中國(guó)氣象衛(wèi)星與衛(wèi)星氣象研究進(jìn)展

中國(guó)氣象衛(wèi)星與衛(wèi)星氣象研究進(jìn)展

1衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)1969年1月下旬，由于強(qiáng)冷空氣的影響，中國(guó)長(zhǎng)江和黃河發(fā)生了嚴(yán)重的冰凌，導(dǎo)致中國(guó)東部和南部地區(qū)的大規(guī)模在線通信中斷。此次氣象事件后,周恩來(lái)總理指出:“要自力更生搞基本建設(shè),要趕快改變落后面貌,搞氣象衛(wèi)星。”氣象衛(wèi)星系統(tǒng)工程由五大系統(tǒng)組成。衛(wèi)星星體和運(yùn)載火箭兩大系統(tǒng)由航天工業(yè)總公司負(fù)責(zé),其中衛(wèi)星的主要觀測(cè)儀器——掃描輻射儀由中國(guó)科學(xué)院負(fù)責(zé)研制。發(fā)射場(chǎng)地和測(cè)量控制兩大系統(tǒng)由太原、西昌衛(wèi)星發(fā)射基地和西安衛(wèi)星測(cè)控中心分別負(fù)責(zé)。地面系統(tǒng)由中國(guó)氣象局負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)行。中國(guó)氣象局并負(fù)責(zé)提出氣象衛(wèi)星的任務(wù)和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。1977年中國(guó)第1顆極地軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云一號(hào)”正式列入國(guó)家計(jì)劃。1978年極軌氣象衛(wèi)星地面系統(tǒng)開(kāi)始建設(shè),1987年竣工,兼容接收和處理“風(fēng)云一號(hào)”和美國(guó)NOAA衛(wèi)星的資料。1988年9月7日“風(fēng)云一號(hào)”第1顆衛(wèi)星發(fā)射,被命名為“FY-1A”?！帮L(fēng)云一號(hào)”系列氣象衛(wèi)星至今共發(fā)射4顆,其主要遙感觀測(cè)儀器是多通道可見(jiàn)光和紅外掃描輻射儀?！癋Y-1A”衛(wèi)星獲得了高質(zhì)量的可見(jiàn)光圖像,但是紅外圖像沒(méi)有成功。經(jīng)過(guò)改進(jìn),1990年9月3日發(fā)射的“FY-1B”衛(wèi)星的紅外圖像獲得了成功。由于三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方面的問(wèn)題,“FY-1A”和“FY-1B”兩顆衛(wèi)星的壽命都沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。1999年5月10日發(fā)射的“FY-1C”衛(wèi)星工作壽命超過(guò)了設(shè)計(jì)要求。2002年5月15日發(fā)射的“FY-1D”衛(wèi)星目前正處于業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)。圖1(見(jiàn)封三)是“FY-1C”衛(wèi)星獲取的北半球可見(jiàn)光圖像。1986年中國(guó)第1顆靜止氣象衛(wèi)星“風(fēng)云二號(hào)”正式列入國(guó)家計(jì)劃。1988年靜止氣象衛(wèi)星的地面系統(tǒng)開(kāi)始建設(shè)。1994年地面系統(tǒng)竣工,但是第1顆“風(fēng)云二號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射前在測(cè)試機(jī)房發(fā)生意外事故被燒毀。重新研制的“風(fēng)云二號(hào)”第2顆衛(wèi)星于1997年6月10日在西昌衛(wèi)星發(fā)射基地發(fā)射,被命名為“FY-2A”。“風(fēng)云二號(hào)”系列氣象衛(wèi)星至今共成功發(fā)射2顆,其主要遙感觀測(cè)儀器也是多通道可見(jiàn)光和紅外掃描輻射儀。由于消旋天線故障,“FY-2A”衛(wèi)星沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)工作壽命。經(jīng)過(guò)改進(jìn),“FY-2B”衛(wèi)星于2000年6月25日發(fā)射?！癋Y-2B”衛(wèi)星消旋天線故障的問(wèn)題已經(jīng)克服。但是“FY-2B”衛(wèi)星出現(xiàn)了下行信道信噪比降低和掃描輻射儀在觀測(cè)南半球時(shí),運(yùn)動(dòng)部件摩擦力增加等問(wèn)題?，F(xiàn)在,在每年的春分日和秋分日前后各45d的星蝕期間,“FY-2B”衛(wèi)星不能向地面?zhèn)鬟f觀測(cè)資料。在非星蝕期間,“FY-2B”衛(wèi)星可以對(duì)北半球進(jìn)行觀測(cè),圖像可以使用。圖2(見(jiàn)封三)是“FY-2B”衛(wèi)星獲取的多通道合成圖像?！癋Y-2B”衛(wèi)星雖然是1顆有故障的衛(wèi)星,但是它在中國(guó)氣象衛(wèi)星發(fā)展的歷史上起了重要的作用。研制部門(mén)對(duì)衛(wèi)星和掃描輻射儀出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了認(rèn)真的分析研究,為今后衛(wèi)星和有效荷載可靠性的提高積累了經(jīng)驗(yàn)。地面系統(tǒng)利用衛(wèi)星發(fā)下的觀測(cè)數(shù)據(jù)改進(jìn)了定量處理算法,解決了數(shù)據(jù)處理中重要的關(guān)鍵技術(shù),提高了數(shù)據(jù)定量處理的水平和運(yùn)行的可靠性。2003和2004年汛期,在日本GMS-5氣象衛(wèi)星停止工作的情況下,“FY-2B”衛(wèi)星為中國(guó)廣大臺(tái)站和國(guó)際用戶提供了有效的云圖服務(wù)。至今,“FY-2B”衛(wèi)星的實(shí)際服務(wù)時(shí)間已經(jīng)超過(guò)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命。2中國(guó)目前的氣象衛(wèi)星2.1傳輸和傳遞數(shù)據(jù)“FY-1D”衛(wèi)星的軌道特征如表1所示。“FY-1D”衛(wèi)星有10個(gè)觀測(cè)通道,星下點(diǎn)水平分辨率為1.1km。它們的波譜位置見(jiàn)表2。“FY-1D”衛(wèi)星的數(shù)據(jù)服務(wù)有兩種方式:高分辨率實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和延時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸以1.3308Mbps的速率向用戶實(shí)時(shí)播送10個(gè)通道的觀測(cè)數(shù)據(jù)。延時(shí)數(shù)據(jù)傳輸在衛(wèi)星離開(kāi)地面系統(tǒng)接收范圍時(shí),將觀測(cè)數(shù)據(jù)在星上暫時(shí)儲(chǔ)存,在衛(wèi)星下一次通過(guò)地面系統(tǒng)接收范圍時(shí)回放。“FY-1D”衛(wèi)星上安裝的記錄存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)4個(gè)通道(0.58～0.68μm,0.84～89μm,10.3～11.3μm,11.5～12.5μm)3.3km水平分辨率的全球數(shù)據(jù),以及局部地區(qū)10個(gè)通道1.1km水平分辨率的數(shù)據(jù)?！帮L(fēng)云一號(hào)”極地軌道氣象衛(wèi)星的地面系統(tǒng)由北京、廣州、烏魯木齊3個(gè)氣象衛(wèi)星地面站和北京數(shù)據(jù)處理中心組成。3個(gè)地面站接收的數(shù)據(jù)通過(guò)地面通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳遞到北京。北京數(shù)據(jù)處理中心將數(shù)據(jù)處理后,形成圖像和產(chǎn)品,通過(guò)9210系統(tǒng)和地面通信網(wǎng)絡(luò)分發(fā)。2.2統(tǒng)cdas“FY-2B”衛(wèi)星是自旋穩(wěn)定的靜止氣象衛(wèi)星,定點(diǎn)在105°E赤道上空。“FY-2B”衛(wèi)星的多通道可見(jiàn)光紅外掃描輻射儀有3個(gè)觀測(cè)通道,它們的波譜位置和水平分辨率見(jiàn)表3。除了觀測(cè)以外,“風(fēng)云二號(hào)”靜止軌道氣象衛(wèi)星還承擔(dān)展寬圖像轉(zhuǎn)發(fā)、低分辨率圖像廣播、數(shù)據(jù)搜集平臺(tái)數(shù)據(jù)中繼、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)?！帮L(fēng)云二號(hào)”靜止軌道氣象衛(wèi)星的地面系統(tǒng)由數(shù)據(jù)和指令接收站(CDAS)、運(yùn)行控制中心(SOCC)、數(shù)據(jù)處理中心(DPC)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及存檔系統(tǒng)(CNAS)、應(yīng)用服務(wù)中心(ASC)、用戶利用站(USS)組成。CDAS是“風(fēng)云二號(hào)”衛(wèi)星資料接收與業(yè)務(wù)測(cè)控的主站,是衛(wèi)星與地面系統(tǒng)的接口和界面。SOCC是衛(wèi)星和地面全系統(tǒng)的指揮和控制中心,負(fù)責(zé)衛(wèi)星和整個(gè)地面系統(tǒng)的業(yè)務(wù)調(diào)度和管理。DPC將衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)處理生成各種圖像和產(chǎn)品。CNAS由含計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)設(shè)備和軟件組成,是地面系統(tǒng)中SOCC,DPC,ASC的基本運(yùn)行支撐平臺(tái)。ASC生成人機(jī)交互產(chǎn)品,將各種氣象衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)和定量產(chǎn)品綜合加工成信息,并進(jìn)行“風(fēng)云二號(hào)”產(chǎn)品的示范應(yīng)用工作。USS分布在全國(guó)各地,使臺(tái)站可以接收和利用“風(fēng)云二號(hào)”氣象衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。“風(fēng)云二號(hào)”氣象衛(wèi)星是通過(guò)衛(wèi)星和地面系統(tǒng)協(xié)同工作完成對(duì)地觀測(cè)任務(wù)的。“風(fēng)云二號(hào)”氣象衛(wèi)星的星載多通道掃描輻射計(jì)利用衛(wèi)星自旋和它的光學(xué)鏡筒步進(jìn),實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的兩維掃描。掃描儀每一瞬間只從聚焦位置上獲取一個(gè)數(shù)據(jù)。地面系統(tǒng)把組成一幅云圖的各條掃描線準(zhǔn)確地拼接成一幅地球影像圖,并且在圖像上疊加地理經(jīng)緯度網(wǎng)格。3衛(wèi)星觀測(cè)資料反演大氣參數(shù)的理論和方法1960年4月1日,美國(guó)成功發(fā)射了世界第1顆氣象試驗(yàn)衛(wèi)星TIROS-1,開(kāi)創(chuàng)了大氣探測(cè)的新紀(jì)元。此后,人們廣泛開(kāi)展了利用衛(wèi)星觀測(cè)資料反演溫度、濕度和云等大氣參數(shù)的理論和方法研究。中國(guó)自20世紀(jì)70年代起對(duì)衛(wèi)星遙感的理論和方法研究非常重視,在大氣溫度廓線、云特性、氣溶膠和降水的反演理論和方法以及云跡風(fēng)等研究領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展。3.1大氣溫度廓線的物理反演準(zhǔn)確獲取大氣溫度和濕度的初始場(chǎng)是提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的前提和必要條件。由于地面觀測(cè)受到空間和時(shí)間分辨率的限制,近幾十年來(lái)人們一直十分注重發(fā)展衛(wèi)星遙感大氣溫、濕廓線技術(shù)。自Kaplan首次提出利用衛(wèi)星遙感大氣溫度廓線以后,大氣遙感理論和反演方法研究受到人們的廣泛關(guān)注。早在20世紀(jì)70年代,曾慶存就系統(tǒng)地闡述了大氣紅外遙感的原理和方法,論證了兩類典型問(wèn)題——大氣溫度和大氣成分的垂直分布遙感,以及兩類最基本的掃描方式——頻譜法和掃描法所對(duì)應(yīng)的遙感方程的適定性問(wèn)題,指出測(cè)溫問(wèn)題所滿足的第一類弗雷德和蒙積分方程的解不是唯一的,若要有實(shí)際意義的解,需要應(yīng)用其他已知的知識(shí),對(duì)方程的解加以限制。在衛(wèi)星遙感問(wèn)題中,通道選擇和反演方法是遙感理論及其應(yīng)用的核心問(wèn)題。為此,曾慶存提出了“最佳信息層”概念,這一概念對(duì)于選擇遙感通道具有指導(dǎo)性意義。在深入探討遙感理論的基礎(chǔ)上,曾慶存將反演方法歸納為2類:一類是統(tǒng)計(jì)法;一類是物理反演方法(包括迭代法和最優(yōu)平滑解方法)。統(tǒng)計(jì)法需要有足夠的統(tǒng)計(jì)資料。在缺乏足夠的統(tǒng)計(jì)資料,且有足夠多通道可供選擇的情況下可以采用物理反演方法。80年代以后,國(guó)家衛(wèi)星氣象中心結(jié)合業(yè)務(wù)需求,開(kāi)展了大量的大氣溫度廓線反演的研究工作。黎光清等根據(jù)大氣溫度遙測(cè)方程的非適定性質(zhì),討論了溫度廓線估計(jì)方法的選擇問(wèn)題,提出了一個(gè)有偏估計(jì)調(diào)整算法。黎光清和董超華使用NOAA-7觀測(cè)資料,估計(jì)了核函數(shù)誤差對(duì)大氣溫度廓線反演精度的影響,指出核函數(shù)誤差主要以系統(tǒng)偏差的形式傳入估計(jì)解中,從而導(dǎo)致強(qiáng)烈的不穩(wěn)定解。吳保鎖等采用Smith和Woolf提出的同步物理反演方法進(jìn)行了反演試驗(yàn),并探討了溫度廓線的初估值對(duì)反演精度的影響。黎光清等對(duì)同步物理反演方法進(jìn)行了深入的研究,指出同步物理反演方法對(duì)初估值的依賴性比統(tǒng)計(jì)回歸法弱。盡管就大范圍緯向平均而論,同步物理反演方法尚不及改進(jìn)的統(tǒng)計(jì)回歸法,但在探空資料稀少的地區(qū),同步物理反演方法的反演結(jié)果略優(yōu)于統(tǒng)計(jì)回歸法。黎光清等在深入研究同步物理反演方法的基礎(chǔ)上,對(duì)反演模式的自恰性、通道選擇和初估場(chǎng)等方面做了改進(jìn),建立了一個(gè)改進(jìn)的同步物理反演方法。黎光清等對(duì)比了同步物理反演方法和改進(jìn)的同步物理反演方法,指出除高層外,幾乎在所有高度上改進(jìn)后的同步物理反演方法的反演精度都高于同步物理反演方法。為了進(jìn)一步減小初估值對(duì)反演精度的影響,張鳳英等利用國(guó)家氣象中心的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的6h預(yù)報(bào)場(chǎng)作為同步物理反演的初估場(chǎng)。應(yīng)該指出,傳統(tǒng)的用于探測(cè)大氣溫、濕廓線的星載紅外探測(cè)儀器(如TOVS或ATOVS中的HIRS儀器)采用的是濾光片分光技術(shù)。雖然此類儀器在提高天氣預(yù)報(bào)水平中已經(jīng)發(fā)揮了重要作用,但由于其光譜分辨率低,采用基于濾光片分光技術(shù)的探測(cè)儀器很難進(jìn)一步提高探測(cè)精度和垂直分辨率以滿足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展的需求。為此,美國(guó)和歐洲近年來(lái)啟動(dòng)了一系列高光譜分辨率大氣探測(cè)儀器的研制計(jì)劃。例如,美國(guó)計(jì)劃近期在NASA的靜止試驗(yàn)衛(wèi)星EO-3上搭載高光譜紅外大氣探測(cè)儀GIFTS(GeosynchronousImagingFourierTransformSpectrometer)。GIFTS的觀測(cè)和運(yùn)行結(jié)果,還將用于確定和研制高分辨率大氣探測(cè)儀器ABS(AdvancedBaselineSounder)/HES(HyperspectralEnvironmentalSensor),并搭載于計(jì)劃在2010年以后發(fā)射的NOAA靜止業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-R上。另外,美國(guó)和歐洲還分別計(jì)劃在2010年以前,在極軌衛(wèi)星上搭載跨軌紅外探測(cè)儀(Cross-trackInfraredSounder,CrIS)以及干涉式紅外大氣探測(cè)儀(InfraredAtmosphericSoundingInterferometer,IASI)。中國(guó)對(duì)發(fā)展此類探測(cè)技術(shù)也十分重視。在20世紀(jì)90年代初,國(guó)家衛(wèi)星氣象中心就開(kāi)始調(diào)研高光譜分辨率大氣探測(cè)原理和技術(shù)實(shí)施途徑。在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,提出了發(fā)展中國(guó)干涉式大氣垂直探測(cè)儀的應(yīng)用需求。中國(guó)未來(lái)的風(fēng)云三號(hào)和風(fēng)云四號(hào)都將搭載干涉式紅外大氣探測(cè)儀。如何利用這些高光譜分辨率探測(cè)資料得到可靠的大氣溫度和濕度廓線是未來(lái)中國(guó)大氣反演理論和方法研究領(lǐng)域中的一個(gè)非常重要的研究課題。3.2云特性的衛(wèi)星遙感近20a來(lái),數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方法得到了迅速發(fā)展。由于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)通過(guò)數(shù)值求解控制大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程組來(lái)預(yù)報(bào)未來(lái)的天氣形勢(shì)、天氣現(xiàn)象和氣象要素值,因此具有其他預(yù)報(bào)方法難以比擬的優(yōu)點(diǎn)。影響數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的因素很多,其中一個(gè)最重要的因素就是人們對(duì)云特性尚缺乏足夠的了解。這一問(wèn)題事實(shí)上已經(jīng)成為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)發(fā)展所迫切需要解決的問(wèn)題。因此,近年來(lái)云特性的研究受到人們的廣泛關(guān)注。云特性參數(shù)包括云量、云的類型、熱力學(xué)相態(tài)、云頂溫度、含水量、云滴有效半徑和云場(chǎng)中相對(duì)濕度垂直分布等。由于云參數(shù)具有較強(qiáng)的時(shí)空變化特性,衛(wèi)星遙感將成為云特性觀測(cè)研究的主要技術(shù)手段。近幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者廣泛開(kāi)展了云檢測(cè)、分類、云光學(xué)厚度、含水量、云滴有效半徑等云特性參數(shù)的衛(wèi)星遙感研究。當(dāng)天空中有云層存在時(shí),云在可見(jiàn)光波段具有較大的反射率。另一方面,云頂溫度通常低于地表溫度,有云存在時(shí)向外層空間的熱輻射小于無(wú)云時(shí)的向外熱輻射?；谏鲜鍪聦?shí),人們發(fā)展了多種利用衛(wèi)星資料檢測(cè)云量的方法。白慧卿等建立了云系識(shí)別的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法;師春香等采用多閾值和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)GMS紅外云圖進(jìn)行自動(dòng)分割試驗(yàn);方宗義設(shè)計(jì)了一種適用于東亞和熱帶海洋地區(qū)的云參數(shù)處理方法;劉希等建立了一種云檢測(cè)的動(dòng)態(tài)閾值法,該方法采用直方圖曲線斜率變化最大位置對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星測(cè)值作為云判識(shí)的閾值,取得了較好的云檢測(cè)結(jié)果,目前該方法已經(jīng)用于生成“風(fēng)云二號(hào)”衛(wèi)星的云檢測(cè)產(chǎn)品。在云特性的衛(wèi)星遙研究中,通常將云分為高、中和低云。許健民等提出了一種結(jié)合紅外和水汽通道確定高、中和低云的方法。該方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于生成“風(fēng)云二號(hào)”衛(wèi)星的云跡風(fēng)產(chǎn)品。衛(wèi)星遙感云的光學(xué)厚度和云滴有效半徑的基本原理是在可見(jiàn)光波段,云的反射函數(shù)主要依賴于云的光學(xué)厚度;在近紅外波段和中紅外波段,云的反射函數(shù)主要依賴于云滴有效半徑。劉健等定性地分析了云圖與云的微物理特性的關(guān)系。趙鳳生等提出了一個(gè)利用AVHRR觀測(cè)資料反演云光學(xué)厚度和云滴有效半徑的迭代方法。對(duì)反演誤差的數(shù)值分析結(jié)果表明,反演精度與云光學(xué)厚度和云滴有效半徑的大小有關(guān)。對(duì)于5%蹬測(cè)量誤差而言,大部分情況下層積云光學(xué)厚度的反演誤差小于10%,云滴有效半徑的反演誤差大約為1～2μm。云特性的衛(wèi)星遙感是一個(gè)長(zhǎng)期的研究課題。夜間或逆溫情況下的低云檢測(cè)、云分類和相態(tài)的識(shí)別以及如何準(zhǔn)確描述云的形態(tài)和非球型冰晶粒子的輻射效應(yīng)等問(wèn)題至今還沒(méi)有得到很好的解決。3.3關(guān)于氣溶膠光學(xué)厚度和sa由于氣溶膠具有較強(qiáng)的時(shí)空變化特性,衛(wèi)星遙感已經(jīng)成為了解氣溶膠時(shí)空分布的必要手段。80年代中期,趙柏林等利用AVHRR資料,進(jìn)行了海上氣溶膠遙感的試驗(yàn)。周明煜等利用AVHRR資料分析了沙塵暴特性。趙鳳生等提出了一種利用水色衛(wèi)星資料同時(shí)反演氣溶膠光學(xué)厚度、Junge譜值數(shù)和離水反射率的方法。李正強(qiáng)和趙鳳生利用GMS資料反演了中國(guó)東海上氣溶膠光學(xué)厚度。為了減小由于實(shí)際大氣中譜分布不確定性所造成的氣溶膠光學(xué)厚度的反演誤差,趙鳳生等通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)說(shuō)明了對(duì)于衛(wèi)星遙感而言,如果同時(shí)反演氣溶膠光學(xué)厚度和Junge譜指數(shù),利用Junge譜分布近似實(shí)際大氣中通常觀測(cè)到的雙模譜所造成的誤差僅為百分之幾。該研究基本上解決了衛(wèi)星遙感氣溶膠研究中的氣溶膠譜分布不確定性的影響問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上,他們提出了一種同時(shí)反演氣溶膠光學(xué)厚度和Junge譜指數(shù)的迭代方法。通過(guò)和地面觀測(cè)結(jié)果對(duì)比,說(shuō)明了迭代方法具有較高的精度。陸地上氣溶膠光學(xué)厚度的衛(wèi)星遙感仍然是一個(gè)困難的課題。目前中國(guó)學(xué)者大都采用MODIS暗目標(biāo)方法。該方法的精度會(huì)受到地表反射率和氣溶膠光學(xué)特性(如單次散射反照率)的不確定性的影響。3.4微波降水研究被動(dòng)遙感降水的方法分為可見(jiàn)光與紅外降水估計(jì)方法和微波降水反演方法。由于衛(wèi)星觀測(cè)的可見(jiàn)光和紅外光譜信號(hào)主要包含的是云頂層信息,微波遙感降水日益受到人們的重視。吳蓉璋和Weinman模擬了SSM/I高頻和低頻通道對(duì)降水的敏感性,指出高頻通道對(duì)云頂部冰晶粒子濃度敏感,低頻通道對(duì)云底部水滴濃度比較敏感。這一研究成果為發(fā)展微波降水反演方法奠定了基礎(chǔ)。卞建春等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法用于反演降水。呂達(dá)仁等開(kāi)發(fā)了用于降水估計(jì)的綜合統(tǒng)計(jì)算法。傅云飛等利用TRMM衛(wèi)星的測(cè)雨雷達(dá)和微波成像儀探測(cè)結(jié)果,研究了降水系統(tǒng)的水平和垂直結(jié)構(gòu),以及TMI微波亮溫對(duì)降水強(qiáng)弱和分布的響應(yīng)。吳慶梅等探討了中國(guó)江淮、華南降水的微波特性,研究了散射指數(shù)與降水的相關(guān)特征,并開(kāi)展了初步的雨強(qiáng)反演研究。3.5許健民通過(guò)各自為政的算法計(jì)算風(fēng)場(chǎng)用靜止氣象衛(wèi)星的圖像估算風(fēng)場(chǎng),其主要任務(wù)是準(zhǔn)確地追蹤示蹤云的位移,以及準(zhǔn)確地指定示蹤云中圖像特征的高度。中國(guó)的衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)研究工作起步于80年代。國(guó)家衛(wèi)星氣象中心、中國(guó)氣象科學(xué)研究院、北京大學(xué)、南京氣象學(xué)院都曾有人研究過(guò)衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng),其中國(guó)家衛(wèi)星氣象中心許健民研究組[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30]的研究成果投入了業(yè)務(wù)使用,并且在國(guó)際同行中有影響和地位。許健民研究組的算法與目前國(guó)際上流行的算法相比,在3個(gè)地方有進(jìn)步:(1)在示蹤云識(shí)別方面,目前各個(gè)計(jì)算中心都在搜索區(qū)內(nèi)計(jì)算相關(guān)系數(shù)全矩陣,取其最大值追蹤示蹤云,為了節(jié)減計(jì)算工作量,搜索區(qū)取得較小,用數(shù)值預(yù)報(bào)場(chǎng)作初始值。提出了簡(jiǎn)算算法,搜索區(qū)取得較大,不用數(shù)值預(yù)報(bào)做初值。試驗(yàn)計(jì)算表明,在與搜索區(qū)全部計(jì)算結(jié)果完全等價(jià)的前提下,這種的算法工作量節(jié)減到原來(lái)的1/8左右。而且這種算法只需一臺(tái)微機(jī),還大大地提高了風(fēng)的計(jì)算密度,所得風(fēng)場(chǎng)可描繪出輻合、輻散等細(xì)節(jié)。這種算法在1996年第24屆國(guó)際氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織會(huì)議上被記錄為重要特征;(2)在幾何方面,目前各個(gè)計(jì)算中心都用矢量方法計(jì)算風(fēng)向風(fēng)速,許健民研究組則用球面三角幾何公式計(jì)算,算法簡(jiǎn)單,精度高;(3)在高度估計(jì)方面,國(guó)家衛(wèi)星氣象中心的算法同國(guó)外通用的算法一樣也用紅外和水汽兩個(gè)通道的測(cè)值估計(jì)示蹤云中圖像特征的高度。與其他中心不同的是,許健民研究組的算法在利用水汽通道的測(cè)值對(duì)紅外通道所表征的高度進(jìn)行訂正之前,首先通過(guò)考察示蹤云內(nèi)紅外、水汽兩個(gè)通道測(cè)值的分布和分裂窗測(cè)值差的極值,以區(qū)分薄卷云和低云,然后再對(duì)薄卷云進(jìn)行高度訂正,而對(duì)低云則不進(jìn)行訂正。這就充分利用了原來(lái)認(rèn)為高度指定不易做準(zhǔn)確的薄卷云。利用了薄卷云后,衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)的分布大大改進(jìn)。這種高度訂正方法在1998年第4屆國(guó)際云導(dǎo)風(fēng)會(huì)議上被記錄為重要進(jìn)展。4氣象衛(wèi)星成為當(dāng)代地球大氣探測(cè)的國(guó)內(nèi)骨干自1960年4月1日第1顆氣象衛(wèi)星上天以來(lái),隨著技術(shù)的進(jìn)步和投入的增加,氣象衛(wèi)星已有業(yè)務(wù)和試驗(yàn)等多種類別,極軌和地球靜止業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星也經(jīng)歷了多次更新?lián)Q代。所有這一切均使氣象衛(wèi)星的探測(cè)能力、應(yīng)用領(lǐng)域和服務(wù)效益發(fā)生著巨大變化。目前,氣象衛(wèi)星已經(jīng)成為當(dāng)代地球大氣探測(cè)系統(tǒng)的中堅(jiān)和骨干。由氣象衛(wèi)星獲取的地球大氣信息已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于大氣科學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科。下面簡(jiǎn)要地評(píng)述中國(guó)衛(wèi)星氣象工作者利用中國(guó)和國(guó)外氣象衛(wèi)星資料,在氣象研究和應(yīng)用服務(wù)方面取得的主要成果。4.1暴雨云團(tuán)的天氣特征中國(guó)從1969年開(kāi)始接收和利用國(guó)外的氣象衛(wèi)星資料,在20世紀(jì)70和80年代,中國(guó)衛(wèi)星氣象工作者利用衛(wèi)星云圖,從天氣學(xué)的角度,對(duì)影響中國(guó)的天氣系統(tǒng)進(jìn)行了全面的分析,大大深化了我們?cè)谶@方面的認(rèn)識(shí)。其中主要包括:在臺(tái)風(fēng)和熱帶天氣系統(tǒng)分析方面,提出了臺(tái)風(fēng)的定位和強(qiáng)度估計(jì)方法,臺(tái)風(fēng)發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的云型演變,赤道輻合帶的特征及熱帶云團(tuán);在中緯度天氣系統(tǒng)分析方面,概括出了鋒面和氣旋的云型特征,尤其是在高空旋渦和梅雨鋒結(jié)構(gòu)等的研究方面工作更多、更深入;對(duì)高空急流、西南低渦和暴雨的降水云系特征等方面,也有相應(yīng)的研究工作。有關(guān)這段時(shí)期的研究成果,在陶詩(shī)言、方宗義等和呂達(dá)仁、王普才的綜述文章中均有較詳細(xì)的介紹,并給出較全面的參考文獻(xiàn)。1985年以來(lái),隨著氣象衛(wèi)星定量遙感探測(cè)能力的增強(qiáng),衛(wèi)星探測(cè)資料在暴雨、中尺度對(duì)流云團(tuán)等方面的研究更加深入。方宗義分析了梅雨鋒上的中尺度云團(tuán),給出了云團(tuán)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)結(jié)構(gòu)及其最有利于中尺度暴雨云團(tuán)發(fā)展的高、低層天氣尺度系統(tǒng)的配置。陶祖鈺等、白潔和王洪慶等在對(duì)一個(gè)中尺度對(duì)流復(fù)體進(jìn)行發(fā)展、演變分析的基礎(chǔ)上,提出了對(duì)他們進(jìn)行識(shí)別和追蹤的方法。江吉喜等則對(duì)華南地區(qū)的中尺度對(duì)流性云團(tuán)的特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)特征分析,指出了云團(tuán)活動(dòng)的源地,及其日變化特征。此后,項(xiàng)續(xù)康和江吉喜又研究了中國(guó)南方的中尺度對(duì)流復(fù)合體,得到了10個(gè)中尺度對(duì)流復(fù)合體的平均生命史為18h,最長(zhǎng)22h,最短11h,90%以上發(fā)生于北京時(shí)間18～05時(shí),具有顯著的夜發(fā)性。江吉喜和范梅珠利用逐時(shí)的GMS紅外亮溫,計(jì)算和分析了青藏高原及其周邊地區(qū)對(duì)流云和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的活動(dòng)、形成、發(fā)展的月際變化和地理分布;它們的強(qiáng)度、日變化、移動(dòng)和傳播特征;對(duì)流主要發(fā)生在高原的中南部。主要活動(dòng)于下午—前半夜,北京時(shí)19時(shí)為峰值,09～13時(shí)最弱。鄭新江等則繼肖穩(wěn)安之后對(duì)華北強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的活動(dòng)及其天氣特征進(jìn)行分析,不僅給出了統(tǒng)計(jì)特征,還指出了云團(tuán)與大風(fēng)的關(guān)系,云團(tuán)頂部的TBB分布和其移動(dòng)演變過(guò)程。1998年中國(guó)發(fā)生了自1954年以來(lái)長(zhǎng)江全流域最強(qiáng)的一次梅雨暴雨洪澇災(zāi)害,不少氣象人員利用氣象衛(wèi)星資料對(duì)這類暴雨過(guò)程進(jìn)行了分析。師春香等制作了TBB的時(shí)間-經(jīng)度剖面圖,較清楚地追蹤到了3段梅雨期中的主要降水過(guò)程及其上的中尺度云團(tuán)活動(dòng),通過(guò)逐時(shí)的衛(wèi)星云圖及云頂亮溫分析,指出了梅雨鋒上的β中尺度云團(tuán)在地形及環(huán)境場(chǎng)的影響下,可以自東向西移動(dòng)。隨著由多種氣象衛(wèi)星傳感器得到的資料種類及其加工產(chǎn)品的增加,如何利用多種信息揭示暴雨云團(tuán)的特征就提上了日程。覃丹宇等把云圖的TBB資料、ATOVS反演的溫濕度場(chǎng)資料、OLR、云導(dǎo)風(fēng)資料和水汽圖像等資料結(jié)合在一起,較好地揭示了一次暴雨過(guò)程的多尺度特征及其中的中尺度暴雨云團(tuán)的活動(dòng)與演變。在國(guó)家973計(jì)劃支持下的“中國(guó)災(zāi)害性天氣形成機(jī)理和預(yù)測(cè)理論研究”項(xiàng)目中,利用衛(wèi)星遙感手段獲取暴雨信息,研究其形成機(jī)理是其主要內(nèi)容之一。在文獻(xiàn)中,利用多種遙感信息,從多個(gè)側(cè)面分析了2002,2003年多次暴雨過(guò)程的行星尺度和天氣尺度的特點(diǎn),尤其是其中的中尺度暴雨云團(tuán)的活動(dòng)及演變。不僅揭示了暴雨過(guò)程中天氣尺度系統(tǒng)與中尺度系統(tǒng)之間的相互作用,暴雨的多尺度特性及中尺度對(duì)流復(fù)合體(MCC)與中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)之間的共同點(diǎn)和差異,還給出了一個(gè)中尺度對(duì)流復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)。降水估計(jì)是衛(wèi)星資料應(yīng)用的一個(gè)重要方面,國(guó)內(nèi)外許多氣象工作者從事這方面的研究,形成了可供業(yè)務(wù)應(yīng)用的方法。吳蓉璋利用云型識(shí)別技術(shù),發(fā)展出了利用GOES衛(wèi)星的可見(jiàn)光和紅外通道的輻射測(cè)值估計(jì)三級(jí)降水率(即0級(jí)無(wú)雨:0≤R<0.5mm/h;1級(jí)小雨:0.5≤R<5.0mm/h;2級(jí)強(qiáng)降水:5.0mm/h≤R)的方法。王立志等利用GMS-5的4通道云圖,發(fā)展出了自動(dòng)云分類技術(shù),并在此基礎(chǔ)上提出了降水估計(jì)方法。盧乃錳和吳蓉璋在分析中國(guó)降水云團(tuán)的灰度、灰度梯度及其隨時(shí)間演變等特征的基礎(chǔ)上,提出利用衛(wèi)星資料估計(jì)對(duì)流性降水的方法,并制作成業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件,進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。郁凡等在分析GMS-5衛(wèi)星多光譜傳感器的光譜特性與降水的關(guān)系基礎(chǔ)上,發(fā)展出可以估計(jì)6種不同降水狀況(晴空、無(wú)雨、小雨、中雨、大雨和暴雨)的降水強(qiáng)度場(chǎng)分析技術(shù)。利用氣象衛(wèi)星資料分析熱帶氣旋已經(jīng)成為氣象業(yè)務(wù)工作的內(nèi)容之一,發(fā)揮了很好的效益。方宗義等在分析熱帶氣旋不同發(fā)展階段的云型特征的基礎(chǔ)上,提出了利用衛(wèi)星云圖估計(jì)熱帶氣旋強(qiáng)度的方法。江吉喜在Dvorak方法的基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)利用增強(qiáng)紅外衛(wèi)星云圖分析熱帶氣旋的方法,包括確定熱帶氣旋中心位置和估計(jì)熱帶氣旋強(qiáng)度等兩個(gè)部分。方翔等則利用高密度的衛(wèi)星云跡風(fēng)資料分析發(fā)展和不發(fā)展兩類熱帶氣旋的對(duì)流層上部環(huán)流特征,指出了西風(fēng)急流和對(duì)流層上部槽(TUTT)的位置對(duì)于構(gòu)成熱帶氣旋發(fā)展的高空輻散場(chǎng)具有十分重要的作用。丁偉鈺和陳子通利用TRMM衛(wèi)星得到的3h降水資料分析了2002年登陸廣東的熱帶氣旋的詳細(xì)降水分布,揭示出外圍降水加大,則中心附近降水減弱。4.2影響數(shù)值預(yù)報(bào)的因素把氣象衛(wèi)星探測(cè)的全球大氣狀況參數(shù)輸入數(shù)值預(yù)報(bào)模式是改善常規(guī)探測(cè)資料不足,提高模式預(yù)報(bào)精度和延長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效的重要手段,也是發(fā)展衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)的初衷之一。長(zhǎng)時(shí)期出來(lái),由于衛(wèi)星反演產(chǎn)品的精度不高、衛(wèi)星探測(cè)方式與常規(guī)探測(cè)不同,直到20世紀(jì)80年代,氣象衛(wèi)星資料對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的影響甚微,在一些地區(qū)甚至出現(xiàn)負(fù)效應(yīng)。最近10多年,遙感探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模式初值處理技術(shù)的進(jìn)步,計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度呈量級(jí)提高,更多、更好的衛(wèi)星遙感觀測(cè)值已經(jīng)成為提高模式預(yù)報(bào)性能的主要途徑。目前,美國(guó)和ECMWF的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)輸入的觀測(cè)資料中85%來(lái)自衛(wèi)星的輻射測(cè)值和加工處理出來(lái)的各種要素和參數(shù)。中國(guó)的氣象工作者在探索如何在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中應(yīng)用衛(wèi)星測(cè)值,也經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。王宗皓等把NOAA衛(wèi)星探測(cè)得到的大氣厚度場(chǎng)資料輸入北半球數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng),進(jìn)行影響試驗(yàn),結(jié)果表明存在影響,且與地區(qū)和天氣系統(tǒng)有關(guān)。此后,他們把NOAA衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)輸入B模式,對(duì)海平面氣壓場(chǎng)和500hPa高度場(chǎng)預(yù)報(bào)的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明對(duì)系統(tǒng)性誤差均有影響,但影響的大小與地區(qū)、天氣系統(tǒng)、季節(jié)等均有關(guān)。此后,王子厚等把HIRS/2的輻射亮溫值通過(guò)最優(yōu)插值方法(OI),與其他觀測(cè)資料組合在一起,形成含有衛(wèi)星探測(cè)信息的初始場(chǎng),對(duì)比試驗(yàn)表明,在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中直接使用輻射亮溫比使用反演結(jié)果好。王超等進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)/衛(wèi)星反演/數(shù)據(jù)同化的預(yù)報(bào)試驗(yàn),結(jié)果表明,對(duì)臺(tái)風(fēng)中心強(qiáng)度預(yù)報(bào)有所影響。在用輻射傳輸方程,由衛(wèi)星輻射測(cè)值反演大氣溫度和濕度廓線的過(guò)程中,一些資料處理的誤差代入了反演結(jié)果,使原本精度就不高的衛(wèi)星測(cè)值就更加雪上加霜。為了克服這一問(wèn)題,近年來(lái)大多采用高分辨同化技術(shù),直接同化衛(wèi)星觀測(cè)的輻射率。翁永輝和徐祥德在非靜力的MM5模式中,通過(guò)變分處理,引入TOVS資料,其結(jié)果表明可顯著改善高原地區(qū)的初始場(chǎng)信息。孟智勇等在MM5第2版本的模式中,采用牛頓張馳逼近(Nudging)方法,把TOVS的亮溫資料四維同化進(jìn)入模式。試驗(yàn)結(jié)果表明,能成功地模擬出1998年7月20日武漢的特大暴雨及低層中尺度低渦、低空西南急流等主要影響系統(tǒng)。徐祥德等利用衛(wèi)星TOVS資料,通過(guò)變分和濾波處理技術(shù)對(duì)1998年7月20～23日武漢—黃石的特大暴雨進(jìn)行了診斷分析,揭示了大暴雨的MCC特征,對(duì)流系統(tǒng)的復(fù)合偶極子特征等。變分同化后的初始場(chǎng)能提取出更多的中尺度信息。潘寧等采用三維增量變分同化技術(shù)把ATOVS資料同化進(jìn)入MM5模式,結(jié)果表明,對(duì)流層中上部的溫度場(chǎng)預(yù)報(bào)有較大改進(jìn),對(duì)水汽混合比預(yù)報(bào)也有正效應(yīng)。無(wú)論是三維變分同化,還是四維變分同化,作為把衛(wèi)星遙感輻射測(cè)值和數(shù)值預(yù)報(bào)模式變量(t,q,p,u,v,w)關(guān)聯(lián)在一起的觀測(cè)算子,即輻射傳輸方程的正演求解是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)?？焖佥椛鋫鬏斈Ｊ降哪M性能及其誤差狀況是必須弄清楚的問(wèn)題。馬剛等研究了云參數(shù)對(duì)快速輻射傳輸模式(RTTOV)模擬誤差的影響,弄清了云和下墊面對(duì)不同探測(cè)通道的影響大小,均方根誤差隨掃描角和觀測(cè)角的變化,以及均方根誤差與地形高度的關(guān)系。張華用快速輻射傳輸模式RTTOV,把AMSU資料同化到T213的初始場(chǎng)中,然后把同化后的三維場(chǎng)輸入試驗(yàn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式WRF,對(duì)2002年7月4～6日的臺(tái)風(fēng)威馬遜的路徑預(yù)報(bào)表明,其21和45h的預(yù)報(bào)結(jié)果均更加接近實(shí)況,由此得到的臺(tái)風(fēng)三維結(jié)構(gòu)及其變化也更加真實(shí)。4.3氣象衛(wèi)星研究在物理氣候系統(tǒng)中,環(huán)繞地球的五大圈層的相互作用和演變構(gòu)成了氣候的現(xiàn)狀和演變。氣候監(jiān)測(cè)首先是對(duì)五大圈層的監(jiān)測(cè)。在這方面,氣象衛(wèi)星的全球覆蓋,高時(shí)空分辨率等特點(diǎn)具有獨(dú)特的作用。邱康睦等研究了利用NOAA衛(wèi)星AVHRR資料處理生成海面溫度(SST)的原理、方法和軟件。在此基礎(chǔ)上,在國(guó)家衛(wèi)星氣象中心形成了生成海面溫度的業(yè)務(wù)能力。肖乾廣等、盛永偉等研究了利用NOAA衛(wèi)星AVHRRch1和ch2生成植被指數(shù)的原理、方法和軟件,并在此基礎(chǔ)上發(fā)展衛(wèi)星遙