从百叶箱到风云三号 新中国天气预报迈向精细化

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1988年9月7日及1990年9月3日，我国先后发射两颗自行研制的风云一号极轨气象试验应用卫星，标志着我国已成为能够自行研制和发射气象卫星的国家。1997年6月10日及2000年6月25日，我国分别成功发射两颗风云二号静止气象试验卫星，标志着我国已成为能够自行研制和发射极轨和静止两个系列气象卫星的国家。 　　气象观测是天气预报的基础。经过60年，尤其是改革开放30年来的努力，我国气象观测手段已从传统的气象观测工具发展到使用气象卫星和超大型计算机，从微观气象研究走向宏观气象研究，再从宏观气象研究指导和影响微观气象研究，从目前气象情况的研究推断未来气象发展趋势，从长远的气象走势分析出发确定今后的规划及行动。目前，我国形成了国家、省、地三级组成的卫星遥感应用体系，除可接收利用我国风云系列气象卫星外，还可接收利用美国、日本、欧洲等多颗卫星资料。 　　“全国风向不定、天气多变、可能有雨。”――这是1872年，法国人在上海建立徐家汇观象台后所做的天气预报。 　　“29日08时，天安门地区天空状况多云，气温16℃至17℃，相对湿度50%，风力不大，能见度较好。”――这是2009年8月28日16时，北京市气象台发布的首份“国庆标准”的天气预报。 　　天气预报是建立在丰富而详尽的气象观测基础上的。旧中国的气象观测台站最初都是西方传教士、教会在租界内建立起来的，所谓气象台站不过是百叶箱中简单的水银气压计、温度计、湿度计、雨量计等等。之后虽然有了一些中国自己建的气象观测站点，但直至新中国成立，我国的气象观测状况与半个多世纪前比起来，依然没有多大改观。 　　经过60年，尤其是改革开放30年来的努力，我国的气象观测手段由人工气象站发展为自动气象遥测、新一代天气雷达、风廓线仪、移动应急观测车、风云系列气象卫星等等，初步建立了地基、空基和天基相结合，门类比较齐全，布局基本合理的现代化综合气象观测系统。 　　地基：自动气象站全面接管 　　8月28日16时，就在北京市气象台发布首份“国庆标准”天气预报时，中国气象局大院里，一个巨大的电子屏幕上显示着位于该点位自动气象站的实时观测数据：“温度27.4℃，湿度24%，气压1008.0hPa，风向东南，风速0.8m/s”，一两分钟后，湿度显示为23%，风速变为了1.3m/s。 　　距这个户外显示屏几步之遥的国家气象中心大楼里，中央气象台首席预报员乔林，像往常一样在值班，每一次重大活动――不论是奥运会还是神舟飞船发射，都需要他这个预报专家出马，参与会商，提供预报意见。当天晚上，在天安门广场将进行国庆60周年庆祝活动的首次现场演练，气象预报是个不可缺少的角色。 　　乔林告诉记者，现在的天气预报简单来讲就是以数值预报产品为基础，以Micaps(天气预报人机交互系统)系统为主要平台，综合应用各种气象信息和各种先进技术方法加上预报员的经验，最后制作出来的。 　　“以前的天气预报可不是这样！听老一代天气预报员讲，以前地面观测站很少，而且大都是人工的，一天只有一两次数据采集，可依据的资料少，更没有利用数值模式计算得到的数值预报产品，预报起来十分困难。”乔林说。 　　对于1987年参加工作的乔林来说，因为天气状况的实时捕捉能力增强，获得的气象资料更丰富多样化，数据处理更快更方便，对天气发生、发展和消亡的规律有了更多的认识，同时由于数值预报系统的迅速发展和数值预报能力的提高，天气预报的及时性和准确度也就更高了。 　　据中国气象局综合观测司司长王晓云介绍，我国自20世纪80年代开始推进地面气象观测自动化工作，目前，全国已建成近3万个自动气象站，实现了温度、湿度、气压、风向、风速、降水和地温等项目的自动化观测，观测数据的统计处理、编发电码、生成月年报表及信息传输等基本实现了自动化。此外还开展了5个国家气象观象台建设试点，建成了8个海洋气象浮标观测站、98个太阳辐射站、30个大气成分站、7个大气本底站、157个酸雨观测站、29个沙尘暴监测站、100个自动土壤水分观测站和400座风能资源观测塔。 　　遥测：练就雷达千里眼 　　据人民网报道，今年国庆阅兵等许多重大活动都在室外举行，需要气象部门对当天某个具体位置，比如天安门、长安街沿线的能见度、风速风向、云量云高、温度和湿度等气象要素进行精细化预报，气象部门面临一个很大的挑战。 　　北京市气象局首席预报员孙继松认为，国庆庆典气象服务与奥运会开闭幕式天气预报相比，面临新的难关：“低云、云量、能见度预报，关系到阅兵效果，需要作出准确预报。但以往对低云我们几乎不做预报，这对气象部门是一个新课题。另外，10月北京进入初秋，容易出现低能见度天气，国庆气象服务对能见度预报的精确度提出了很高要求，我们目前还有差距。” 　　另据记者了解，气象部门还将借鉴奥运会、残奥会开闭幕式人工影响天气保障服务的成功经验，做好人工消减雨准备工作。 　　然而，不论是局地灾害性天气警戒，还是人工影响天气作业，甚或沿海台风路径预报等，都需要天气雷达的实时监测。这种地基遥测遥感业务能力，也在近30年中有了长足的提升。 　　王晓云介绍说，我国天气雷达建设从二十世纪六七十年代开始起步，经历了模拟天气雷达、数字天气雷达到多普勒天气雷达三个发展阶段，现已建成了以多普勒天气雷达为主、数字化天气雷达为补充的全国天气雷达监测网，监测能力和范围已跻身于世界先进行列。 　　在80年代初，我国就形成由51部各种型号雷达组成的天气雷达观测网，在局地灾害性天气警戒、沿海台风联防和人工影响天气作业等方面发挥了积极作用；在1990年，建成了由55部S波段和C波段数字化天气雷达组成的全国天气雷达监测网，并开展了区域联防和数字拼图，在灾害性天气预警、短时预报和雷达定量估测降水方面取得了长足进展；20世纪末，随着国际天气雷达技术发展和国家需求的增长，针对气象预测预报和气象预警服务对天气雷达监测提出的新需求，确定了发展多普勒天气雷达的思路，制定了《我国新一代天气雷达发展规划》。 　　经过十年多的建设和发展，现已初步建成了由146部新一代天气雷达和50多部数字化雷达构成的、覆盖全国重点地区的全国新一代天气雷达监测网。与此同时，还开展了双线偏振、相控阵、多基地、多波长等先进雷达探测技术和装备的研发与探索，为未来发展天气雷达综合探测业务奠定了良好基础。 　　1989 年，中国气象科学研究院和航天科工集团第二研究院二十三所研制成功首台对流层风廓线雷达，并投入科研试用。随后，一些研究单位和企业相继研制成功了平流层风廓线雷达、边界层风廓线雷达，先后投入科学试验和业务试用。 　　为适应国家公共安全对雷电监测、预警预报的需求，从2005年起积极推进全国雷电监测网建设，现已建成由全国31个省级地闪监测系统、325个雷电监测站以及上海、北京、武汉总闪雷电监测系统构成的全国雷电综合监测网，提高了对雷电灾害的监测预警能力和气象服务水平。 　　1988年9月7日及1990年9月3日，我国先后发射两颗自行研制的风云一号极轨气象试验应用卫星，标志着我国已成为能够自行研制和发射气象卫星的国家。1997年6月10日及2000年6月25日，我国分别成功发射两颗风云二号静止气象试验卫星，标志着我国已成为能够自行研制和发射极轨和静止两个系列气象卫星的国家。 　　空基：气球与民航齐飞 　　据中国气象局网站消息，围绕10月1日庆祝活动、天安门地区演练及彩排等重要活动，中国气象局已经确定了北京、河北、山西和内蒙古等地的6个加密探空站。 　　针对“十一”当天的天气状况，气象部门将提前15天开展滚动预报，为有关单位提供决策服务材料；从9月28日开始，北京市气象局与中央气象台将每天进行视频联合会商；气象卫星将实行双星加密观测，北京及周边6部天气雷达、6部探空雷达也将进行加密观测。 　　据了解，为满足世界气象组织和探空技术发展的需求，进一步提高我国高空探测的能力，加快新一代高空探测系统的研制，1996年中国气象局制定了《我国探空系统发展规划(1996―2010年)》，明确了我国新一代探空系统的发展重点是L波段电子探空仪和二次测风雷达系统，未来目标是GPS探空系统。目前，在全国120个探空站中，已有91个探空站建成了L波段二次测风雷达―电子探空仪系统；此外还开展了国产GPS探空系统的研制，目前正在进行对比实验。 　　王晓云说，为弥补我国气球探空网络覆盖不足，中国气象局积极推进飞机气象资料下传(AMDAR)及共享工作，从2003年开始，中国气象局与中国民航合作，共同开展了AMDAR试验，2004年双方签署了飞机气象观测资料的传输协议，目前每天大约有9000份左右的AMDAR资料进入气象数据库，并在数值预报资料同化等方面得到应用。 　　天基：“风云”织就天网 　　在国家气象中心大楼后面，一座正在进行外墙加固维修的办公楼内依然人头攒动，楼顶上形状各样的卫星数据接收天线提示――这是国家卫星气象中心。 　　董超华已经在这里工作了30多年。1969年，刚从南京气象学院毕业就被分配到这里，参与筹建卫星气象中心。这项工作是按照1969年周总理的“搞我国自己的气象卫星”指示而启动的。 　　董超华在这里度过了一生中最美好的岁月，见证和参与了我国卫星气象事业从创建、发展到壮大全过程。她也从一名技术人员，成为国家卫星气象中心主任，主持全面工作，现在她是我国风云三号气象卫星地面应用系统工程项目总设计师。 　　三十多年来，每一次气象卫星发射，都成为董超华人生经历中不可磨灭的闪光印记。 　　1988年9月7日及1990年9月3日，我国先后发射两颗自行研制的风云一号极轨气象试验应用卫星，标志着我国已成为能够自行研制和发射气象卫星的国家。 　　1999年5月10日和2002年5月15日，我国分别成功发射风云一号C星和D星，实现了极轨气象卫星从试验应用型向业务服务型的转变。 　　1997年6月10日及2000年6月25日，我国分别成功发射两颗风云二号静止气象试验卫星，标志着我国已成为能够自行研制和发射极轨和静止两个系列气象卫星的国家。 　　2004年10月19日、2006年12月8日和2008年12月23日，我国分别成功发射风云二号C星、D星和E星，实现了静止气象卫星“双星运行、在轨备份”。 　　2008年5月27日，我国新一代极轨气象卫星系列的首发星A星成功发射。风云三号A星具有全球、全天候、三维、定量、多光谱遥感监测能力，实现了我国气象卫星从单一遥感成像到地球环境综合探测、从光学遥感到微波遥感、从公里级分辨率到百米级分辨率、从国内接收到极地接收的四大技术突破。风云三号A星的发射与应用，标志着中国气象卫星及应用步入一个崭新的历史阶段。 　　“我国卫星数据地面接收和应用系统的研发更是自主创新的体现。”董超华回忆说，在我国气象卫星成功发射以前，已开始了针对国外气象卫星的接收应用工作，并着手准备针对我国自行研制的气象卫星的接收和应用系统的建设工作。随着我国风云系列气象卫星的成功发射，对地面应用系统进行了全新的设计和建设。为满足不断发展的需要，地面应用系统又需做相应的技术升级改造和功能扩充。 　　经过三十多年的发展，目前，我国气象卫星地面应用系统形成了以国家卫星气象中心和北京、广州、乌鲁木齐、佳木斯和北极基律纳5个卫星地面站为主体，同时还包括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，形成了国家、省、地三级组成的卫星遥感应用体系，除可接收利用我国风云系列气象卫星外，还可接收利用美国、日本、欧洲等多颗卫星资料。 　　截至2008年年底，我国已成功发射了10颗气象卫星，其中，极轨5颗静止5颗。目前，风云一号D星、风云二号C星、D星、E星和风云三号A星均在轨稳定运行，并提供业务应用和服务。我国已成为国际上同时拥有静止和极轨两个系列业务气象卫星的三个国家或区域组织之一，我国的气象卫星已是世界气象组织(WMO)全球天基观测网重要成员，可为我国及世界各国防灾减灾、应对气候变化和保障人民安全福祉提供丰富的卫星资料和遥感服务产品。 　　名词解释 　　静止气象卫星 　　静止气象卫星距地约36000公里高度，与地球自转同步，高频次俯瞰地球三分之一表面，动态监测日―地系统变化，具有极高的观测优势。作为对地表、大气、空间进行遥感探测的重要工具，对提高天气、气候预报的准确率和防灾减灾具有重要意义。 　　静止气象卫星获取的可见光图像，目前仍然是天气分析和预报的重要依据。云图上云团、云系的变化和运动是大气环流以及大气和地面相互作用过程的直观反映，仔细分析不同时段云系特征，可以清晰了解大气中多种尺度天气系统的发生和发展过程，从而摸索规律、探寻机理。 　　“风云二号”C星定位于东经105°赤道上空，可以提供以我国中部地区为中心的地球三分之一范围内的云图资料，这一位置对我国天气预报具有特殊意义。从西伯利亚南下的冷空气，青藏高原东移的天气系统以及印度洋北上的暖湿气流，都在“风云二号”C星的监测范围内，这大大增强了实时监测我国上游地区天气系统发生、发展的能力。印度洋上空几乎没有岛屿，气象观测资料十分缺乏，印度洋上的卫星云迹风资料是对这个地区进行天气分析的基本资料。另外，“风云二号”C星允许加长“探测驻留”时间，有利于提高辐射分辨率和空间分辨率。 　　极轨气象卫星 　　极轨气象卫星也叫太阳同步轨道气象卫星，其轨道在地球上空800―1000公里之间，围绕地球南北两极运行，运行周期约115分钟，我国的风云一号气象卫星就是极轨气象卫星。其优点是覆盖全球，观测领域广阔。 　　风云三号卫星是我国新一代极轨太阳同步轨道气象卫星，质量为2298.5千克，采用三轴稳定姿态控制方式。它是瞄准国际先进技术水平而设计的卫星，技术含量高、系统复杂、研制难度大，是国内目前投资最大、功能最强的对地观测卫星。风云三号安装有可见光红外扫描辐射仪、红外分光计、微波温度计、微波成像仪等10余种具有国际先进水平的探测仪器，探测性能比仅有可见光一种手段的第一代极轨气象卫星风云一号有质的提高，可在全球范围内实施三维、全天候、多光谱、定量探测，获取地表、海洋及空间环境等参数，实现中期数值预报。风云三号一帧扫描的幅宽高达数千公里，而在这样一幅巨大的照片上，地面分辨率达到百米量级。星上仪器最高探测灵敏度达到0.1K，这意味着在距地面807公里高空的卫星，对地表温度0.1摄氏度的微小变化都可以准确感觉到。卫星每101分钟绕地飞行一圈，每圈都经过两极。通过在北极附近向瑞典租用的地面站，可使卫星至少每101分钟就向地面传回一次数据，数据传输的实时性大大提高.