风云气象卫星在汛期防灾减灾中的应用

文 | 咸迪 任素玲 邵佳丽 张元元 张海真 单天蝉 高浩国家卫星气象中心

一、概述

近年来，气候变化导致的气象灾害给人类生命财产安全造成了巨大损失，防灾减灾已成为各国政府特别关注的一项重要任务。从我国主要自然灾害的变化趋势来看，20世纪60年代以来我国极端强降水的时间逐年增多，仅2018年日降水量突破历史极值的测站就达到68个，持续和超强的降水带来的山洪、泥石流以及江河湖泊水位上涨等灾害造成巨大影响；20世纪90年代以来我国极端高温事件增多，并呈现出明显的年际变化特征，2018年突破历史极值的测站达到57个；同时，影响我国的西北太平洋台风活动虽然呈现逐年减少，但登陆我国的台风比例呈增加趋势，并且超强台风给沿海地区造成的经济损失也逐年上升，其中2019年“利奇马”台风造成的直接经济损失达537.2亿元。以上这些自然灾害主要发生在我国的伏汛期间，一般为每年5-10月，其中主汛期为6-9月。

我国风云气象卫星经过近50年的发展，已经成功发射17颗卫星，实现了地球静止轨道和极地轨道两个类型卫星从试验走向业务，从面向国内服务走向国际服务，逐步实现了我国自主研制气象卫星对国际气象卫星的替换。我国风云气象卫星数据和产品已经被广泛地应用于天气、气候、环境等近百个行业中。目前，我国风云气象卫星共有7颗卫星在轨，包括3颗极轨气象卫星（FY－3B、FY－3C和FY－3D)和4颗静止轨道气象卫星（FY－2H、FY－2G、FY－4A和FY－2F)。极轨气象卫星每日可以实现对全球的中分辨率光学成像、微波探测以及多光谱探测，静止轨道气象卫星每日可以实现对同一地点的高时间分辨率的观测，其中FY－4A可实现对中国及周边区域最高5分钟频次的观测。由于风云气象卫星的观测特点，其卫星数据、产品和应用平台在汛期天气预报、热带气旋、暴雨、洪涝以及应急监测中发挥了重要作用。

二、风云气象卫星主要汛期服务及应用

1.天气预报

气象卫星数据的高时空分辨率、多光谱以及稳定均匀等特性，能够有效解决数值天气预报所需的气象观测数据不足的问题。中国气象局致力于将气象卫星数据应用于天气预报，尤其是数值天气预报中。风云气象卫星数据已经同化到中国气象局GRAPES系统中，其中FY－4A水汽通道云导风资料的同化可以改善强降水落区和强对流预报。此外，自20世纪90年代开始，欧洲气象中心（ECMWF）在数值预报中逐步引入卫星遥感数据，到2018年其数值预报系统中同化的卫星遥感数据已经包含30颗卫星、超过90种数据和1000多种参数，其中就包括FY－3卫星数据和产品。目前，包括FY－3D、FY－4A在内的多颗卫星数据正在进行试验验证，其中，同化后的FY－3D微波载荷在英国气象局数值预报系统中起到正效应，能够降低0.1%的全球天气预报误差。

2.热带气旋监测

相比地面测站，气象卫星具有观测范围广、频率高等特点，尤其在热带气旋的监测上，气象卫星的优势尤其明显。FY－4A成像仪的最高观测频率可以达到5分钟，通过卫星直收站、专线网络和互联网等途径，向中央气象台等用户提供高时效的服务。2019年8月，短短两周时间内连续4个热带气旋在西北太平洋生成，其中9号台风“利奇马”发展成为超强台风，给我国东部沿海地区造成了严重影响。图1为“利奇马”台风FY－4A真彩色合成图，卫星数据的应用帮助中央气象台更快、更精确地定位热带气旋的移动位置以及大风圈的信息，同时也使热带气旋预报的准确性大幅度提升。

图1 “利奇马”台风FY-4A真彩色合成图（2019年8月8日12:00）

FY－4A上所携带的干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）首次实现了在地球静止轨道对大范围大气垂直温度和湿度结构的探测。自从首次接收该数据以来，中国气象局对其处理软件进行了多次升级，不断提高了数据光谱和辐射特性的精确性及时间稳定度，其数据和温湿度阔线产品已经在GRAPES系统中同化并发挥正影响。在对热带气旋的监测过程中，风云气象卫星观测与数值预报紧密配合，结合热带气旋的预报结果，指挥FY－4A GIIRS对特定区域进行观测，将获取的15分钟分辨率GIIRS区域加密观测资料同化到GRAPES全球预报系统中，可进一步改善对热带气旋移动位置和强度的预报。

3.暴雨和强对流监测

暴雨和强对流监测是气象卫星的另一项主要应用，利用气象卫星的高频次、高时效观测数据，可以监测局地发生的强对流和暴雨天气。通过对云图上亮度温度和云的分析，可以掌握强对流发生和发展过程，同时对其造成的降水进行预估。FY－4A上搭载的闪电成像仪（LMI）可以对闪电活动进行实时连续观测，每分钟可以观测500次，并生成每分钟的闪电事件产品，对强对流的识别有很好的指示作用。利用FY－2云导风产品可以对强对流周围的辐合辐散进行分析，综合水汽云图和红外云图对强降水进行短临预报。图2是利用风云气象卫星对2020年7月8日华南暴雨的监测与分析结果，图2（a）云图中的黄色部分为强上升积雨云，说明这些地方对流强烈，与图2（b）水汽云导风散度图中的两个高值区相对应。

图2 华南暴雨监测及分析（2020年7月8日）

风云气象卫星地面应用处理系统不断提高卫星数据处理和生成能力。风云四号卫星天气应用平台（SWAP2.0）可将卫星产品的发布时效缩短到10分钟之内，实现对FY－2和FY－4卫星图像和产品的可视化分析。经过不断升级，该平台目前已经实现风云气象卫星云图和地面气象雷达产品的叠加（图3），通过天地一体化监测数据的融合应用，帮助预报员更好地作出强对流分析和短临天气预报。

图3 风云四号卫星天气应用平台融合FY-4A云图和雷达组合反射率

4.洪涝监测

汛期强对流和暴雨天气容易造成长江、淮河、鄱阳湖等河流和湖泊的洪涝。FY－3中分辨率成像仪（MERSI）最高空间分辨率为250m，FY－3D MERSI有25个通道，其观测幅宽、通道特性等较国外同等仪器具有一定优势，可在陆表水体的监测中发挥重要作用。利用历史风云气象卫星数据对重点湖泊和江河的水体监测数据集，与每日实时监测到的水体产品进行比较，可以得到洪涝水体增加的位置、面积以及动态变化等信息，为防汛指挥决策提供依据。同时，综合卫星遥感影像与地表农作物分布信息，可以分析洪涝对我国主要农作物产区造成的影响，从而对农作物估产进行指导。目前，3颗FY－3卫星在轨业务运行，每天可对全国各大江河湖泊进行6次监测。

2020年6月底以来，持续强降水导致长江中下游地区汛情严重，其中鄱阳湖多个水文站超过历史极值，风云气象卫星在鄱阳湖洪涝水体的监测中发挥了重要作用。图4（a）为2020年6月13日FY－3D监测到的鄱阳湖水体，图4（b）为2020年7月14日FY－3D监测鄱阳湖水体，从两幅图像对比来看，鄱阳湖水体面积扩大非常明显；图4（c）为鄱阳湖水体变化监测图，根据监测结果，7月14日鄱阳湖及周边水体面积为4403km2，为十年来最大。由于FY－3监测水体主要依靠光学载荷，在有云覆盖时无法对目标水体进行有效监测，因此在遥感应用业务中综合利用多源卫星非常重要，特别是利用高分辨率雷达卫星进行监测。

图4 FY-3D鄱阳湖水情变化监测图

5.旱情监测

图5 FY-4A澜沧江-湄公河流域旱情变化监测图

风云气象卫星携带的光学和微波仪器，可以用来反演土壤湿度、植被指数、地表温度、地表蒸散等一系列卫星遥感产品，综合利用卫星遥感产品和地面监测站的数据，有利于及时发现旱情，指导农业部门科学抗旱。图5是FY－4A于2020年4-5月对澜沧江-湄公河流域旱情变化监测图。如图5（a）所示，2020年4月该区域旱情较为严重，大部分区域存在中度以上旱情；如图5（b）所示，5月大部分地区的旱情已经有所缓解，但缅甸中部和南部、泰国东北部旱情持续发展；图5（c）为地表相对蒸散差值图，可以看出该区域大部分地区的地表相对蒸散值升高，表明近期该地区土壤水分供应状况改善，旱情有所缓解。

6. 应急减灾服务

目前，风云气象卫星已经实现了各系列卫星的业务化运行。FY－2和FY－4依靠高时效性、高时间频次的数据、丰富的产品以及机动的区域扫描观测能力为应急减灾提供实时天气监测信息，FY－3利用其较高的分辨率、较宽的观测幅宽、微波探测能力以及全球覆盖能力提供生态环境、洪涝监测等应急减灾服务。

在为国内提供应急服务的同时，为充分发挥风云气象卫星的国际应用服务效益，中国气象局于2018年4月发布了《风云卫星国际用户防灾减灾应急保障机制》（FY_ESM)，当注册用户国家遭受台风、洪涝等灾害时，可向中国气象局启动该机制，通过风云气象卫星的区域扫描以及全球观测的能力，获取风云气象卫星数据、产品以及监测服务。除此之外，风云气象卫星已经成为全球综合地球观测系统的重要成员，同时也是空间和重大灾害国际宪章机制的值班卫星。2020年5月1日，乌兹别克斯坦萨尔多巴水库发生溃坝，中国气象局及时启动应急保障机制，综合利用FY－3D和高分辨率卫星为该国气象部门提供了溃坝水体监测服务。如图6所示，溃坝发生后，锡尔河州出现较大范围新增水体。

图6 FY-3D乌兹别克斯坦溃坝前后水情监测图

三、结论和展望

每年汛期发生的各类自然灾害都会给我国带来人员伤亡和经济损失，充分利用风云气象卫星数据和产品可以在灾前预报预警、灾中决策部署以及灾后监测分析等灾害全过程中发挥重要作用。随着各级政府、企事业单位以及公众对汛期灾害发生过程中的服务需求越来越大，风云气象卫星将不断改进仪器性能，扩展观测手段，提高服务时效。未来计划发射的FY－3E将运行在晨昏轨道上，搭载风场雷达等多类仪器，为数值天气预报的改进提供更加丰富的卫星数据和产品。同时，中国气象局将优化静止轨道气象卫星布局，为国内和“一带一路”沿线国家和地区提供高质量、高时效的服务。