需求滾動評估與彌補風場觀測短板的風神衛星

■許小峰

【編者語】

文章簡要介紹了世界氣象組織的數據需求滾動評估方法，并根據評估結果，對全球觀測短板高空垂直風廓線需求問題的解決方案衛星激光測風技術的實現做了延伸介紹，ECMWF對衛星激光測風資料進行了系統性檢驗評估，給出了非常積極的評價，證實了其對全球數值預報系統的顯著貢獻，并于2021年1月9日正式將這一來源的資料列入到了實時業務。

研究瞬息萬變的大氣，并對其進行有效的預報、預測，離不開對初始狀態信息的掌握，這需要通過對相關氣象要素盡可能完整、準確的觀測來實現。近兩百年來，伴隨著科技進步，人類不斷探索實現對全球海、陸、空、天立體大氣多種要素的觀測方法，取得了巨大進步。面對不斷增多的海量氣象數據，氣象學家一方面需要對數據的質量和應用方法進行嚴格把控，另一方面還要對如何使這些諸多類型的資料滿足各種不同需求進行具體分析，包括哪些領域的需求已得到基本滿足，哪些環節仍存在基本觀測數據的缺失，從而影響到對實況的掌握和預報準確性。針對需求滿足程度的檢驗和評估對合理設計和發展探測系統具有重要的引導作用，也是對數據應用能力的有效檢驗。本文對世界氣象組織（WMO）建立的需求滾動評估系統整體情況做了概要說明，并結合對全球高空測風資料短缺的評估結果，進一步對歐空局發展衛星激光測風系統的過程及成效做了具體介紹。

1 WMO需求滾動評估系統的建立

為了對各不同領域觀測需求及實際滿足程度進行客觀定量分析，從而對觀測系統的發展提供指導，從20世紀初90年代末開始，世界氣象組織（WMO）基本系統委員會（CBS）專家組牽頭，組織多領域高層次專家對各不同應用領域對氣象數據的需求開展了滾動評估（Rolling Review of Requeirements，RRR）[1]活動，最終將RRR作為全球觀測系統發展進程中的規范性工作，納入到WMO的2003年版全球觀測系統手冊中（WMO-No.544）[2]。

需求滾動評估的要求在WMO啟動2015年編制新的綜合觀測系統（WIGOS）手冊時也同樣被確定為重要原則，其目的是減少觀測系統發展的盲目性，加強科學設計，提高針對性。評估過程按照嚴格的科技、業務流程開展，包含四個步驟：對世界氣象組織各業務、科研計劃所覆蓋的領域所涉及的觀測需求進行分析；對已建成的和在規劃中的觀測系統能力進行評估；將上述分析、評估中的需求與能力進行對比分析，形成對特定應用領域觀測需求和觀測能力之間滿足程度的評估報告，稱為“關鍵評估（Critical Review）”；根據關鍵評估報告對每個應用領域做出差距分析，并對如何發展和縮小這些差距提出“指導意見”[3]。這一流程最終被WMO大會確定為所有成員國和參與WMO觀測合作的網絡都應遵循的觀測站網設計、規劃發展和效果評價的規范[4]。

RRR的實現（圖1）需要由觀測系統能力與評估（Observation Systems Capabilities and Review，OSCAR）工具的三個數據庫支持，第一個是OSCAR需求數據庫，在這個庫中，不涉及技術要求，僅提供具體的地球物理變量數[5]，目前有260多個，包括大氣和其他氣候系統圈層，陸面、海洋、冰凍圈等；第二個是OSCAR空基觀測能力數據庫，列出了所有衛星載荷傳感器具備的能力，包括歷史曾有的，目前運行的，及計劃發展中的；第三個是OSCAR地基觀測能力數據庫，列出了所有基于地面設備的觀測能力。這三個數據庫提供了為實現RRR評估所需的基礎信息。

圖1 RRR流程圖

WMO所涉及的業務領域會隨著發展變化有所調整，最新列入RRR評估的包括14類，即全球數值天氣預報、高分辨數值天氣預報、短時臨近預報、季節和年季預報、航空氣象、大氣成分預報、大氣成分監測、城市大氣成分應用、海洋應用、農業氣象、水文、氣候監測、氣候應用和空間天氣[6]。

對于每一個應用領域和每一個相關變量，在OSCAR需求數據庫中都會列出同樣的要求列表，包括變量的時空分辨率、精度要求、實時性需求、覆蓋區域、信息來源、置信度等。對于每一項需求又分別列出三項基本要求：一是最低閾值，如果觀測無法滿足這一設定要求，探測信息將無法使用；二是最優性價比，這也是判斷是否可以滿足業務運行要求的指標；三是最優目標，超越這個指標不會增加任何額外價值。這三項要求體現出的判定價值取向是值得關注的，既有最低標準門檻，又不盲目提出無必要的高要求，同時追求最佳性價比，是一種非常務實的需求判定導向。而這些需求變量和判定指標的確定則由WMO基本系統委員會（CBS）和其他相關專項委員會或技術組的專家們研究確定。2019年6月，世界氣象大會批準了大規模WMO改革方案，將原有的十幾個技術委員會合并為4個，觀測、信息、基礎設施等歸并到基礎設施委員會（The Commission for Observation, Infrastructure and Information Systems ，Infrastructure Commission），與RRR相關工作由這一委員會主要負責。

根據WMO最新評估結果，在所有資料需求最重要應用領域中的優先排序中名列第一的是全球數值預報（GNWP），其次是高分辨率數值預報（HRNWP），給出的理由是數值預報是所有天氣和氣候應用中最基礎的工作，而GNWP又是做好HRNWP和短時臨近天氣預報的先決條件；GNWP還是通過再分析資料開展氣候監測所依賴的核心條件。另一方面，開展GNWP所依賴的全球資料也需要各國共同協作提供支持，這也正是需要通過WMO總體協調，通過相關機制推進解決的問題。

確定了GNWP優先地位后，進一步分析在諸多觀測資料中，目前重點需要解決的薄弱環節又是什么呢？RRR給出的結果是地球表層氣壓和高空風場。地表氣壓的缺失來自兩個因素，一是在海洋和人煙稀少的區域，地表觀測的覆蓋面仍然不足；二是地面氣壓值的獲取還主要靠儀器實測，尚難像溫度和濕度那樣通過衛星遙感信息反演的方法獲得。高空風場的問題也類似（圖2），通過探空站觀測可以準確獲取大氣垂直風場，但全球探空站的分布主要是在有人居住的陸地區域；少量海洋觀測船可以做一些探空補充，每天兩次固定的探測在時間分辨率上也無法滿足，且在現有高空站網的基礎上，進一步擴充的潛力也很有限，需要增加較大成本；飛機觀測可以發揮重要作用，但僅在起飛和降落時可以提供大氣廓線信息，多數情況都是在某一高度上飛行；衛星觀測可以提供較好的溫度和濕度水平和垂直廓線產品，也可以通過云系變化推算云導風，但覆蓋的有效區域不夠，且垂直分辨率和精度也不足。有了以上分析和結論，如何改進全球觀測的目標和重點任務也就清晰了。

圖2 ECMWF獲取到的全球有效垂直風場資料分布

2 彌補高空風場探測的短板

在綜合分析了幾種高空風場的提供方式后，難以提出一種完備的方法解決全部問題，只能在保持目前已有系統的基礎上，重點考慮彌補短板，即如何增強風場信息的空間分辨率和覆蓋范圍，在此基礎上，再進一步解決時間分辨率的問題。

回顧實際發展情況，歐洲航天局（ESA）在20世紀末決定發展裝載激光測風雷達的低軌衛星確有先見之明。測量高空連續風場，通過地基的風廓線或激光雷達可以解決部分陸地區域，但從全球均勻覆蓋需求角度看顯然無法做到。20世紀80年代，經過對多種可能的方法和技術進行比較調研后，美國宇航局給出了結論性報告，只有利用主動激光源從太空觀測，才有可能獲取全球范圍滿足需求和精度的立體風場資料[7-8]。這一強烈需求促成了在低軌衛星上搭載激光測風儀（Laser Atmospheric Wind Sounder，LAWS）實現天基全球風場探測的構想，盡管在技術實現上有難度，需要一定研發周期，但從彌補探測領域短板的角度，是最可行的選擇。

ESA于1977年11月23日成功發射了第一顆靜止軌道氣象衛星Meteosat，為開啟天基對地觀測邁出了堅實一步。隨后又成功發射了系列對地觀測衛星，包括ERS-1、ERS-2、Envisat和MetOp等，獲取了大量寶貴數據。為了推進更為全面的地球觀測計劃，1999年6月7日，ESA啟動了新的地球觀測計劃，稱為“生命星球（Living Planet）”，旨在加深對包括天氣、氣候變化的地球系統演變的全面認識和理解。正是在這個計劃下，為了實現全球完整垂直風場的觀測目標，由歐美相關領域專家組成的ESA多普勒激光雷達工作組提交了建議報告，內容包括基礎研究、技術實現和應用方法等，目標是通過星載高光譜多普勒激光雷達測量到0～30 km的全球垂直風廓線，還可獲得云和氣溶膠光學特性等其他大氣特征產品。其中有爭議的問題是要達到怎樣的觀測目標，早期方案曾設想過采用圓錐掃描方式，這是在地基測風激光雷達中常用的選擇，可以通過三個不同方向測量到的風矢量計算出三維風場。但這種掃描方式在高速運行的衛星上很難實現，在硬件設計上無法保證穩定運行，獲取到的信息也難以有效反演成可用數據。從大氣運動的實際情況看，通常情況下運動的垂直分量很小，在大尺度測量中可以舍去。而根據法國[9]和英國[10]等國的科學家所做的相關研究，認為即便是通過星載激光雷達獲得單分量風場信息，也可以對改進全球數值預報提供有效支持。這些分析成果使得在星載激光雷達的設計上可以得到很大程度簡化，對需求做出適當妥協，僅考慮探測真實風矢量在激光視向上的分量，這樣做可以提高方案的可行性，報告于1999年最終獲得批準，利用衛星搭載激光雷達測風的大氣動力學項目（ADMAeolus）進入到了ESA的重要核心創新計劃[11]，Aeolus指希臘神話中的風神，被用來為新的測風衛星命名。2000年開始了前期技術研發，2002年ESA正式與制造廠商簽署了合同，進入到項目實施階段，2005年完成了關鍵技術審查。圖3為基本原理圖。

圖3 星載激光雷達測風原理示意圖（激光雷達向大氣發射激光脈沖，然后收集、采樣和檢索從云、氣溶膠、分子和地球表面反向散射的信號的頻率）

ADM-Aeolus原計劃在2007年完成，但激光儀器的設計難度比原設想要大得多，故推遲了11 a，直到2018年才完成發射，項目耗資約4.8億歐元（5.5億美元）。盡管衛星設計壽命為3 a，但這項動用了上千人參與研發的科研成果，對全球大氣探測而言確實時是劃時代的創新，為下一步的選擇奠定了科技研發和業務實現基礎，物超所值。

Aeolus衛星重約為1260 kg，運行在距地表320 km的太陽同步軌道上，每天大約完成16次環球軌道運行，軌道周期為90 min，重復周期為7 d。衛星上主要裝置為一部直徑為1.5 m的大型望遠鏡、一部非常靈敏的散射接收器和一臺每秒發出50次脈沖的高功率紫外線激光器（Atmospheric Laser Doppler Instrument，ALADIN）。激光器可在355 nm的紫外光譜段發射光脈沖，使用紫外光普段是因為大氣分子在這段波長的反向散射特別強，并開發了在355 nm頻段同時探測氣溶膠的米氏散射（Mie scattering）和分子的瑞利散射（Rayleigh scattering）方法，從而可以在富含氣溶膠的大氣和潔凈大氣中同時開展風的探測。望遠鏡用于收集來自大氣的反向散射光，并引導至接收器，接收器處理分析反向散射信號相對于發射激光脈沖頻率的多普勒頻移。望遠鏡與軌道平面成35°，以便發射和接收與衛星移速垂直的光，使ALADIN能夠確定大氣運動的東西水平分量（圖4）。

圖4 風神衛星測量幾何結構示意圖

激光雷達測風原理是利用光散射現象和多普勒效應，雷達發射的短而強的光脈沖穿過大氣時，可以獲取大氣中的氣體分子、氣溶膠和水滴顆粒反向散射光，Aeolus的望遠鏡和接收器負責接收、處理這些散射信號，發送出的光脈沖和收回信號之間的時間決定了到“散射體”的距離，即得到了散射體在地球上方的高度。如果發射信號與返回信號的頻率出現改變，稱作多普勒頻移，頻移是由于散射物沿激光發射方向做相對運動而引起的，這種運動與觀測體積中的平均風有關。觀測體積由50 km的最大地面積分長度、所需的垂直高度分辨率和激光覆蓋區的寬度所確定，并在大約200 km的距離上不斷重復，即激光器開啟7 s，相當于地面約50 km，并在28 s重復周期剩余時間保持關閉，相當于200 km地面軌跡（圖4）。垂直高度分辨率的要求在對流層和平流層下部至少應為1 km，在大約16 km以上高度上可以增加到2 km，對于地面邊界層附近為0.5 km或更小。水平分量（HLOS）的精度目標在邊界層為1 m/s，對流層為2.5 m/s，平流層下部為3 m/s，對數據獲取的時效要求為3 h。相對運動的產生除散射物的運動外，還應包括衛星的運動和地球的旋轉，這需要特殊的系統設計和處理。根據多普勒頻移原理和以上確定的設計方案，便可以計算觀測物的移動速度、方向和距離。

Aeolus可以在晴空、薄云、氣溶膠、及厚云層頂部區域提供風廓線觀測信息，也可以探測云頂高度及薄云或氣溶膠層的垂直分布。光的散射可以來自氣溶膠或云滴粒子的米散射，也可以是來自空氣分子的瑞利散射。兩種散射機制表現出不同的光譜特性和不同的波長依賴，從設計上，可以構建僅評估一種信號類型或同時評估兩種信號的儀器。Aeolus安裝了兩個光學分析儀，分別測量來自大氣分子的瑞利散射和來自氣溶膠、水滴的米散射所產生的多普勒頻移，從而通過獲取兩類散射物運行的移動變化得到風場分布和變化。從圖5可以看出，接收到的光譜相對于發射的激光（紅線）發生位移。虛線表示未移動的頻譜（零風速）。由于熱運動，分子的返回信號譜很寬，而較重的氣溶膠和云粒子的熱運動幾乎可忽略不計，表現出一個狹窄的返回信號。由于在分子（瑞利）散射的情況下，接收光譜被顯著拓寬，其寬度相當于幾百秒米的視向風速范圍，因此對于分子散射，需要更高的發射信號來實現相同速度的測量性能。最終獲取到的風包括四種類型，分別為晴空條件下的瑞利散射風、多云條件下的瑞利散射風、晴空條件下的米散射風、多云條件下的米散射風。

圖5 無風和有風條件下瑞利散射和米散射多普勒頻移示意圖 （半峰全寬FWHM：Full Width at Half Maxima）

ESA于2018年8月22日將ADM-Aeolus成功送入預定軌道，已正常運行了三年多時間，送回了大量有價值的資料，已超過了預期設計壽命，服役進入到了最后時光。從獲得的大量應用成果看，已充分印證了從空間測量全球風場的可行性，并為未來全球大氣探測業務中利用星載多普勒測風激光雷達技術積累的寶貴經驗。

對于Aeolus資料，在發射前就做了大量檢驗評估工作，包括通過飛機對設備進行檢驗，通過與地對空探測進行實測資料對比，及數值模擬評估等，但最終的結果還要看發射后的實際驗證結果。從圖6可以看到從一個完整軌道獲取到的完整垂直分布的HLOS風場，從中可以看到赤道東風帶、副熱帶西風急流等所在位置。ECMWF對Aeolus發回的資料進行了系統性檢驗評估，通過對視向水平分量風場（horizontal lineof-sight，HLOS）Level-2B級資料質量進行量化檢驗分析，給出了非常積極的評價，證實了其對全球數值預報系統的顯著貢獻，并于2021年1月9日正式將這一來源的資料列入到了實時業務[12]。

圖6 2018年9月15日一個完整軌道的L2B瑞利-晴空和米氏-多云HLOS風觀測圖

對于Aeolus信息質量的影響評估，ECMWF采用的是兩種標準做法，一是觀測系統試驗（OSE），二是基于預報敏感度觀測影響（FSOI）。在OSE評估中，將數據同化系統運行兩次，第一次包括待評估的觀測系統數據，第二次不包括。然后將兩組結果進行比較，以評估新觀測數據的影響[13]，考慮到評價一種新觀測資料的影響不能僅憑個例試驗或者短時間試驗，OSE評估需要相對時間長一些的穩定運行周期；FSOI則是一種評估同化觀測信息后如何影響短期預報（24～36 h）誤差增長的方法，使用四維變分資料同化系統中的基礎算子量化某種類型觀測對于分析場或者預報結果誤差的靈敏度，不必像OSE那樣進行“排除”性檢驗，而是在所有觀測資料都參與同化的背景下評估各類觀測所能產生的誤差影響[14]，此外，FSOI也不需要為獲得穩定結果而進行長時間運行計算。

圖7給出了同化Aeolus兩類散射信息后風場的平均誤差變化，總體上反映出有顯著正效果，其他要素如溫度、濕度、位勢高度場的變化也都有類似改進。圖8顯示了ECMWF通過FSOI評估獲得的自2020年1月9—22日業務數據同化結果，涵蓋了各觀測子集的全部影響，從中體現了Aeolus產生的L2B級風場資料重要性，在大約80種儀器獲得的資料貢獻排名中位列第五，對預測改進貢獻度約3.8%，體現出重要價值。值得關注的是在圖中排名第一的“Wigos Amdar”資料的貢獻十分突出，體現了飛機觀測的重要性，但這是每天數千架飛機資料的合成效果，如果能有幾顆測風雷達同時觀測，貢獻度也應會有大幅提升。

圖7 2019年8月2日—12月31日期間同化Aeolus（Rayleighclear和Mie-cloudy）資料后的風矢量均方根（RMS）誤差的緯向平均歸一化變化 負值（藍色）：誤差減少；正值（紅色）：誤差增加

圖8 ECMWF業務系統計算的2020年1月9—22日期間按探測儀器類型劃分的相對FSOI（%）貢獻

除了通過數值預報模式對Aeolus的風場資料進行檢驗評估外，也有學者通過探空儀實測資料進行了對比分析[15]。由于Aeolus測到的風僅是一個投影分量值，這需要將探空儀獲取的真實水平風場資料也進行反算投影，與HLOS Level 2B資料保持一致。具體反算公式為：

其中：VRS為探空儀測到的總水平風速，φRs為探空儀測到的風向，φAeolus為Aeolus的方位角，VRSHLOS為得到的反算投影值。2018年11月，通過基于五個無線電探空儀資料的對比統計分析，顯示 Aeolus 在發射后的早期階段已表現出良好性能，晴空瑞利散射風的系統誤差約為1.5 m/s，隨機誤差為4.84 m/s；多云米散射風的效果更好，系統誤差約為1 m/s，隨機誤差為1.58 m/s。應指出，當時所用的驗證數據還不是Aeolus的最終風數據集，在歐空局對因儀器問題而出現的誤差做出調整后，數據質量又有了明顯改進。

3 幾點討論

1） 對氣象觀測系統的發展應結合需求針對薄弱環節進行設計，并根據業務發展的狀況進行持續評估。可參照WMO的做法和利用WMO的評估結果，結合我國的實際，規劃海、陸、空、天的探測的布局。

2） 滿足全球化和精細化預報，特別是數值預報的需求是未來觀測系統發展的重點，全球化觀測可按WMO已有的結論，重點關注大氣風場和海平面氣壓的觀測需求，精細化的需求還應結合我國不同區域的特點做進一步分析。

3） 歐空局發展激光測風的成功經驗和曾遇到的問題值得學習和關注，目前Aeolus衛星已運行到原設計壽命的最后階段，各國都將面臨全球風場再次缺失的局面，即便是有Aeolus，從數量上看也顯不足，應開始謀劃我國測風衛星的發展，在未來形成多國互補的局面。

4）數據的有效應用是促進觀測系統發展的重要基礎工作。Aeolus衛星計劃能取得成功，除衛星裝備的研發外，對數據的質量控制、應用檢驗發揮了重要作用。在數據處理與應用領域，ECMWF的能力確實優勢明顯，迅速將Aeolus數據同化到了全球數值模式中，對衛星探測的發展起到了推動作用，同時也成為最大的受益方。