[科普中国]-纵览全球变幻、体察细微差别：风云三号卫星如何助力智慧气象？

3月23日是世界气象日，今年世界气象日的主题是“智慧气象”。智慧气象是通过云计算、物联网、移动互联、大数据、智能等新技术的深入应用，依托于气象科学技术进步，使气象系统成为一个具备自我感知、判断、分析、选择、行动、创新和自适应能力的系统，让气象业务、服务、管理活动全过程都充满智慧。而说到气象科学技术，就不得不提气象卫星，气象卫星综合了气象和航天领域的高科技，是智慧气象的一大助手和重要成果之一。下面我们就来了解一下备受关注的风云三号气象卫星。风云三号现已发射四颗卫星风云三号卫星是我国第二代极轨气象卫星，可在全球范围内实施全天候、多光谱、三维、定量探测，主要为中期数值天气预报提供气象参数，并监测大范围自然灾害和生态环境，同时为研究全球环境变化、探索全球气候变化规律以及航空、航海等提供气象信息。风云三号现已发射了A、B、C、D四颗星，保证了极轨气象卫星的升级换代，完成了 “上下午星业务组网”的观测布局，同时也实现了多个“中国之最”。谈到风云三号系列卫星，就不得不说 “带头大哥”风云三号A星，从这颗2008年成功发射的“奥运星”开始，中国极轨气象卫星的观测能力得到质的飞跃。卫星携带的微波探测仪器和红外垂直探测仪实现了对大气的三维探测，不仅可以了解云和大气的表面特性，而且可以探测大气温度湿度的垂直结构分布，这对天气预报特别是数值预报有着非常关键的作用。风云三号B星是我国第一颗下午轨道气象卫星，与A星共同实现了极轨气象卫星“上、下午星组网观测”的布局，将全球观测时间分辨率从12小时提高到6小时，进一步增强了我国防灾减灾和应对气候变化能力。风云三号C星则是风云三号系列卫星中第一颗业务卫星，实现了从科研试验卫星到业务应用卫星的转变。风云三号C星的资料被我国和国际同行应用于数值预报模式，欧洲数值预报中心和英国气象局表示卫星数据质量与欧美同类仪器相当，对数值天气预报准确度有改进。2017年11月15日发射的风云三号D星作为现在国内光谱通道数量最多的卫星更是备受关注，星上装载了10台/套先进的遥感仪器，其中四台为全新仪器，一台为改进仪器，五台继承仪器。D星装载四台全新仪器,分别探测温湿度、温室气体、极光和电离层红外高光谱大气垂直探测仪（HIRAS）采用了目前国际上最先进的傅里叶干涉探测技术，可以实现地气系统的高光谱分辨率红外观测，提高大气温度和大气湿度廓线反演精度1倍以上，极大提升对我国中长期数值天气预报的支撑能力。高光谱温室气体监测仪（GAS）是首次在风云卫星上搭载的监测全球温室气体浓度的遥感仪器，可以获取二氧化碳、甲烷、一氧化碳等主要温室气体的全球浓度分布和时间变化的信息，提高区域尺度上地表温室气体通量的定量估算，分析和监测全球碳源碳汇，为巴黎气候大会温室气体减排提供科学监测数据。广角极光成像仪（WAI）是全球首台从空间大范围获取极光图像的遥感仪器，在高磁纬地区可以实现极紫外波段、每2 分钟一幅、约130°×130°范围的极光图像，空间分辨率10公里，可以监视极光边界位置、电离层全局图像和沉降电子分布，实现极光强度和范围、极区沉降粒子的现报，进而开展磁暴预报、磁层亚暴预报和极区电离层天气预报。电离层光度计（IPM）通过测量氧气原子和氮气分子的极紫外波段气辉辐射强度，反演夜间电子浓度和白天氧氮比参数，实现电离层状态及变化监测。这两台仪器将提升我国空间基础设施安全的保障能力，为国家航天强国战略的实施提供支撑。一台改进仪器，整合了原有两台成像仪器的功能中分辨率光谱成像仪II型（MERSI-II）是D星的核心仪器之一，升级改进后可以与美国最新发射的联合极轨气象卫星的成像仪器相媲美，成为国际上最先进的宽幅成像遥感仪器之一。中分辨率光谱成像仪整合了原有风云三号卫星两台成像仪器的功能，是世界上首台能够获取全球250米分辨率红外分裂窗区资料的成像仪器，可以每日无缝隙获取全球250米分辨率真彩色图像，实现云、气溶胶、水汽、陆地表面特性、海洋水色等大气、陆地、海洋参量的高精度定量反演，为我国生态治理与恢复、环境监测与保护提供科学支持，为全球生态环境、灾害监测和气候评估提供中国观测方案。D星正在处于在轨测试阶段，目前卫星和仪器工作状态良好，预计在今年汛期正式投入业务使用。这将极大提高对地球低层大气动力参量、热力参量、温室气体和高层大气电场、磁场、高能粒子的探测能力，提升我国在全球数值天气预报、全球气候变化应对、生态环境监测和空间天气预报等方面的能力和水平。风云三号卫星是国内首次采用全谱段遥感方案的卫星，实现了从紫外、可见光、红外到微波探测的多载荷、全球、全天候、多光谱、三维、定量综合对地观测。同时因为极轨卫星的特点，还可以提供全球范围的气象观测资料，为做好突发灾害性天气预报，提高灾害性天气预报准确率提供支撑。满足农业、交通、航空、航天、水利、环境、林业等行业对各类专业气象观测的新需求。气象与航天科技的结合，让智慧气象发展到更高一个层次。“智”无止境，相信在未来，随着科技的进步，我们会实现更高水平的气象现代化。气象卫星如此厉害，为何却无法实现精准预报？大气系统是一个极其复杂的混沌系统，预报是一个世界性的难题。2016年左右，美国的暴雨预报准确率也就是19%，在没有互联网+前，全世界最高性能的计算机系统基本全在各国的气象部门。因此卫星观测的能力强并不意味着预报精度会提高。至今为止，物理学家从来没有得到过满意的气象学理论。正如费曼先生在1961年所言，“首先，我们并不真正知道今天的空气状态，它太敏感而又不稳定。如果你看到水从堤坝上一泻而下，在下落过程中形成各种各样的水珠和水滴，你就知道不稳定是什么意思了。水滴从哪里开始的？是什么决定了它的大小和位置？通通不知道。空气就更难捉摸了。前一秒还是平缓地滑过平原，下一秒遇到山丘，就变成各种复杂的旋涡和涡流了。我们至今都无法分析这种湍流情况。”如今，我们的气象卫星风云三号虽然能够准确地获得当前的空气状态数据，但是在湍流问题解决之前，我们永远不可能精准地预测天气，包括台风等极端天气的预报。那么，当今的超算技术能否解决湍流问题呢？“湍流的尺度非常小，我们还无法真正解决湍流问题，这是一个渐进过程”，中国科学院吴立新院士在上个月接受腾讯科普采访时说到，“超算技术在一定程度上能够提高天气预报的准确性，但是，我们可能永远无法做到百分百的准确预报。”文/张琳，国家卫星气象中心审稿/钱航，中国科学院国家空间科学中心博士，现运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师文章由“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”