借力与互赢:国际气象合作新态势

10.03.2016  12:26
   “天气没有国界”,是全世界气象工作者常说的话,而现代气象科学的形成,也正是基于气象观测资料的交换和共享。随着新技术向气象领域的渗透,国际气象合作从来没有停止,而且一些新的动态和形式的出现,也在不断强化这种合作。

   美国和澳大利亚借力日本下一代气象卫星 

  1977年,日本发射了首颗地球静止气象卫星GMS-1,开启了静止气象卫星时代。1995年发射了GMS-5之后,因为1999年11月尝试发射MTSAT卫星失败,在2003年到2005年期间,日本主要依靠当时NOAA定位在东经155度的GOES-9卫星(与GMS-5互为备份)支撑其气象业务。2005年2月和2006年2月,日本分别发射了GMS换代卫星MTSAT-1R和MTSAT-2(多功能传输卫星),使得日本重新拥有了自己的地球静止气象卫星。

  作为全球下一代地球静止轨道气象卫星的首颗星,日本气象厅2014年10月7日发射的葵花-8卫星(Himawati-8),是继5颗GMS卫星和2颗MTSAT卫星之后的第八颗地球静止气象卫星,葵花系列卫星的编号即源于此。

  2015年7月7日,葵花-8卫星实现业务化,取代了MTSAT卫星,成为定位于东经140度,全面覆盖太平洋东部以及南半球澳大利亚及周边地区最先进的地球静止业务气象卫星(图)。葵花-8和2016年计划升空的备份星葵花-9,预计将提供长达15年的业务化服务。葵花-8成为下一代气象卫星,主要体现在星载传感器的分辨率“3-4-3”式的大幅度提高:空间分辨率提高3倍,圆盘扫描时间从30分钟缩短到10分钟,且对日本周边区域实现2.5分钟快速扫描;探测空间分辨率提高4倍,从原来可见和红外1公里和4公里分别提高到0.5公里和2公里;探测光谱频道数增加3倍,从原来5个通道增加到16个。葵花-8卫星的另一个亮点是借助“葵花云”(Himawari Cloud)提供卫星数据服务。葵花云向每个国家的主管气象部门指定的一个机构提供一个账号,提供实时资料。葵花云还借助世界气象组织的WIS(WMO信息系统)端口提供数据服务。目前,葵花云每天的数据量已接近400G。

  正如日本曾经借助NOAA卫星提供其预报业务支撑,葵花-8先于美国下一代卫星GOES-R卫星升空后,美国气象部门也积极利用葵花-8卫星开展以业务培训和产品研发为主的相关活动,其中最为积极的是靠近日本总部位于檀香山的美国西太平洋区域气象中心以及卫星研究机构。

  在葵花-8卫星升空前,美国就已经开始了针对GOES-R卫星的更种形式的培训。但在实际业务预报平台和环境下,这种培训主要借助开启在轨GOES卫星的“快速扫描”模式等获得下一代卫星的模拟数据,因此会有很多限制,尤其是通过更多频道的先进扫描仪获得的数据,很难和真实卫星获取的数据等同。

  2015年11月,美国率先利用葵花-8卫星对关岛气象台的预报员进行培训,培训由来自长期从事气象业务卫星研究的CIMSS(气象卫星研究合作研究所,NOAA与威斯康星大学共办)的3位研究人员主讲,NOAA卫星信息局快速扫描(RSO)部门负责提供从日本气象局获得的用于培训的葵花-8卫星数据。培训主要围绕葵花-8卫星上搭载的关键传感器AHI(先进葵花图像仪)展开,特别关注高质量的卫星数据如何应用于航空和热带气象预报的改进中。所有培训的档案上传到区域气象中心总部,供更大范围的气象业务人员在使用新卫星信息时参考。12月培训机构还通过组织一个小型研讨会,在巩固培训效果同时,让预报员更充分交流应用葵花-8卫星数据改进预报业务的体会。虽然培训只进行了4天,但是通过培训可以在很大程度上让西太平洋区域中心的预报员,先于美国其他地区同行受益于葵花-8卫星,预报员也能在第一时间建立新一代卫星在关键能力提升上的理念,从而在日常天气分析和预报过程中,更好地利用日本新卫星资源。

  被葵花-8卫星很好覆盖的澳大利亚,也在第一时间与日本合作,借助葵花-8资源开发更多的应用。例如,针对陆地的植被指数、森林火传播、洪水预警和陆地表面温度等产品;针对海洋的海洋颜色和SST等产品,以及太阳能发电所用的太阳辐射和空气质量监测中气溶胶和烟霾监测等服务。

  如果说美国利用葵花-8卫星开展对西太平洋区域预报员培训只是让最早升空的下一代卫星更早被预报员所认知的话,那么借助葵花-8完善对GOES-R卫星的应用,尤其是借助当前卫星快速扫描机制所无法完全实现的下一代卫星功能的检验和测试,则是美国借力日本先发卫星准备GOES-R时代到来的最好机会。例如,葵花-8上的AHI扫描仪在可见光频道曾出现反照率大于100%的结果,而针对更多频道数据开展研究,给出卫星图像增强的色彩标准,则会在未来应用更多下一代卫星时受益。

  随着下一代气象卫星上对包括可见光谱段在内更多频道上探测数据及其扫描图像的出现,AHI所代表的通道数为2位数的先进扫描仪,已经并且可能会更多地获得人眼无法识别的图像,当这些图像又能反映关键气象要素的变化,识别标准和基线的确定,进而开发出与下一代卫星数据相适应的天气变量或其变化的识别软件,无疑是让最新卫星“落地”,且让气象预报实现跨越式进步的必由之路。

  用新标准和基线识别下一代卫星更通道带来的人眼难以识别数据的问题,在某些方面有点像人们在查询一座城市的地铁图:每条地铁用一种颜色代表,城市地铁线路不多时,你很容易知道你所在的地方有哪条地铁线通过;但当城市地铁线达不断增加时,不得不用相近色系颜色代表不同的地铁线,人们靠线路颜色识别线路也就越来越困难。

  美国气象局抓住葵花-8先于GOES-R升空并投入业务的机会,在其天气诊断业务工具AWIPS中开发适应葵花-8数据的换代产品,并进而将这些增强的产品用于数值预报模式中。美国气象培训COMET网早在2015年1月就推出了葵花-8上关键设备AHI的培训课程,GOES-R专门网页上推出了有别于GOES-R,葵花-8卫星独有的可见光绿色通道的信息介绍,这些都为将要到来的下一代气象卫星时代“暖场”,无疑会有效促进预计在2016年10月升空的美国下一代地球静止卫星首颗卫星GOES-R对美国气象预报能力的提升。

   英国借力美国提升模式能力 

  相互借力的另外一个典型例子,发生在英国和美国的气象部门之间。为了有效提高强天气预报的准确性。从2002年开始,美国气象局借助NOAA的试验平台,每年进行持续数周的春季预报试验(SFE)。这和同期英国气象局关注集合预报系统、对流模拟和局地高影响天气预报的重点相符。于是,从2003年开始,英国气象局每年派出研究和业务人员参加SFE。因为SFE的参与机构已经从NOAA相关机构扩展到美国多所大学以及天气企业,英国气象局的参与人员有机会在预报实践中全方位了解美国天气界的最新动态。

  2014年,SFE的试验目标聚焦风暴尺度模式,这也是英国方面最关心的前沿预报技术,因此派出了8人参与其中(其中1人全程参加了持续5周的SPE)。在实际的预报过程中,双方比较了美国NSSL(国家强风暴实验室)和英国气象局的风暴尺度模式(分别为WRF和UKMET模拟),发现在解析对流抑制层的突发性方面,英国模式优于美方模式。

  2015年,双方的合作更近一步,英国气象局利用NOAA灾害天气试验平台,将其统一模式的区域版本移植到美国本土开展试验,让美国预报员和科学家在美国实时验证英国气象局模式的性能。这一合作虽然可以在模式设置、共享模式研发和数据处理技术等多方面让合作双方受益,但来自英国气象局专家的话,一语道破了如此移植模式形式合作更重要的目的:“美国类型的风暴(即强风暴)在英国很少出现,可一旦出现影响极大,强风暴天气个例在英国太少,难以验证和评估统一模式。

  英国气象局通过将其主要的区域预报模式移植到美国,客观上增加了模式在实际预报中面对强对流天气系统的机会,为模式性能的提高带来了其他方式无法得到的潜在可能。

  初步的对比试验表明,美英模式均生成过多的小尺度对流单体,但美国模式给出的较大尺度对流单体偏少,而英国模式则过多,后者的预报给出过多的强降水过程,其表现要差于美国模式。试验者发现,英国模式尽管在大气中层对流的生长和组织、天气系统强度预报等方面弱于美国模式,但是,运行于美国本土上的英国模式,还是在对流开始时间,较大尺度对流的空间分布等方面,好于美国模式。而参与试验的学者认为,这些方面的优势可能源于区域模式背后支撑的全球模式。这也从一个侧面说明,各主要天气预报中心运转的全球模式之性能虽然无需在国家间对比,但它们是更好的区域预报的重要保证。

  未来,英美合作者将针对有代表性的个例开展详尽研究,重点解决英方模式为什么有时无法将中层对流升通过升尺度过程并入中尺度对流系统中,更加仔细地研究两国模式间的差异,并对最新的结果进行进一步的验证。双方还将用更高分辨率模式对已有个例进行再模拟研究。未来,美方的WRF模式还将被移植到英国,开展类似的试验对比研究。

  近年来发生在美、日、英等气象先进国家间以“借力”为特点的新的合作,不同于以往的合作之处在于,真正打破了国家或机构间的界线,这种提供“插件”式的利用或移植,或者利用了率先取得气象业务技术进步方(如日本)提供的信息,或者借助了有对比和参考意义的对方业务平台(如美国),实现更准确和高效的技术进步探索。而被“借力”方几乎无需任何附加的投入(如本文中的日本),甚至还能在新形式的合作中受益(如本文中的美国),实现一方借力,双方互赢。