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中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室卫星团队:笑逐“风云” 贡献中国气象智慧

来源:中国科学报 作者:唐琳 人气: 发布时间:2020-05-26 05:01:58

经过近6个月的严格评审与层层筛选,2020年5月15日,备受瞩目的“新一代风云气象卫星科学算法创新大赛线上颁奖典礼”终于“千呼万唤始出来”。

由中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室卫星团队博士胡皓和研究员杨俊组成的“CAMS风起云涌队”凭借参赛作品“场景自适应的微波仪器—维变分反演算法在台风检测中的应用”在总计508支报名参赛队伍中脱颖而出,一举摘得本次大赛特等奖桂冠。

此次卫星团队的折桂绝非偶然和侥幸。可以说,为了“利刃出鞘”的这一刻,这支团队已经等待了太久。

自组建伊始,卫星团队就将“用中国自己的遥感数据解决自己的遥感应用问题”的责任扛鼎在肩,不断破解卫星遥感仪器定标、天气预报卫星应用、数值预报卫星资料同化和生态环境监测等重点应用领域中的核心科学技术问题,为我国防灾减灾、生态文明建设、“一带一路”倡议提供了坚实的基础保障,贡献出了中国气象人的智慧与担当。

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▲中国气象局快速辐射传输模式科学指导组

一群追风逐云的人

暴雨、台风、雷电等灾害天气往往给国民经济和人民生命财产带来巨大损失。精准的数值天气预报可以大大减少损失。提高天气预报的准确率,堪称气象科技的一项核心技术。

数值天气预报的实质是求解控制大气运动的偏微分方程组,准确的初边值是求解的重要前提。利用数值模式做天气预报时,预报误差来源于初边值的误差和模式误差两个方面。而资料同化的目的之一,就是充分利用观测资料提高初值的质量,进而改进预报效果。

卫星观测资料对于改进数值预报初值具有重要作用,而辐射传输模式则被认为是联系卫星观测与大气、陆面和海洋环境变量的纽带,是支撑数值天气预报和遥感应用不可或缺的观测算子。一直以来,国内的卫星资料同化和参数反演工作都主要依赖于美国快速辐射传输模式(CRTM)和欧洲快速辐射传输模式(RTTOV)。

一方面,随着中国卫星事业的快速发展和搭载仪器越来越多样化,欧美的快速辐射传输模式已不能很好地满足我国卫星遥感应用的需求。

另一方面,新一代中国风云卫星在空间、频谱和时间分辨率上观测到的全球大气信息大大超过了以前的仪器,而有效地利用这些观测结果需要解决许多科学问题,这给数值天气预报和资料同化领域带来了新机遇和新挑战。

为了研发中国自己的快速辐射传输模式,从而为卫星遥感应用和数值预报资料同化提供核心支撑,2018年4月,中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室卫星团队应运而生。卫星团队以灾害天气国家重点实验室固定研究人员为主,联合国家卫星气象中心、南京大学等科研力量,在辐射传输模式、大气探测技术、卫星资料同化和生态遥感应用等领域开展攻关。

卫星团队组建后,在首席科学家翁富忠的带领下,围绕发展中国新一代快速辐射传输模式这一核心工作,不断破解卫星遥感仪器定标、天气预报卫星应用、数值预报卫星资料同化和生态环境监测等重点应用领域中的核心科学技术问题。

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▲卫星团队首席科学家翁富忠教授

快速辐射传输的“中国模式”

2019年4月,卫星数据同化快速辐射传输模式国际研讨会在天津召开。百余名气象专家齐聚一堂,就共建国际辐射传输参考模式分享了成果和经验。

正是在此次研讨会上,中国气象局副局长于新文宣布成立中国气象局快速辐射传输模式科学指导组,并邀请9位辐射传输领域国际知名科学家担任科学顾问。

创新之路从无坦途。成立之初,卫星团队固定研究人员较少,且多属跨专业研究人员,辐射传输理论基础相对薄弱。翁富忠等团队负责人反复琢磨、讨论,最终选择通过定制个性化的培训方案促进科研人员快速成长。

“团队中的年轻博士们初期对地表发射率模型和海洋反射理论了解较少,但通过参阅大量文献及专业的辅导,并创造国际交流机会,他们很快就掌握了相关理论,成为团队中技术攻坚的主力军。”翁富忠介绍。

使命在肩,只能奋勇前行。这支年轻却踌躇满志的团队以发展中国新一代快速辐射传输模式为核心,联合国内外一众优秀科研团队,在融入近年来辐射传输领域重要科学进展的基础上,于2019年成功自主研发建立了中国第一代矢量快速辐射传输模式——ARMS。

研究人员介绍,不同于CRTM和RTTOV,ARMS使用极化二流近似和矢量离散坐标法作为辐射传输模式的核心求解方案,在散射和发射大气下求解斯托克斯辐射分量。ARMS还针对国产气象卫星仪器的光谱响应函数,设计了精确的快速大气透射率计算方案,建立了完整的大气光谱数据集,实现快速吸收系数的计算。

此外,团队通过与浙江大学、复旦大学、南京大学、中山大学等高校合作,为ARMS建立了完整的气溶胶、云粒子散射数据库,实现在全天候条件下红外及微波大气探测仪快速高精度的辐射传输计算,并可扩展到可见光及紫外波段以实现更多仪器的应用需求。

“ARMS还完善了海洋、陆面发射率理论模型和数据集,并着重发展红外陆面及海冰红外和微波发射率理论模型和数据集以增强‘三极’地区复杂地表状况下的应用能力。可以说,ARMS的研发和应用,将为我国风云卫星发展提供关键理论技术,并为中国气象局多尺度气象数值预报系统提供重要技术支撑。”翁富忠介绍。

当前,ARMS正与中国气象局自主研发的数值预报系统——四维变分全球/区域同化预报系统(GRAPES-4DVar)集成,实现同化风云卫星微波和红外大气探测仪数据。在对每种仪器类别的ARMS模拟不确定性进行充分表征之后,卫星团队将对偏差校正方案进行完善。

“我们现在的工作是将ARMS耦合到多种资料同化系统中,同时也在进一步改进ARMS,它将包括大气分子的瑞利散射和旋转拉曼散射。尽管目前ARMS已可以同化红外和微波卫星观测资料,但是仍需要提高模式中许多模块的模拟精度。”翁富忠告诉《中国科学报》。

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▲新一代风云气象卫星科学算法创新大赛获奖证书 中国气象科学研究院供图

开创应用新格局

ARMS建立后,卫星团队迅速以中国第一代矢量快速辐射传输模式的研发为依托,聚焦卫星研究与应用关键科学技术问题,加速当前先进传感器物理科学和遥感技术科学到卫星产品生成和数据同化的应用转化,以提高卫星工程应用效益。

现在,团队已经基于ARMS和一维变分反演算法建立了场景自适应的微波遥感反演平台,完成了利用风云三号D星微波探测仪对台风的热力结构、台风的定位定强以及降水的实时反演,实现了对西北太平洋海域台风活动的实时监测,相关算法获得“新一代风云气象卫星科学算法创新大赛”特等奖。

此外,团队还搭建了红外遥感反演系统,实现了基于风云三号D星和风云四号A星的红外窗区通道观测亮温的大气温湿度直接反演,利用机器学习算法实现了基于卫星测量的大气反射率的PM2.5浓度高精度直接反演。

党的十九大制定了新时代统筹推进“五位一体”总体布局的战略目标,把建设美丽中国作为全面建设社会主义现代化强国的重大目标,把生态文明建设和生态环境保护提升到前所未有的战略高度。

为服务生态文明建设,卫星团队在水体和陆表生态遥感等方面,利用风云卫星资料开展了一系列工作。针对风云卫星传感器载荷特性,开展了高精度的大气订正算法研究,并以此为基础开展了水体、水质和水环境的卫星监测反演应用。基于机器学习算法发展了多源卫星产品衔接技术,为植被指数、陆表温度等生态和气候产品的长时间序列数据集的建立奠定了坚实基础。

在国家卫星气象中心、云南省和安徽省项目支持下,卫星团队围绕内陆湖泊蓝藻水华的生态问题,建立精细化、动态化和智能化的重点湖泊蓝藻水华监测评估系统,为蓝藻水华信息提取、强度评估、时空变化特征分析等监测评估业务提供支撑。在国家卫星气象中心、广西壮族自治区和山东省生态项目支持下,团队紧紧围绕生态环境保护、气象防灾减灾的实际需求,在现有业务平台基础上,针对“山水林田湖草”等生态类型,建立精细化、动态化和智能化的生态气象评估遥感应用分系统,实现高精度的森林植被状况和森林生态评估。

“下一步,我们还将在上海、广东等省市区域数值预报模式下开展风云卫星资料同化试验,用于改进台风、暴雨预报。”翁富忠表示。

尽管ARMS已与CRTM和RTTOV模式形成三足鼎立,共同成为支撑卫星资料数据同化及产品研发和应用的核心技术,但对于翁富忠和他的卫星团队而言,将ARMS推广到卫星遥感应用各领域依然任重而道远。

“如何充分发挥风云气象卫星综合应用效益,开创ARMS应用合作新格局,为世界贡献中国气象智慧,是摆在我们面前永恒的课题。”翁富忠告诉《中国科学报》。

(编辑:逍遥客)

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