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需求侧牵引、一盘棋谋划、全链条协同
静止卫星目标观测同化应用获突破

发布时间:2022年07月05日 来源:中国气象报社

6月26日凌晨,中央气象台会商室依旧灯火通明,数十双带着红血丝的眼睛紧盯工作台屏幕上不同气象要素分布图。此刻的万里高空上,风云四号B星也再度开启“聚焦”模式,将镜头对准东经100°—125°、北纬28°—45°的范围,进行加密监测。这只是中国气象局地球系统数值预报中心(以下简称“数值预报中心”)卫星资料同化室副主任韩威团队在利用风云四号B星多载荷开展针对东北冷涡目标观测及同化应用等众多试验(以下简称“试验”)中的一个缩影。

自6月26日开始,我国北方地区迎来汛期以来最强降水过程,而500百帕上河套高空低槽的强度、位置和移速,是决定这次华北强降水过程落区与强度的关键之一,也是此次预报的难点。早在2003年,世界气象组织就提出了THORPEX计划,旨在利用目标观测提高1天至14天高影响天气预报精度。碍于观测技术、业务同化能力等制约,十余年来一直未能在业务中实现。我国风云四号A星、B星(以下简称“FY-4A”“FY-4B”)搭载了国际上最先进的红外高光谱探测仪,两颗卫星的成功发射以及四维变分资料同化(4D-Var)的业务化,为突破带来了机遇——

2016年12月,FY-4A成功发射,并于2018年5月实现业务化运行;2020年6月,FY-4B发射成功,标志着我国新一代静止轨道卫星观测系统正式进入业务化发展阶段。风云四号系列卫星在世界上首次实现了静止轨道成像观测和红外高光谱大气垂直探测综合观测,搭载的高光谱探测仪GIIRS首次实现全球静止气象卫星高时间分辨率高光谱的三维大气探测,对2000千米×2000千米的区域探测仅需15分钟,大幅提升卫星对大气三维探测效率和时空分辨率。

2018年,GRAPES全球4D-Var开始进行业务平行试验,并于当年汛期正式进入业务化运行。4D-Var能够将时间维度的信息转化为缺失的三维信息,“用时间换空间”,弥补了数值模式初始场数据缺失的问题。同时,数值预报中心与复旦大学、中国科学院大气物理研究所等科研院所通过联合攻关,可以在十几分钟内计算得出观测敏感区,使得捕捉生命史短、变化快的天气系统成为可能。

“机遇有了,能力也已具备,目标实现来自于一次想法的‘碰撞’。”韩威回忆道。2018年台风“玛莉亚”生成期间,出于职业敏感,他与国家卫星气象中心风云气象卫星工程副总设计师张志清,针对利用FY-4A观测台风眼展开了设想和讨论。这场讨论中,韩威发现,关于敏感区域加密观测的设想能够通过FY-4A完美实现!当天晚上,韩威和团队确定敏感区并据此划定了目标观测区域,第二天,FY-4A便针对此目标区域启动加密观测。试验非常成功,团队信心大增。此后四年,团队针对9次台风过程的实践显示,通过风云四号A星锁定目标观测区加密观测,台风24小时、48小时路径预报准确率可提升10%以上,特别是在站点稀缺的远海区域,预报准确率更是得以大幅提升。这一首创性的静止卫星目标观测同化,也获得了国际上的认可,欧洲气象卫星组织原首席科学家Johannes Schmetz博士评价:“这是地球静止轨道大气探测同化应用的里程碑。”

今年,按照中国气象局“质量提升年”行动统一部署,数值预报中心在年度重点工作中安排了“观测预报互动的研究型业务构建”工作计划,团队将目标锁定为陆地低涡系统,紧盯西南涡和东北涡及其移动,从源头上掌握影响我国汛期的天气系统。

6月24日,暴雨过程来临前夕,团队基于降水预报不确定性计算得出初值敏感区,并据此划定加密观测目标区域;国家卫星气象中心调整FY-4B观测区域,卫星上所搭载的1分钟快速成像仪、15分钟探测仪、15分钟成像仪三台仪器对此区域开展加密观测,分钟级观测数据进入模式运行,结果为中央气象台预报员提供有力参考。

6月25日20时,多家模式初值分析结果均显示500百帕低槽系统移动至河套区域,但引入试验数据后的结果显示槽底部有明显西伸,强度也较强,这是其他多家模式均未有的结论;与25日20时探空结果对比显示,对于影响华北、黄淮地区的低槽,FY-4B加密观测结果更接近探空实况,其他模式的结果也向预报结论逐渐靠拢。中央气象台首席预报员陈涛介绍,试验预报结果“捉住了关键影响区域,正是这些关键区域内天气系统的特征差异,决定了预报的准确性”。随着低涡东移,以预报为需求,团队重新调整加密观测目标区域,追踪其路径。

6月27日的定量检验评估表明,25日8时起报的48小时预报,FY-4B加密试验结果暴雨以上量级ETS评分提高了27%,暴雨落区更精准。这也是风云四号系列卫星目标观测第一次应用于我国汛期内陆降水预报。

韩威表示,这次尝试得益于中国气象局一盘棋的谋划,在推进过程“一路畅通”。风云四号静止气象卫星光学星总设计师陆风介绍,这是国家卫星气象中心调动FY-4B首次开展的多载荷联合观测,实现了多载荷同步观测数据的实时高精度处理,提供了高质量的观测信息。中国气象局综合观测司副司长裴翀盛赞这是“以需求为牵引的成功尝试,将为后续实践提供更多可能”。

未来,韩威期待,FY-4A和FY-4B双星组网后的高时空、高光谱分辨率数据在数值预报中会有新的表现。

(作者:张艺博?责任编辑:张林)

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