風云氣象衛星在汛期防災減災中的應用

文 | 咸迪 任素玲 邵佳麗 張元元 張海真 單天蟬 高浩國家衛星氣象中心

一、概述

近年來，氣候變化導致的氣象災害給人類生命財產安全造成了巨大損失，防災減災已成為各國政府特別關注的一項重要任務。從我國主要自然災害的變化趨勢來看，20世紀60年代以來我國極端強降水的時間逐年增多，僅2018年日降水量突破歷史極值的測站就達到68個，持續和超強的降水帶來的山洪、泥石流以及江河湖泊水位上漲等災害造成巨大影響；20世紀90年代以來我國極端高溫事件增多，并呈現出明顯的年際變化特征，2018年突破歷史極值的測站達到57個；同時，影響我國的西北太平洋臺風活動雖然呈現逐年減少，但登陸我國的臺風比例呈增加趨勢，并且超強臺風給沿海地區造成的經濟損失也逐年上升，其中2019年“利奇馬”臺風造成的直接經濟損失達537.2億元。以上這些自然災害主要發生在我國的伏汛期間，一般為每年5-10月，其中主汛期為6-9月。

我國風云氣象衛星經過近50年的發展，已經成功發射17顆衛星，實現了地球靜止軌道和極地軌道兩個類型衛星從試驗走向業務，從面向國內服務走向國際服務，逐步實現了我國自主研制氣象衛星對國際氣象衛星的替換。我國風云氣象衛星數據和產品已經被廣泛地應用于天氣、氣候、環境等近百個行業中。目前，我國風云氣象衛星共有7顆衛星在軌，包括3顆極軌氣象衛星（FY－3B、FY－3C和FY－3D)和4顆靜止軌道氣象衛星（FY－2H、FY－2G、FY－4A和FY－2F)。極軌氣象衛星每日可以實現對全球的中分辨率光學成像、微波探測以及多光譜探測，靜止軌道氣象衛星每日可以實現對同一地點的高時間分辨率的觀測，其中FY－4A可實現對中國及周邊區域最高5分鐘頻次的觀測。由于風云氣象衛星的觀測特點，其衛星數據、產品和應用平臺在汛期天氣預報、熱帶氣旋、暴雨、洪澇以及應急監測中發揮了重要作用。

二、風云氣象衛星主要汛期服務及應用

1.天氣預報

氣象衛星數據的高時空分辨率、多光譜以及穩定均勻等特性，能夠有效解決數值天氣預報所需的氣象觀測數據不足的問題。中國氣象局致力于將氣象衛星數據應用于天氣預報，尤其是數值天氣預報中。風云氣象衛星數據已經同化到中國氣象局GRAPES系統中，其中FY－4A水汽通道云導風資料的同化可以改善強降水落區和強對流預報。此外，自20世紀90年代開始，歐洲氣象中心（ECMWF）在數值預報中逐步引入衛星遙感數據，到2018年其數值預報系統中同化的衛星遙感數據已經包含30顆衛星、超過90種數據和1000多種參數，其中就包括FY－3衛星數據和產品。目前，包括FY－3D、FY－4A在內的多顆衛星數據正在進行試驗驗證，其中，同化后的FY－3D微波載荷在英國氣象局數值預報系統中起到正效應，能夠降低0.1%的全球天氣預報誤差。

2.熱帶氣旋監測

相比地面測站，氣象衛星具有觀測范圍廣、頻率高等特點，尤其在熱帶氣旋的監測上，氣象衛星的優勢尤其明顯。FY－4A成像儀的最高觀測頻率可以達到5分鐘，通過衛星直收站、專線網絡和互聯網等途徑，向中央氣象臺等用戶提供高時效的服務。2019年8月，短短兩周時間內連續4個熱帶氣旋在西北太平洋生成，其中9號臺風“利奇馬”發展成為超強臺風，給我國東部沿海地區造成了嚴重影響。圖1為“利奇馬”臺風FY－4A真彩色合成圖，衛星數據的應用幫助中央氣象臺更快、更精確地定位熱帶氣旋的移動位置以及大風圈的信息，同時也使熱帶氣旋預報的準確性大幅度提升。

圖1 “利奇馬”臺風FY-4A真彩色合成圖（2019年8月8日12:00）

FY－4A上所攜帶的干涉式大氣垂直探測儀（GIIRS）首次實現了在地球靜止軌道對大范圍大氣垂直溫度和濕度結構的探測。自從首次接收該數據以來，中國氣象局對其處理軟件進行了多次升級，不斷提高了數據光譜和輻射特性的精確性及時間穩定度，其數據和溫濕度闊線產品已經在GRAPES系統中同化并發揮正影響。在對熱帶氣旋的監測過程中，風云氣象衛星觀測與數值預報緊密配合，結合熱帶氣旋的預報結果，指揮FY－4A GIIRS對特定區域進行觀測，將獲取的15分鐘分辨率GIIRS區域加密觀測資料同化到GRAPES全球預報系統中，可進一步改善對熱帶氣旋移動位置和強度的預報。

3.暴雨和強對流監測

暴雨和強對流監測是氣象衛星的另一項主要應用，利用氣象衛星的高頻次、高時效觀測數據，可以監測局地發生的強對流和暴雨天氣。通過對云圖上亮度溫度和云的分析，可以掌握強對流發生和發展過程，同時對其造成的降水進行預估。FY－4A上搭載的閃電成像儀（LMI）可以對閃電活動進行實時連續觀測，每分鐘可以觀測500次，并生成每分鐘的閃電事件產品，對強對流的識別有很好的指示作用。利用FY－2云導風產品可以對強對流周圍的輻合輻散進行分析，綜合水汽云圖和紅外云圖對強降水進行短臨預報。圖2是利用風云氣象衛星對2020年7月8日華南暴雨的監測與分析結果，圖2（a）云圖中的黃色部分為強上升積雨云，說明這些地方對流強烈，與圖2（b）水汽云導風散度圖中的兩個高值區相對應。

圖2 華南暴雨監測及分析（2020年7月8日）

風云氣象衛星地面應用處理系統不斷提高衛星數據處理和生成能力。風云四號衛星天氣應用平臺（SWAP2.0）可將衛星產品的發布時效縮短到10分鐘之內，實現對FY－2和FY－4衛星圖像和產品的可視化分析。經過不斷升級，該平臺目前已經實現風云氣象衛星云圖和地面氣象雷達產品的疊加（圖3），通過天地一體化監測數據的融合應用，幫助預報員更好地作出強對流分析和短臨天氣預報。

圖3 風云四號衛星天氣應用平臺融合FY-4A云圖和雷達組合反射率

4.洪澇監測

汛期強對流和暴雨天氣容易造成長江、淮河、鄱陽湖等河流和湖泊的洪澇。FY－3中分辨率成像儀（MERSI）最高空間分辨率為250m，FY－3D MERSI有25個通道，其觀測幅寬、通道特性等較國外同等儀器具有一定優勢，可在陸表水體的監測中發揮重要作用。利用歷史風云氣象衛星數據對重點湖泊和江河的水體監測數據集，與每日實時監測到的水體產品進行比較，可以得到洪澇水體增加的位置、面積以及動態變化等信息，為防汛指揮決策提供依據。同時，綜合衛星遙感影像與地表農作物分布信息，可以分析洪澇對我國主要農作物產區造成的影響，從而對農作物估產進行指導。目前，3顆FY－3衛星在軌業務運行，每天可對全國各大江河湖泊進行6次監測。

2020年6月底以來，持續強降水導致長江中下游地區汛情嚴重，其中鄱陽湖多個水文站超過歷史極值，風云氣象衛星在鄱陽湖洪澇水體的監測中發揮了重要作用。圖4（a）為2020年6月13日FY－3D監測到的鄱陽湖水體，圖4（b）為2020年7月14日FY－3D監測鄱陽湖水體，從兩幅圖像對比來看，鄱陽湖水體面積擴大非常明顯；圖4（c）為鄱陽湖水體變化監測圖，根據監測結果，7月14日鄱陽湖及周邊水體面積為4403km2，為十年來最大。由于FY－3監測水體主要依靠光學載荷，在有云覆蓋時無法對目標水體進行有效監測，因此在遙感應用業務中綜合利用多源衛星非常重要，特別是利用高分辨率雷達衛星進行監測。

圖4 FY-3D鄱陽湖水情變化監測圖

5.旱情監測

圖5 FY-4A瀾滄江-湄公河流域旱情變化監測圖

風云氣象衛星攜帶的光學和微波儀器，可以用來反演土壤濕度、植被指數、地表溫度、地表蒸散等一系列衛星遙感產品，綜合利用衛星遙感產品和地面監測站的數據，有利于及時發現旱情，指導農業部門科學抗旱。圖5是FY－4A于2020年4-5月對瀾滄江-湄公河流域旱情變化監測圖。如圖5（a）所示，2020年4月該區域旱情較為嚴重，大部分區域存在中度以上旱情；如圖5（b）所示，5月大部分地區的旱情已經有所緩解，但緬甸中部和南部、泰國東北部旱情持續發展；圖5（c）為地表相對蒸散差值圖，可以看出該區域大部分地區的地表相對蒸散值升高，表明近期該地區土壤水分供應狀況改善，旱情有所緩解。

6. 應急減災服務

目前，風云氣象衛星已經實現了各系列衛星的業務化運行。FY－2和FY－4依靠高時效性、高時間頻次的數據、豐富的產品以及機動的區域掃描觀測能力為應急減災提供實時天氣監測信息，FY－3利用其較高的分辨率、較寬的觀測幅寬、微波探測能力以及全球覆蓋能力提供生態環境、洪澇監測等應急減災服務。

在為國內提供應急服務的同時，為充分發揮風云氣象衛星的國際應用服務效益，中國氣象局于2018年4月發布了《風云衛星國際用戶防災減災應急保障機制》（FY_ESM)，當注冊用戶國家遭受臺風、洪澇等災害時，可向中國氣象局啟動該機制，通過風云氣象衛星的區域掃描以及全球觀測的能力，獲取風云氣象衛星數據、產品以及監測服務。除此之外，風云氣象衛星已經成為全球綜合地球觀測系統的重要成員，同時也是空間和重大災害國際憲章機制的值班衛星。2020年5月1日，烏茲別克斯坦薩爾多巴水庫發生潰壩，中國氣象局及時啟動應急保障機制，綜合利用FY－3D和高分辨率衛星為該國氣象部門提供了潰壩水體監測服務。如圖6所示，潰壩發生后，錫爾河州出現較大范圍新增水體。

圖6 FY-3D烏茲別克斯坦潰壩前后水情監測圖

三、結論和展望

每年汛期發生的各類自然災害都會給我國帶來人員傷亡和經濟損失，充分利用風云氣象衛星數據和產品可以在災前預報預警、災中決策部署以及災后監測分析等災害全過程中發揮重要作用。隨著各級政府、企事業單位以及公眾對汛期災害發生過程中的服務需求越來越大，風云氣象衛星將不斷改進儀器性能，擴展觀測手段，提高服務時效。未來計劃發射的FY－3E將運行在晨昏軌道上，搭載風場雷達等多類儀器，為數值天氣預報的改進提供更加豐富的衛星數據和產品。同時，中國氣象局將優化靜止軌道氣象衛星布局，為國內和“一帶一路”沿線國家和地區提供高質量、高時效的服務。