對同化效果進行評估。結果表明（圖8），對于中低層風場（水平風u，v分量）、溫度和比濕預報，在各個預報時效內，同化風廓線雷達資料的平均絕對誤差和均方根誤差均小于未同化風廓線雷達資料，可見增加風廓線雷達資料同化對這幾類要素預報具有較明顯的正作用。

圖7 同化的探測資料分布

圖8 觀測影響預報評估

（預報時效為24小時的平均絕對預報誤差對比）

2 存在問題和未來展望

隨著科技的進步，新型高空風場探測設備風廓線雷達資料的初步應用，大大豐富了氣象資料，提升了福建省的預報水平。但在各方面的研究應用尚處于起步階段，在復雜的天氣形勢下仍需要不斷的探索。

風場資料數據質量控制的好壞直接影響數據的應用，但是目前還沒有建立完善的數據質量控制體系，在雜波干擾、誤差大的數據剔除以及在降雨干擾風場數據的可靠性等方面還有很大的改進空間，尤其對于在非均勻性降水對風廓線雷達測風質量的影響需要加大研究。

風廓線雷達低模式降雨反射率的反演為風廓線雷達在探測降雨垂直結構中奠定了基礎，為了拓展其應用范圍，需要對風廓線雷達高模式降雨反射率反演及驗證和降雨反射率高低模式的拼接技術進行研究，完善垂直探測高空降雨反射率結構。

風廓線資料在天氣預報方面的應用，主要有以下問題：

（1）結合其它觀測資料的綜合分析不夠，試圖僅用風廓線資料來解釋所有問題；風廓線雷達提供風廓線數據拓寬了對高空風場的了解，各觀測設備的風場數據之間的聯系還需要進一步探索和研究，同時為數據之間的相互驗證提供合理的方法是今后應該進一步開展的工作。

（2）針對不同類型天氣的關鍵機制的應用還不夠。

在強對流天氣的應用方面，風廓線雷達站出現強降水或雷雨大風等強天氣時段內，數據出現大面積缺測，奇異點多；有降水的時候（即使是弱降水），垂直速度受到雨滴影響；產品過于單調，還需進一步開發能用于監測預報中小尺度天氣系統的產品；測站出現強對流天氣的個例明顯偏少，受其制約，僅針對強對流風廓線雷達進行特征分析，總結的指標具有一定的局限性，檢驗效果如何需待今后的實踐檢驗并進一步完善。

在臺風天氣的應用方面，觀測臺風風場結構將對其發展演變研究、路徑、強度、風雨影響等業務預報提供強大支撐，在福建省，建議建立間隔在50～100km左右的沿海對流層風廓線觀測網，以探測近海熱帶氣旋的結構特征，可保證在熱帶氣旋登陸時至少有3～5部風廓線儀同時觀測。另外，福建沿海地區地形導致的對流和強降水的密集帶，也需要更多的觀測來支撐，同時，該地區還將對我國東海海域、臺灣海峽的海洋氣象觀測提供支撐，氣象業務需要和國家戰略意義重大。

在數值模式資料同化應用方面，目前省臺的預報影響評估還不夠全面，“是否同化風廓線雷達資料”“采用何種方案實現風廓線雷達在業務數值模式的同化”等問題的解決，需要基于大量的模式預報影響評估工作，國際上通用的做法是進行批量觀測系統試驗（OSEs）。而采用的同化方案尚有許多可以改進之處，比如風廓線雷達資料的質量控制、垂直稀疏化、觀測誤差，以及同化窗、同化瞬時還是平均資料、更新循環方案、混合同化方法，都需要進一步研究。在有限個例的研究中，同化風廓線雷達資料未能改善降水等地面要素預報，說明模式的其他方面如物理過程也需要高度重視。

3 結論

福建省是我國受臺風和強對流天氣災害最嚴重的省份之一，臺風和強對流預報一直是福建省防災減災工作重點。新型設備風廓線雷達資料在福建省災害性天氣以及關鍵技術的應用進一步提高了福建省臺風和強對流天氣預報預警水平。

本文簡要總結了近年來風廓線雷達在福建省氣象局的業務應用情況。風廓線雷達數據質量控制技術的研究提升了風場數據的可靠性和準確性，拓展了風場數據的應用范圍，但仍有改進的空間。

風廓線雷達為實時監測、分析天氣系統尤其是中小尺度天氣系統的發生、發展物理空間特征提供了可能，有利于加強預報員對中小尺度天氣系統物理機制的進一步認識和理解，提高短時臨近預報水平；為日常的臺風和強對流預報預警準確率提高提供了技術支撐，同時也為福建省新型風場資料在預報上的應用起到引領和示范作用。在今后的研究中應結合其他觀測資料進行綜合分析，開展不同類型天氣的關鍵機制應用。

目前的各種分析大部分基于單部風廓線雷達資料，隨著風廓線站網布局的不斷完善，通過組網資料（3部及以上）能夠揭示大氣風場的多層垂直結構，了解天氣影響系統所在的高度和強度，計算該區域內的各種物理量，對于認識強天氣發生發展的物理機制有重要意義。風廓線雷達組網資料用于數值模式資料同化中，亦能有效改進模式效果，目前在福建省已開始業務運行，在今后的批量觀測系統試驗中將不斷完善。

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公益性行業（氣象）科研專項 “風云三號晨昏軌道衛星資料處理和應用關鍵技術研究” （GYHY201506022）資助。