从定位到探测：如何用导航信号精准捕捉台风风速

黄飞雄

“中央气象台9月3日6时发布台风预报:今年第11号台风“摩羯”的中心今天凌晨5点钟位于菲律宾吕宋岛西北部近海。预计,“摩羯”将以每小时10公里左右的速度向偏西方向移动,即将进入南海东部海面,尔后将向海南岛以东海面靠近,强度逐渐加强,将于6日下午到夜间在海南岛东部到广东西部一带沿海登陆。”中央气象台发布的这类台风预报,大家应该很熟悉吧?它为人们的生产生活提供了预警,保障了人民群众的财产和生命安全,对促进防灾减灾具有重大意义。但是,大家也许还不了解,自1990年以来,由于天气的模式及同化技术的发展,人们对台风路径的预报提高了约50%,可同期对台风强度的预报却近乎停滞,其主要原因之一在于缺少台风内部核心区的观测数据,由于台风大部分时间都在海上,观测主要依赖卫星,而目前主流的卫星遥感手段在观测台风时往往被云层和内雨带的强降水遮挡。此外,目前主流的极轨卫星重访时间较长,观测频率较低,在台风增强的关键时刻,往往无法及时获取数据。

大家熟悉的北斗、GPS等导航系统,除了帮助我们进行手机、汽车定位外,还有一个非常有趣的应用——全球导航卫星反射遥感(GNSS-R)。简单来说,GNSS-R技术把导航卫星的信号当成一种“机会信号”,通过接收它们反射回来的信号,来测量地球表面的一些特征,比如风速和土壤湿度。GNSS-R技术使用的导航信号所处的微波频率不受云雨影响,能实现全天时全天候探测。更棒的是,由于它利用的是现有的导航信号,不需要额外的信号发射装置,因此成本低廉,还可以通过卫星组网的方式,实现高时空分辨率的观测。

2016年美国发射了采用GNSS-R技术的小卫星星座CYGNSS,开启了这一技术的大规模应用。2021年7月,我国发射了首颗业务化的GNSS-R卫星——风云三号E星,中国气象局国家卫星气象中心负责该卫星的运营,中国科学院国家空间科学中心负责该卫星的GNSS-R载荷研制及数据处理算法。与CYGNSS不同,风云三号E星不仅能够接收美国GPS信号,还能接收中国的北斗和欧盟的伽利略导航系统信号,这不仅提升了全球海面风数据高时空分辨率的获取能力,还拓展了我国北斗导航系统的应用领域。此外,不同于CYGNSS为科学卫星,仅能用于科学研究,风云三号E星为业务卫星,其数据具有高时效,能实实在在地应用于我国的气象、水利、农业、交通等领域,改善民生,提升经济效益。

风云三号E星采用了多项国际领先的技术,能够同时处理来自北斗、GPS和伽利略三大导航系统的数据,并确保数据的一致性和准确性。它还配备了先进的干扰修正算法,大幅减少了来自其他导航和通讯信号的干扰,保证了观测数据的质量。自2022年6月风云三号E星正式发布北斗/GNSS-R 海面风速产品以来,其地面应用系统实现了稳定的业务化运行,海面风速产品已业务化应用于了中国气象局官方的数值天气预报模式,为我国气象部门提供了可靠的信息。此外,由于该技术具有探测台风中心大风的特点,其产品可用于台风监测,已应用于中国气象局的台风会商。在每一次的台风会商中,预报员会综合各个卫星产品的资料判断台风的路径和强度,风云三号E星的GNSS-R海面风速产品在2023年强台风“卡努”、超强台风“玛娃”的监测和预报中均发挥了作用。

2023年4月和8月,我国又相继发射了风云三号G星和F星,GNSS-R技术已实现多颗卫星组网观测。未来,随着这一技术的发展,风云三号系列卫星将在气象、海洋、农业,尤其是极端气候和自然灾害的监测中发挥更大的作用,为我们的生活带来更多保障。

作者简介:黄飞雄,中国科学院国家空间科学中心副研究员,研究方向为北斗/GNSS-R遥感和数值模式同化。