气象卫星数据产品应用和服务发展

· 文|国家卫星气象中心 杨军 刘健

气象卫星数据产品应用和服务发展

· 文|国家卫星气象中心 杨军 刘健

一、概述

我国的气象卫星事业发展迅速，自1988年至今，我国已成功发射了13颗风云系列气象卫星，包括7颗极轨气象卫星和6颗静止气象卫星。极轨气象卫星实现了“更新换代、上下午星组网观测”，静止气象卫星实现了“多星观测、在轨备份、适时加密”的业务模式，气象卫星遥感应用取得了令人瞩目的成就，风云气象卫星从整体上实现了业务化、系列化的发展，实现了从“试验应用型”向“业务服务型”转变的目标。目前，风云三号A/B/C极轨气象卫星和风云二号D/E/F静止气象卫星在轨稳定运行，被世界气象组织（WMO）纳入全球业务应用气象卫星序列，成为全球综合地球观测系统的重要成员。

国家卫星气象中心自1978年开始接收、处理和存档各类卫星数据，至今已存档近5PB（双份）各类气象卫星数据，是国内最大的数据中心之一。众多气象卫星上搭载的有效载荷覆盖了从可见光、近红外、热红外、微波波段等光谱段。不同卫星探测器拥有不同的空间和时间探测分辨率，目前常用的气象卫星数据的空间分辨率最高可达250m，时间分辨率最高可达6min。自主研发和处理生成的大气和地球表面环境监测多源气象卫星图像产品、定量产品和分析产品已达数十种，在日常的业务数据产品中，不仅有各种图像产品，而且包含有大气（大气温湿廓线、云参数、降水、云导风、气溶胶、臭氧等）、陆表（地表温度、植被指数、积雪、土壤湿度、洪涝监测、火情）、海表（海表温度、海洋水色、海表风速等）等多种产品[1]。多种卫星数据产品的综合运用，为天气预报、气候监测、环境监测、灾害监测提供了较为丰富的数据源，为气象、海洋、农业、林业、水利、航空、航海、环境保护及军事等部门提供了大量公益性和专业性服务，在防灾减灾的监测预警服务以及政府决策服务方面收效显著，取得了良好的社会和经济效益[2]。

目前，我国已构建起以北京、广州、乌鲁木齐、佳木斯4个国家级地面接收站和瑞典基律纳站组成的气象卫星数据接收网络，形成了以国家级数据处理和服务中心为主体，以31个省级卫星遥感应用中心和2500多个卫星资料接收利用站组成的全国卫星遥感应用体系；除接收风云系列气象卫星外，还接收利用美国、日本、欧洲等国家和组织的多颗卫星资料。采用卫星数字视频广播（DVB-S2）技术建成的风云气象卫星数据广播分发系统CMACast，是全球地球观测组织（GEO）的全球卫星数据广播分发体系的三个核心成员之一。目前，CMACast用户接收站已超过二百多套，极大提升了中国风云气象卫星的国际影响力。国家卫星气象中心依托风云气象卫星地面应用系统工程，构建了气象卫星数据共享平台，通过广播系统、互联网等方式提供卫星数据共享服务，为国内各部门、各行业用户提供气象数据和产品共享服务。

二、气象卫星数据产品的应用

多年的应用实践表明，气象卫星探测与其他观测相比较，有许多优点。气象卫星在离地球几百千米和几万千米的宇宙空间对地球大气进行观测，可以不受国界和地理条件的限制实现全球的观测。气象卫星观测可以得到每日的可见光、红外和水汽等多谱段图像资料、大气垂直探测资料、微波探测资料、太阳质子和粒子资料。观测的资料不仅有定性观测资料，还有定量观测资料，并且可以实现长期连续观测。采用多个光谱段，以短的时间间隔测量，能及时掌握云系演变和各种气象要素，为天气预报提供重要依据。气象卫星遥感还可以实现许多常规探测无法进行的观测，如：辐射、云、气溶胶、大气成分、陆面状况（土壤湿度、植被）、海冰、大地水准面高度、海面风、海表水温等。这些要素的获取，在地球和空间环境监测、气候变化的预测、天气预报准确率的提高、灾害性天气系统的监测、由天气事件引发的环境灾害监测等方面发挥着重要的作用。

1.在天气中的应用

高质量数值天气预报的关键是它的观测基础。一方面，大量高质量的卫星资料目前可以在全球范围内作为日常业务可靠地获得。其中有许多资料是通过国际合作由外国的气象卫星提供的，风云气象卫星也向外国同行提供我国的观测资料。另一方面，过去20年以来的研究工作已经大大改善了卫星资料和数值天气预报模式耦合的方式。现在，卫星资料已经成为全球数值天气预报所依赖的最重要的观测系统。目前，中国气象局正大力开展卫星资料在数值预报中的应用研究，这是提高天气预报准确率的重要手段，将卫星探测资料加入到数值预报的三维同化系统中，能显著提高数值天气预报的精度和时效。风云二号卫星的一些产品，如卫星导风、水汽晴空辐射等，经过同化试验后表明有显著的应用潜力。由于第一代风云极轨气象卫星只有成像仪器，难以对数值天气预报提供强有力的支持，因此，我国在发展第二代极轨气象卫星风云三号时，将红外和被动微波垂直探测技术作为优先考虑的对象。风云三号卫星大气探测仪器资料，是数值预报模式直接辐射同化的重要资料源，已陆续应用到业务模式中。

热带气旋是生成于热带或副热带洋面，具有有组织对流和气旋性环流的一种非锋面性涡旋。1970年代以前，全球范围内单个台风造成10万以上人死亡的个例共发生过7次，其中有1次发生在中国和越南。由于海洋是常规气象观测的盲区，而地面雷达探测距离有限（最远为460km），气象卫星资料具有视野开阔、观测范围广、观测时次多等优点，因此自20世纪60年代气象卫星投入业务运行以来，卫星观测就成为对热带气旋监测最主要的手段，尤其对远海热带的监测，卫星资料几乎成为热带气旋监测分析的唯一手段。风云气象卫星已成为台风观测最主要的手段。云图和其他气象卫星定量观测资料用于分析和预报台风的位置、强度和天气，做到了一个不漏，大大减小了台风所造成的损失。

中央气象台先后建立和完善了基于静止气象卫星云图的台风强度客观估计系统和台风客观定位系统，并初步建立了基于静止气象卫星TBB资料的台风大风反演算法，极大地提高了我国台风业务定位定强和台风大风分布业务分析的客观定量技术支撑能力，并大大缩小了与国际其他先进业务中心的差距。风云二号静止气象卫星高频次观测数据的使用使得热带气旋24小时路径预报误差2012年为91km，2013年缩少到82km（图1）。

图1 热带气旋24小时路径预报误差

我国西部，尤其是青藏高原的气象观测站极其稀少，长期以来人们很难获得全面系统的认识。我国的风云系列气象卫星资料不仅揭示出来自印度洋涌上高原的热带云系的发生、发展和演变，以及影响我国西南直至东部地区天气系统，最重要的是，风云系列气象卫星探测资料填补了我国青藏高原地区气象观测资料的空白。

2.在气候监测与气候变化研究中的应用

以卫星遥感为主的空基观测是近40年发展起来的一项新型探测技术，它具有覆盖范围广、信息量大、重复频率高、信息源可靠等诸多优势，是其他任何常规观测都无法替代的重要信息源。未来10到20年，以遥感手段特别是基于空间的卫星遥感技术将逐步成为主要探测手段，以遥测手段特别是基于地基的遥测系统将作为综合探测的基准系统。我国大范围降水和温度的异常分布与厄尔尼诺、拉尼娜事件为代表的太平洋海表水温异常，陆地上的植被分布、极地和青藏高原上的积雪分布等大范围陆地表面状态异常有关系。气象卫星提供了这些大范围海洋和陆地表面状态异常的信息，为短期气候预测提供了依据。

研究表明，青藏高原积雪对中国夏季风气候的影响是显著的[3]。积雪的增加会明显减弱亚洲夏季风的强度，使华南的降水减少，江淮流域的降水增多。高原冬季积雪深度的增加，比积雪面积的扩大和春季积雪深度的增加对后期气候的影响更大。利用长时间序列卫星数据，制作积雪覆盖监测产品。从多年的积雪覆盖监测图中可见（图2），在我国的东北和青藏高原地区都有明显的年际变化。

图2 基于气象卫星数据的青藏高原积雪覆盖面积多年变化图

3.在大气环境监测中的应用

风云三号气象卫星建立了我国气象卫星监测大气成分的里程碑，在国内首次实现了从卫星遥感监测获取全球的臭氧总量、臭氧廓线、可见光气溶胶光学厚度以及紫外气溶胶指数产品，可以实现对我国以及全球大气臭氧浓度、气溶胶污染、霾、沙尘、火山灰以及区域秸秆焚烧烟霾的强度和分布等大气环境状况进行实时监测。可为我国环境气象业务的开展提供卫星定量监测数据。

目前在轨的3颗风云三号气象卫星具备全球上述大气环境的探测能力，上下午星组网探测，每天可以对全球实现6次监测。从2013年1月起，每天例行开展我国大气霾污染的定性和定量监测，为我国的环境气象业务提供卫星探测的结果，并且利用卫星监测结果和大气运动轨迹，可以分析大气霾污染的程度、影响面积及其输送过程，迄今为国家提供了十多份重要的决策服务报告。2013年8月12日，风云三号B星臭氧产品正式提供给WMO下属的世界臭氧与紫外线辐射数据中心（WOUDC） ，纳入全球臭氧监测数据交换。

我国地处欧亚大陆东部。每年春天，我国北方都会不同程度地受到沙尘天气的影响。由于沙尘的起源和发生地通常是常规气象观测比较薄弱的地区，因而气象卫星成为监测沙尘的最有力工具。利用风云静止卫星资料，可以动态监测沙尘的起源、移动路径以及发生发展过程；利用风云极轨卫星资料，可以定量反演大气中悬浮沙尘的光学厚度以及载沙量等。

火山灰云是严重影响航空飞行安全的因素之一。从长期来看，大规模的火山灰云不仅可造成气温、降雨的异常；还可造成大气污染、臭氧层被破坏，形成酸雨、加剧温室效应等现象，对全球气候和环境产生深远影响。因此，建立全球的火山灰云预警和动态监测业务受到各国政府、科学家和公众的普遍重视。2010年3月20日晚上11：30左右，在经历了将近200年的休眠期之后，冰岛南部的艾雅法拉冰河火山爆发。随着火山爆发喷出的大片灰云向南漂移到北大西洋，造成来往北欧至全球的航空交通大瘫痪，数以千计的航班遭遇延误和停飞，由此带来的经济损失高达每天2.5亿美元。以风云三号A星为遥感数据源，建立了普适性更强的火山灰云遥感监测动态模型（图3）。

图3 基于风云三号A星 STVA指数检测出的火山灰云（世界时2010-04-19，12：45—12：50）

4.在环境和自然灾害监测中的应用

我国是环境和自然灾害种类较多、发生频繁的国家之一，风云系列气象卫星在洪涝、森林草原火情、沙尘暴、雪灾和海冰等监测中发挥了重要作用（图4）。

利用气象卫星观测数据可以清晰地区分地面上的水体和陆地，与背景资料比较，可以监测洪涝。在洪涝灾害发生期间，利用风云卫星资料，向国务院、水利部、国家遥感中心和有关省局提供了大量气象卫星洪涝监测产品，其中包括洪涝地区逐县水体增量百分比排队，为灾害评估提供了客观依据。风云卫星还观测到引黄灌溉水体的范围，为水利部门管理黄河水资源提供了客观依据。

利用气象卫星资料监测全国范围的火情，可以生成反映火灾位置、面积等的火情监测产品和信息，并及时传报国务院，传送至林业部防火办、农业部草原防火指挥部及森林武警等单位。风云卫星在重要火情监测中均发挥了重要作用。极轨卫星的观测通道多，分辨率高，静止卫星虽然分辨率略低，但每个小时都可以获得资料，为林火的实时监测作出了贡献。利用多年积累的火情发生数据，还可以揭示火险随季节和地区发生的风险等级，为有关部门科学防范火灾提供决策依据。

图4 利用气象卫星监测的典型灾害

三、气象卫星数据的共享服务

国家卫星气象中心依托风云气象卫星地面应用系统工程，构建了气象卫星数据共享平台。自2005年开始，为国内各部门、各行业用户提供气象数据和产品共享服务。

随着风云卫星观测能力不断增强，国内外用户对获取风云卫星数据的需求大大增长，同时对获取数据的时效性也提出了越来越高的要求。云计算所具有的服务能力具有分钟级甚至秒级的伸缩能力及具有较传统模式5 倍以上的性价比优势的特点为提高卫星数据服务质量提供了新的途径。

1.卫星数据共享服务

卫星数据的服务方式主要有：

1）卫星的直接广播，适用于具有静止气象卫星接收处理系统、极轨气象卫星接收处理系统或EOS/MODIS接收处理系统的用户。可接收的直接广播数据有风云二号D/E星的S-VISSR数据和风云三号卫星数据等。通过CMACast卫星广播系统还为中国及亚太周边地区（图5）提供业务实时各类卫星数据和产品。

图5 CMACast卫星广播覆盖区域

2） 基于Internet网络的数据服务。通过风云卫星遥感数据服务网，用户可以浏览、检索、下载所有实时和历史存档的卫星数据和产品。网站的设计具备基于传统文件方式的卫星数据检索下载方式和基于时空一体化的空间数据库设计的特点，在GIS平台的支撑下实现了遥感数据空间发布与订购，实现了全球遥感数据的二维和三维发布的功能。

3） 实时数据的FTP服务。通过国家卫星气象中心实时数据FTP 服务器登录的用户可直接下载最近1～3个月内各类气象卫星数据和产品。

2．风云卫星数据的国际共享

2003年第十四届世界气象大会通过提议，即建立一个通用、综合的、高效的信息服务平台——WMO信息系统（WIS），用于支撑WMO各项计划及其相关中心、国际组织和计划的数据交换和共享，并为各国的非气象和水文（NMHS）的用户（如：防灾减灾部门和研究机构）提供服务。在WMO各项计划中，承担资料和产品生成、加工、处理功能的中心，以及承担资料存档服务的中心将成为WIS中的卫星数据接收和处理中心（DCPC）。除资料收集、加工及存档功能外，DCPC还将提供WIS所支持其他基本功能，例如：元数据目录、互联网门户和数据的访问管理等。现有的区域专业气象中心（RSMC）以及区域气候中心将成为WIS中的DCPC，例如：英国哈德雷研究中心（Hadley Center），非洲气象应用发展中心（ACMAD），世界数据中心（美国Asheville，俄罗斯Obninsk），欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）和美国国家环境卫星资料信息局（NESDIS）等。在全球范围内，最终将建立约150个DCPC。国家卫星气象中心积极参与国际卫星数据交换，在2012年成为WIS的DCPC，为全球用户提供遵循WMO信息格式规范的风云系列卫星29类数据。

在双边合作框架下，与EUMETSAT、 NOAA实现卫星数据共享。为EUMETSAT提供包含 风云二号、风云三号两大系列卫星的13类数据，为 NOAA提供风云三号数据。

四、结语

中国是自然灾害易发国家。根据中国气象局资料统计, 在各类自然灾害中, 气象灾害大约占到70％以上。我国每年重大气象灾害影响的人口大约达4亿人次。近半个世纪以来, 发生在我国的重大气象灾害,受灾人口常高达数亿人次, 造成的直接经济损失高达数千亿元。其中气象灾害占自然灾害的71％。由台风、暴雨、暴雪、干旱、大风、雷电、高温、沙尘暴等各种气象灾害引发的经济损失大约占到国民生产总值的1％～3％。因此加强大气观测是防灾减灾的重要手段。

综上所述，气象卫星数据不仅在提高短临天气预报准确率、改善数值天气预报精度、长时间序列卫星气候数据对于气候事件的监测与评估等气象领域发挥重要作用，同时也在海洋、水利、农业、林业、交通、环境保护等各领域发挥作用。综合考虑气象卫星在各领域的应用，气象卫星投入与产出比大约为1：40。这意味着气象卫星在国家防灾减灾、应对气候变化等方面发挥着重大的作用。

[1]杨军,董超华.新一代风云极轨气象卫星业务产品及应用[M].北京:科学出版社，2011.

[2]杨军,许健民,董超华.风云气象卫星40年:国际背景下的发展足迹[J].气象科技进展,2011（1）:6-13.

[3]朱玉祥,丁一汇.青藏高原积雪对气候影响的研究进展和问题[J].气象科技,2007,35（1）:1-8.