風云四號氣象衛星天氣應用平臺及其應用

文 | 咸迪 方翔 賈煦 迎春

1.國家衛星氣象中心 2.內蒙古錫林郭勒盟氣象局

一、引言

風云四號氣象衛星是我國第二代靜止軌道氣象衛星，第一顆風云四號氣象衛星——風云四號A星（FY-4A）于2016年12月11日成功發射，其主要目標是替換我國第一代靜止軌道氣象衛星，在觀測能力和指標上大大超越前一代靜止軌道氣象衛星，同時確保我國能夠在靜止軌道上保持穩定、高效、連續的天氣觀測。風云四號A星配備的多通道掃描成像輻射計（AGRI），可每15分鐘對東半球掃描一次，最快可以每1分鐘生成一次區域觀測圖像。其通道數量為14個，最高空間分辨率達到500m，近紅外波段和紅外波段的分辨率為1000m、2000m和4000m。目前為了保證中國及周邊區域天氣預報的及時性，采用每日40次全圓盤觀測和165次中國及周邊區域觀測的模式，確保除全圓盤觀測之外，可以獲取5分鐘間隔的中國及周邊區域的衛星觀測。從表1可以看出，風云四號氣象衛星多通道掃描成像輻射計在天氣監測方面較風云二號氣象衛星能力有大幅提升。

2017年5月17日，世界氣象組織執行理事會第69次屆會認定中國氣象局為世界氣象中心之一，是目前設在發展中國家的唯一的世界氣象中心。我國的氣象衛星成為世界氣象中心（北京）的重要支撐，為了發揮氣象衛星在全球天氣監測和預報的作用，風云四號科學試驗氣象衛星地面應用系統工程設計之初就確定在應用與示范系統中新建一個面向天氣業務的遙感應用平臺，利用風云四號A星豐富的觀測信息，實現多種資料在天氣分析、環境監測、氣候監測等領域的應用，為國家級、省地市以及國際氣象部門提供風云四號A星產品的應用工具。該平臺自2018年上半年開始建設，并于2019年汛期前正式上線試運行，在全國和部分“一帶一路”沿線國家已經得到應用。

表1 FY-2H可見光紅外自旋掃描輻射儀與FY-4A多通道掃描成像輻射計儀器性能對比

二、風云四號氣象衛星天氣應用平臺設計

風云四號氣象衛星天氣應用平臺（SWAP2.0）是主要面向各類衛星遙感應用用戶開發的一套應用軟件，以風云四號A星的數據為主，功能設計考慮各類用戶使用多源衛星遙感數據的需求，采用“云+端”和開放共享的設計理念，將遙感應用平臺建設成一個集多源異構遙感數據處理、管理、遙感產品生成以及多種可視化手段為一體的“智慧遙感”平臺，同時兼具先進的數據動態遷移、跨平臺應用以及大數據應用等先進技術的遙感應用平臺。

1.平臺用戶

1）國家級氣象用戶：包括國家氣象中心、國家氣候中心、國家氣象信息中心、公共服務中心以及其他中國氣象局直屬事業單位中的業務用戶，主要支持國家級氣象部門的遙感應用；

2）省市縣級氣象用戶：包括各省、市、縣氣象部門，以及港、澳、臺的氣象部門；

3）決策部門用戶：包括國務院等決策部門；

4）行業用戶：包括水利、航空、航天、農、林、牧、漁等行業，以及部分專線用戶；

5）公眾用戶：包括通過互聯網、APP、微信等途徑獲取遙感應用服務的社會公眾、企事業單位、科研人員等；

6）國際用戶：包括“一帶一路”沿線國家在內的來自世界各地的氣象部門、科研人員以及其他用戶。

2.平臺主要功能和特點

（1）以靜止衛星為主，面向天氣應用

該平臺以我國風云靜止氣象衛星為主要數據源，包括風云四號A星和風云二號H星（FY-2H）。通過建立衛星概念模型，實現對日常典型大尺度天氣系統的綜合監測和解譯，為日常天氣分析及短期天氣預報提供服務，幫助預報員提高對云系、云類的識別和云圖的整體認識，提高新一代靜止氣象衛星資料在天氣分析中的應用水平。為用戶提供基于B/S、移動平臺、客戶端等多種客戶端的遙感應用分析平臺，主要包括對流云團、臺風、霧霾、海霧、沙塵天氣、熱源點、藍藻、湖泊和海洋環境的監測和跟蹤，同時可以實現基于多源衛星遙感產品的數據疊加（包括常規氣象數據、高空資料、雷達資料等）。

（2）實現插件化天氣應用調度和管理

建立遙感應用插件基礎平臺，設計遙感應用算法和小程序的插件標準，實現已有各種遙感應用算法的插件化，實現各類插件的自動化、流程化調度，實現遙感應用插件的便捷配置，為專業用戶提供在線的遙感應用插件的云開發平臺和插件集、算法集的交易平臺。

（3）采用“云+端”架構，實現衛星天氣交互應用

利用公有云和私有云，構建風云四號氣象衛星應用產品混合云架構，支撐衛星直收站、中國氣象局衛星數據廣播系統（CMACast）、網站下載等多源氣象衛星數據應用，實現面向PC、平板電腦、移動終端、微信等多種客戶端的衛星應用產品發布和交互應用（圖1）。

圖1 風云四號氣象衛星天氣應用平臺“云+端”架構

（4）面向“一帶一路”用戶，實現多語言版本發布

為了實現風云四號氣象衛星等靜止氣象衛星數據和產品在衛星覆蓋國家應用，衛星天氣應用平臺設計時除了中文版之外，也設計了英文版和俄文版兩個主要外語版本。其中，俄語版主要考慮到上海合作組織相關國家氣象部門人員以俄語為主，同時風云四號氣象衛星可以很好地覆蓋以上國家，并提供高時間頻率的區域觀測數據和產品。

3.平臺主要版本

目前風云四號氣象衛星天氣應用平臺（SWAP2.0）已經實現了2個主要版本，即單機版和網絡版。

（1）單機版SWAP2.0

單機版風云四號氣象衛星天氣應用平臺（圖2）主要面向已安裝衛星直收站和CMACast數據接收站的用戶，以及配備氣象衛星數據資源池的用戶，可以實現直收數據自動配置和處理，按照用戶需求定制化生成衛星圖像。同時，單機版還提供了較強大的衛星天氣分析功能，實現對日常典型中大尺度天氣系統的綜合監測和解譯，提高新一代靜止氣象衛星資料在天氣分析中的應用水平。

（2）網絡版SWAP2.0

網絡版風云四號氣象衛星天氣應用平臺（圖3）主要面向廣大科研用戶和公眾用戶，目前該平臺已經通過國家衛星氣象中心網站（http://rsapp.nsmc.org.cn/geofy）發布。高時效是該平臺的主要特點，風云四號A星完成全圓盤觀測或者中國及周邊區域觀測后10分鐘之內，用戶就可以在網站查看最新時次的影像。目前已經發布的衛星產品包括風云四號A星14個通道的黑白云圖、十多種RGB合成圖，以及十多種衛星產品。除了風云四號A星的數據和產品，風云二號H星的產品也通過該平臺進行發布，可以覆蓋大多數“一帶一路”沿線國家。

三、風云四號氣象衛星天氣應用平臺主要應用

風云四號氣象衛星天氣應用平臺主要應用于天氣分析、環境監測以及重大服務保障等領域。

1.天氣應用

利用該平臺可以對臺風、暴雨強對流、沙塵暴、大霧等天氣事件進行實時監測。針對臺風監測，該平臺可以從定強、定位、降水、大風、環境場特征等方面實現全方位臺風（熱帶氣旋）動態監測，充分發揮新一代靜止氣象衛星具有的高頻次、高空間分辨率和多光譜等優勢，提高衛星資料在臺風業務的服務支撐水平和應用能力。針對暴雨強對流等災害天氣，該平臺可實現對中尺度對流系統發生、發展和演變過程的監測分析，并對中尺度對流系統的初生進行預警，為短時臨近預報提供衛星遙感監測分析結果，利用過去的衛星云圖數據可以反演生成未來3小時之內的衛星預報云圖，為天氣分析和臨近預報提供服務。

2.環境監測

風云四號A星多通道掃描成像輻射計的中波紅外通道對地表發生的火點等熱源點具有較強的敏感性，可以反演出地表的火點信息。該平臺利用風云四號衛星火點反演產品，可以實現對發生在森林、草原等地區的火點進行高頻次觀測。根據目前衛星的觀測模式，可以對中國及周邊區域的火點進行5分鐘間隔的連續監測。圖4為風云四號A星監測到2019年11月9日發生在澳大利亞東南部的森林大火分布及其煙霧擴散情況。

圖2 單機版風云四號氣象衛星天氣應用平臺界面

圖3 網絡版風云四號氣象衛星天氣應用平臺界面

圖4 風云四號氣象衛星天氣應用平臺監測澳大利亞森林大火分布情況

四、結論與展望

風云四號氣象衛星天氣應用平臺第一次采用“云+端”架構，將高時效數據處理和可視化、氣象衛星天氣分析以及臺風綜合數據庫有機結合，形成了一個基于新一代靜止氣象衛星的應用平臺。

目前，該平臺已在國內外推廣應用。其中，我國的國家級氣象部門、省級氣象部門以及市縣級氣象部門根據自身數據接收和獲取條件分別安裝了單機版和網絡版SWAP2.0；國際用戶中部分安裝CMACast接收設備的國家氣象局已經在業務平臺安裝了單機版SWAP2.0，其他相關國家通過中國氣象局組織的技術培訓，已經在業務中使用網絡版SWAP2.0，目前已經有超過40個國家的用戶使用該平臺。

在風云四號氣象衛星地面應用系統工程的建設中，風云四號氣象衛星天氣應用平臺仍然作為主推的衛星天氣應用業務平臺進行不斷的完善和提升，尤其是加大基于公有云的衛星應用插件式應用，使用戶有機會通過公有云平臺將自身業務與風云四號衛星數據有機結合，為用戶提供更加個性化、可定制的衛星天氣應用平臺，不斷擴展風云四號氣象衛星的應用領域，提高風云衛星的社會效益和經濟效益。