中国气象卫星和卫星气象研究的回顾和发展

气象卫星和卫星气象是大气科学中发展最迅速、成就最显著的一项大气探测技术和新兴的分支学科。目前 ,气象卫星已经成为地球大气探测系统中的主要成员 ,而卫星气象学则正在覆盖地球系统科学中的主要方面。文中从 3个方面综述自 2 0世纪 70年代以来的 30多年时间内 ,中国在这一领域内取得的主要成就 :(1)中国气象卫星的发展历史和现状 ,重点介绍了中国的极轨和地球静止气象卫星的发射、运行状况和主要技术指标及发展史。 (2 )气象卫星遥感原理和方法等方面的主要成果 ,重点评述了大气温湿廓线遥感反演、云特性反演、气溶胶特性反演、降水反演和云迹风生成等 5个方面的主要成果。 (3)气象卫星资料应用研究成果 ,主要包括气象卫星资料在天气分析和预报中的应用、在数值预报中的应用和在气候监测和短期气候预测中的应用。此外还包括同化和气候监测与预测研究的最新成果。     

近20年青藏高原气象卫星应用研究回顾与展望

回顾近20年青藏高原卫星遥感技术在气象领域的应用研究成果,主要包括卫星资料在天气分析和预报、气候变化研究,以及森林火险和积雪监测等方面的应用研究,并指出目前青藏高原气象卫星应用研究中亟待解决的问题和对策。     

我国风云极轨气象卫星及应用进展

我国风云极轨气象卫星数据,目前已经被应用在天气预报、气候预测、自然灾害、环境监测、科学研究等多个重要领域,为我国国民经济建设、国防建设、防灾减灾和全球许多国家的经济发展做出了重要贡献。本文介绍了我国风云极轨气象卫星的发展历程,重点阐述了目前风云极轨气象卫星在卫星数据预处理、定量产品反演、卫星资料同化等方面的应用研究进展,并展示了第二代风云极轨气象卫星在全球业务观测、大气三维探测、海洋环境监测、数值预报应用等相关典型应用。在国家创新战略发展框架下,根据“国家级气象现代化总体方案”确定的2020年气象卫星及应用发展目标,第二代极轨气象卫星风云三号03批卫星系统工程必将进一步发挥重大支撑作用。     

卫星气象的发展——机遇与挑战

气象卫星和卫星气象发展到今天,正处于一个承上启下,继往开来的关键时期。本文从国内外气象卫星的发展,气象卫星对大气科学的作用和影响这两大方面讨论了它们在不同发展阶段所取得的进展、成就和特点,以及未来的发展趋势和面临的科学、技术问题。在此基础上,提出了卫星气象为适应良好的发展机遇所面临的挑战,它们是：绝对辐射定标和真实性检验、发展快速精确的辐射传输模式、全球模式中同化卫星遥感的水汽和云等资料、在区域模式中同化卫星遥感的高分辨率资料和发展先进的反演算法。     

加拿大极地通信和气象卫星计划分析

北极是全球气候敏感区域之一,长期以来极地气象观测资料比较缺乏.为了提高北美及全球天气预报的准确性,加拿大航天局联合加拿大环境、气象、国防等部门多个单位共同启动了极地通信和气象卫星(PCW:Polar Communication and Weather)计划,持续提供50°N以北地区的通信服务和气象遥感观测.在气象方面,PCW将提供北极极地附近地区每隔15/30min的多光谱遥感信息,重点用于高纬度风场反演、海/湖冰、积雪和植被监测,云、气溶胶和火山灰信息反演,这些遥感信息在气候变化研究中将发挥重要作用.简要介绍了PCW计划的进展、卫星观测系统设计、轨道设计、遥感仪器、气象和空间天气的监测产品及应用.     

气象业务技术四十年来的发展

本文就我国气象业务技术中的主要方面,即气象台站网的建设和发展、气象通讯系统、卫星气象及气象卫星、天气预报、气候资料工作、专业气象工作等方面四十年来的发展作了简要述评。在这四十年的发展中,以近十年来的进展最为迅速和显著,本文对此作了重点的叙述。通过以上叙述也概括地说明了我国当前气象业务技术的现状和水平。     

主要卫星云气候数据集评述

自20世纪70年代气象卫星进入业务化观测以来,气象卫星已提供了40余年的观测数据。长时间序列的卫星数据为云气候研究提供了可能。基于长时间序列的卫星数据,构建云气候数据集会涉及诸如定标、反演算法、反演数据精度验证等方面。目前国际上也已生成了一系列的云气候数据集,如ISCCP,Patmos-x,CLARA和MODIS-ST等,这些数据集所选用的探测数据、反演算法不尽一致,数据集产品的时空属性各异。如何发挥极轨和静止气象卫星各自优势,融合两类卫星数据,形成高时间分辨率、质量稳定的长时间序列云气候数据集是未来需要解决的问题。     

1998年4月14～15日强沙尘暴过程分析

利用卫星云图，数值预报产品以及常规气象资料对1998年4月14－15日发生在我国西部地区的沙尘暴天气进行了分析，指出本次过程发生在大气环流形势调整过程中，是由斜压槽及冷锋触发的。也重点分析了两个强沙尘暴中心的成因，发现第一个强沙尘暴区是由加强的冷锋云带造成的，而第二个强沙尘暴区是由三条云带共同作用造成的。强沙尘暴区位于高空急流出口区右侧、500hPa正涡度中心下风方和次级反环流的上升区内，并用动力气象学原理做了初步讨论，为预报沙尘暴提供了新的依据。     

地空基GPS探测应用研究进展

GPS大气探测(GPS气象学)目前已成为国际GPS应用的热点问题，可分为地基和空基应用两个方向。目前，地基的研究和应用技术已基本成熟，并从技术研究走向业务应用；在空基探测方面，国际上很多国家和地区都实施并发射了GPS应用气象小卫星，美国国家极轨环境卫星(NPOES)和欧盟极轨气象卫星系列(METOP)也都将搭载星载的GPS接收机，用于对地的掩星探测。GPS气象学已成为卫星气象学的一部分，它所获得的稳定的覆盖全球的对流层和平流层温度、气压、水汽和空间电子浓度的廓线资料，对气象预报、气候变化和空间天气的研究业务应用具有重要的应用价值。     

风云二号卫星地球观域修正算法

风云二号静止气象卫星在获取图像时, 必须使扫描辐射计的观域对准地球。卫星在轨道上受到各种摄动力的作用, 使轨道和姿态改变, 扫描辐射计的地球观域随之发生变化。卫星扫描辐射计对地球观域的偏差会影响图像定位的精度, 因此对准观域的工作是日常业务工作的一部分, 不仅在卫星定点之初启动观测时, 而且在业务运行的过程中, 都需要通过地面遥控指令进行修正。该文提出了一种风云二号静止气象卫星扫描辐射计地球观域修正量和调整方向的算法, 以替代人工目测卫星原始云图进行的卫星观域调整控制决策。这种算法的实施可以提高风云二号气象卫星云图获取作业的可靠性。     

雾的气象卫星遥感光谱特征

从大气辐射传输理论入手，用频谱分析方法研究了气象卫星遥感图像上云雾的可见光和红外光光谱特征，阐述了雾在NOAA各通道的光谱响应特征及相关指标。根据云雾的不同顶部结构，分析了云雾反射可见光的非朗伯特性。根据瑞利(Rayleigh)准则，解释了低太阳高度角时可见光对云雾具有更强的识别作用，指出雾与云相比，具有更强的方向性反射特点，当卫星处于云雾层的镜面反射方向时，雾区具有更强的亮度，即反射率高于云区；反之．雾区则相对较暗，指出可见光在云雾识别方面具有重要作用。通过分析云雾层的不同红外光谱特点，给出了一些云雾识别与分类的指标，说明了通道组合方法对云雾识别的重要作用，为云雾分类提供了依据。通过时间动态的频谱分析，给出了判断大雾成熟期的光谱特征，对判定大雾的发展与消散具有重要意义。     

Fengyun Meteorological Satellite Products for Earth System Science Applications

Following the progress of satellite data assimilation in the 1990s, the combination of meteorological satellites and numerical models has changed the way scientists understand the earth. With the evolution of numerical weather prediction models and earth system models, meteorological satellites will play a more important role in earth sciences in the future. As part of the space-based infrastructure, the Fengyun (FY) meteorological satellites have contributed to earth science sustainability studies through an open data policy and stable data quality since the first launch of the FY-1A satellite in 1988. The capability of earth system monitoring was greatly enhanced after the second-generation polar orbiting FY-3 satellites and geostationary orbiting FY-4 satellites were developed. Meanwhile, the quality of the products generated from the FY-3 and FY-4 satellites is comparable to the well-known MODIS products. FY satellite data has been utilized broadly in weather forecasting, climate and climate change investigations, environmental disaster monitoring, etc. This article reviews the instruments mounted on the FY satellites. Sensor-dependent level 1 products (radiance data) and inversion algorithm-dependent level 2 products (geophysical parameters) are introduced. As an example, some typical geophysical parameters, such as wildfires, lightning, vegetation indices, aerosol products, soil moisture, and precipitation estimation have been demonstrated and validated by in-situ observations and other well-known satellite products. To help users access the FY products, a set of data sharing systems has been developed and operated. The newly developed data sharing system based on cloud technology has been illustrated to improve the efficiency of data delivery.     

CloudSat卫星及其在天气和云观测分析中的应用

介绍了2006年4月28日成功发射的第1颗以对云层特性进行全球主动遥感测量CloudSat卫星的观测仪器、工作参数、运行方式、数据产品及“A—Train”卫星群等基本概况。CloudSat卫星主要有效载荷是94GHz（3mm波）云雷达,它可以“切开”云层,获得许多有关云的最新气象数据,主要数据产品包括了云的宏观物理参量和微观物理参量。介绍了CloudSat卫星已获得的典型天气和云的初期观测结果：从首次观测的云三维图片,可以清楚地看到南极洲上空风暴云的垂直剖面结构特征;从首张获得降雪云的垂直剖面图像可以得到降雪云层的发展状态以及结构特点;使用CloudSat统计数据可分析全球水凝物的分布特征。将TRMM卫星上的测雨雷达与CloudSat卫星上的云雷达联合观测研究,可以获得从薄云到浓厚云及降水的精细垂直结构特征。通过下载的CloudSat观测资料,对我国典型台风和层状云系等两类不同天气条件下云的宏微观结构特征等进行了初步分析,可以看到台风眼区附近云系的垂直结构随台风发展不同阶段的演变;从层状云系的垂直剖面可以清楚地发现云层的内部分层结构及不同相态的垂直分布特征等。     

大气环流与灾害性天气气候研究:黄士松先生学术成就和贡献回顾

黄士松先生出生于1920年10月27日,系我国著名的气象学家和气象教育家、新中国气象事业的奠基人之一。他从事气象科学研究六十余载,始终面向世界气象科学前沿,立足中国天气气候实际,围绕大气环流与灾害性天气气候问题,在大气环流成因、副热带高压变动规律、平流层与对流层环流联系、南北半球环流联系、东亚夏季风体系结构和暴雨台风重大灾害性天气过程等诸多研究领域取得了开创性、前瞻性和系统性成果。他提出了诸多新发现、新理论、新观点和新方法,均具有重大学术与实践指导意义,为丰富天气学、气候学及提高中国天气预报和气候预测水平作出了重要学术贡献。值此黄士松先生百年诞辰之际,本文从大气环流、副热带高压、东亚夏季风及暴雨和台风4个方面对先生的主要学术成就进行了回顾,以此纪念和缅怀他对气象科学的重要学术贡献。     

风云静止与极轨卫星产品在湖北暴雨监测和预报方法中的应用研究

根据2010—2014年风云2号(FY 2)和风云3号(FY 3)气象卫星资料,结合雷达资料、常规观测资料和数值预报产品等,利用多阈值法、面积重叠法进行了湖北省暴雨云团的识别跟踪方法研究;利用配料法进行了湖北省6 h暴雨短时预报方法研究。建立了以网页形式的风云系列卫星资料的暴雨监测预报业务系统,定量监测和预预暴雨的发生、发展。2014年应用检验结果表明,该系统对于湖北省暴雨的监测和预报有指导作用。     

FY-3E: The First Operational Meteorological Satellite Mission in an Early Morning Orbit

Fengyun-3 E(FY-3E),the world’s first early-morning-orbit meteorological satellite for civil use,was launched successfully at the Jiuquan Satellite Launch Center on 5 July 2021.The FY-3E satellite will fill the vacancy of the global early-morning-orbit satellite observation,working together with the FY-3C and FY-3D satellites to achieve the data coverage of early morning,morning,and afternoon orbits.The combination of these three satellites will provide global data coverage for numerical weather prediction(NWP)at 6-hour intervals,effectively improving the accuracy and time efficiency of global NWP,which is of great significance to perfect the global earth observing system.In this article,the background and meteorological requirements for the early-morning-orbit satellite are reviewed,and the specifications of the FY-3E satellite,as well as the characteristics of the onboard instrumentation for earth observations,are also introduced.In addition,the ground segment and the retrieved geophysical products are also presented.It is believed that the NWP communities will significantly benefit from an optimal temporal distribution of observations provided by the early morning,mid-morning,and afternoon satellite missions.Further benefits are expected in numerous applications such as the monitoring of severe weather/climate events,the development of improved sampling designs of the diurnal cycle for accurate climate data records,more efficient monitoring of air quality by thermal infrared remote sensing,and the quasicontinuous monitoring of the sun for space weather and climate.     

一种卫星和雷达资料结合的强降水临近预报方法

在短期和短时天气预报的基础上，通过对气象卫星红外数字资料的定量处理和统计分析，作出降水云系的实时降雨量估计，并根据降水云系生命史的演变和移动、传播等特征，结合天气系统分型和雷达回波资料，提出一种北京密云水库上游潮河，白河流域区域性０－３小时强降水临近预报方法。     

Latest Progress of the Chinese Meteorological Satellite Program and Core Data Processing Technologies

In this paper,the latest progress,major achievements and future plans of Chinese meteorological satellites and the core data processing techniques are discussed.First,the latest three FengYun(FY)meteorological satellites(FY-2H,FY-3D,and FY-4A)and their primary objectives are introduced Second,the core image navigation techniques and accuracies of the FY meteorological satellites are elaborated,including the latest geostationary(FY-2/4)and polar-orbit(FY-3)satellites.Third,the radiometric calibration techniques and accuracies of reflective solar bands,thermal infrared bands,and passive microwave bands for FY meteorological satellites are discussed.It also illustrates the latest progress of real-time calibration with the onboard calibration system and validation with different methods,including the vicarious China radiance calibration site calibration,pseudo invariant calibration site calibration,deep convective clouds calibration,and lunar calibration.Fourth,recent progress of meteorological satellite data assimilation applications and quantitative science produce are summarized at length.The main progress is in meteorological satellite data assimilation by using microwave and hyper-spectral infrared sensors in global and regional numerical weather prediction models.Lastly,the latest progress in radiative transfer,absorption and scattering calculations for satellite remote sensing is summarized,and some important research using a new radiative transfer model are illustrated.     

积温效应在电力日峰谷负荷中的应用及检验

从电力气象服务需求出发,利用2001—2010年5—9月河北省南电网逐日电力日峰负荷、日谷负荷与对应时间的气象资料,探讨晴热天气和闷热天气对电力日峰负荷、日谷负荷的影响特征。分析发现持续3 d以上的闷热天气相对晴热天气使电力日峰负荷、日谷负荷增长更显著;日最高气温32℃是引起河北省南电网日峰负荷增长的初始气温敏感点,35℃为强气温敏感点,38℃为极强气温敏感点,日最低气温25℃为引起日谷负荷增加的敏感气温临界点;建立了引入积温热累积效应的日峰负荷、日谷负荷多元回归气象预测模型,经2011—2013年应用检验,日峰负荷、日谷负荷预测平均相对误差分别为4.8%和3.5%,提高了预测准确率,对电力调度具有参考价值。     

不同观测分辨率强台风云系的遥感特征

静止气象卫星的快速区域扫描是监测不同天气过程的有利手段。以获取的风云静止气象卫星快速区域扫描数据为基础,选取2011年台风梅花(1109)及2012年台风海葵(1211)的观测数据,采用Hovm(o|¨)ller分析图、变异系数等参数,研究不同时空分辨率观测数据对台风云系结构特征参数监测的敏感性影响。分析结果表明:可见光通道10 min观测时间间隔配以1.25 km空间分辨率可以很好地反映云系演变特征,在相同观测时间分辨率条件下,降低空间分辨率会对云系结构特征的提取有较大影响;在相同空间分辨率条件下,观测时间分辨率的降低对云系结构及演变特征的分析影响较小;基于变异系数的分析说明云像元特性在60 min的观测时间间隔下发生了较大变化,如果以60 min为观测时间间隔将会失去较多的云像元变化特征。水汽通道不同观测时间的变异系数差值小于红外通道1,说明云像元在红外通道1的特性演变对观测时间的敏感性高于水汽通道,提高观测频率可获取更多的云像元红外通道1的辐射特性。