楊何群，王曉峰，高彥青，陸一聞，麻炳欣，王昕瑤

1. 上海市生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，上海 200030；2. 復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系，上海 200438；3. 區(qū)域高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)創(chuàng)新中心，上海 200030

0 引言

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（numerical weather prediction，NWP）把可信的天氣預(yù)報(bào)延伸到一周以上，并為天氣和氣候變化的研究提供了數(shù)值模擬的研究平臺(tái)，是近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)氣象領(lǐng)域非常引人矚目的科學(xué)技術(shù)成就之一[1]?；貧w到其本質(zhì)，其以積分模擬大氣四維時(shí)空運(yùn)動(dòng)的偏微分方程組為基礎(chǔ)，屬于微分方程的初值/邊值問題，需要利用觀測(cè)資料不斷修正模式初值，產(chǎn)生更接近實(shí)況的模式大氣狀態(tài)。積分初始條件的優(yōu)劣直接影響著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，目前國(guó)際上影響和制約數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和預(yù)報(bào)時(shí)效的關(guān)鍵是大氣運(yùn)動(dòng)的初始場(chǎng)和大氣物理及化學(xué)過(guò)程的處理。而氣象衛(wèi)星作為半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)氣象領(lǐng)域另一項(xiàng)引人矚目的科學(xué)技術(shù)成就，使人類“看到”了地球大氣的全貌，使數(shù)值預(yù)報(bào)從多年來(lái)缺乏觀測(cè)資料的困境中擺脫出來(lái)，通過(guò)資料同化、物理過(guò)程參數(shù)化等，使模式的初始場(chǎng)在時(shí)空上盡可能地接近觀測(cè)值且滿足真實(shí)大氣的動(dòng)力和統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

未來(lái)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展將“地球系統(tǒng)無(wú)縫隙預(yù)報(bào)”作為未來(lái)幾十年科學(xué)界指導(dǎo)方針的重要指標(biāo)，提出從分鐘級(jí)到世紀(jì)尺度、從米到全球空間尺度的預(yù)報(bào)發(fā)展趨勢(shì)，這意味著在天氣、水、氣候、環(huán)境等領(lǐng)域各個(gè)維度上的無(wú)縫隙，即時(shí)空尺度無(wú)縫隙、學(xué)科融合無(wú)縫隙、影響預(yù)報(bào)無(wú)縫隙[2-4]。為了實(shí)現(xiàn)上述預(yù)報(bào)性能，全球乃至區(qū)域NWP對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)提供的關(guān)鍵變量、時(shí)間分辨率、空間覆蓋度、水平分辨率、垂直分辨率、精度均有諸多需求，世界氣象組織全球綜合觀測(cè)系統(tǒng)（WIGOS）針對(duì)空間觀測(cè)系統(tǒng)也闡釋了框架性的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃[5]。因此，面向數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的未來(lái)發(fā)展，在大數(shù)據(jù)的背景下，開展NWP對(duì)衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的需求動(dòng)向分析有助于把握觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，豐富“大數(shù)據(jù)科學(xué)”的內(nèi)涵，拓展遙感應(yīng)用面和加深遙感應(yīng)用深度。

1 衛(wèi)星觀測(cè)大數(shù)據(jù)和NWP的特點(diǎn)

1.1 衛(wèi)星觀測(cè)優(yōu)勢(shì)及大數(shù)據(jù)特征

衛(wèi)星觀測(cè)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：一是觀測(cè)面廣闊、水平分辨率高，能夠提供大范圍（包括人跡罕至）地域上有關(guān)大氣、海洋、地表和云況等的時(shí)空演變信息；二是針對(duì)空間異質(zhì)性地域的掃描成像或垂直探測(cè)來(lái)自同一觀測(cè)儀短時(shí)間的測(cè)量，使得測(cè)量誤差易于掌握。自從美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）分別于1995年和1996年在業(yè)務(wù)三維變分同化中實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星輻射率資料的直接同化后，以全球模式為代表的各類確定性預(yù)報(bào)和集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（如GRAPES等），陸續(xù)將靜止和極軌衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)（AMVs-IR/VIS/WVs）、GPS掩星、中國(guó)“風(fēng)云”氣象衛(wèi)星系列、歐洲MetOp等的微波溫度計(jì)（AMSU-A）、微波濕度計(jì)（MHS）、高光譜大氣紅外探測(cè)儀（IASI、AIRS）、微波散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)（ASCAT）等多平臺(tái)衛(wèi)星資料成功同化，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技巧和能力持續(xù)提高。尤其是近10年，各類衛(wèi)星資料的同化應(yīng)用進(jìn)展非常迅速，對(duì)于處于領(lǐng)先地位的ECMWF，其同化系統(tǒng)中所用觀測(cè)資料超過(guò)90%來(lái)自衛(wèi)星探測(cè)，這些資料涉及30顆衛(wèi)星，包括超過(guò)90種數(shù)據(jù)和1000多種參數(shù)。我國(guó)自主研究并建立的新一代多尺度通用資料同化與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES對(duì)衛(wèi)星資料的應(yīng)用也已占其采用觀測(cè)資料的70%。因此，衛(wèi)星資料逐步占據(jù)了所有觀測(cè)資料的最大份額，成為改善數(shù)值天氣預(yù)報(bào)效果的一種重要而有效的動(dòng)態(tài)信息源，對(duì)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)效果的提高起著關(guān)鍵作用[6-8]，而數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)衛(wèi)星資料的應(yīng)用評(píng)估反饋也促使對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)[5,8]。

與此同時(shí)，通過(guò)多衛(wèi)星、多平臺(tái)獲取到的地球多維屬性遙感數(shù)據(jù)集具有典型的大數(shù)據(jù)特征[9]。隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，多樣化的成像方式、不同波段和時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)并存，遙感數(shù)據(jù)日益多元化；通信傳輸能力的提升和衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行使得遙感數(shù)據(jù)獲取的速度提高，更新周期縮短，時(shí)效性越來(lái)越強(qiáng)；各種飛行平臺(tái)上搭載的傳感器不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一區(qū)域的短期重復(fù)觀測(cè)，且遙感數(shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而海量數(shù)據(jù)背后隱藏的海陸氣界面多粒度、多時(shí)相、多方位、多層次信息和知識(shí)則是新型的戰(zhàn)略資源，亟待挖掘。總之，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已體現(xiàn)出完整的大數(shù)據(jù)“5V”特征[10]。深化衛(wèi)星大數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用需依托于觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、偏差訂正、云檢測(cè)、通道選擇、質(zhì)量控制、資料同化等關(guān)鍵技術(shù)，準(zhǔn)確把握NWP服務(wù)指標(biāo)協(xié)同處理，提高多源衛(wèi)星應(yīng)用數(shù)量和效益。

1.2 面向氣象服務(wù)需求的NWP性能指標(biāo)

圖1所示為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的特性及挑戰(zhàn)[1]，其中橢圓部分展示了需要被模式解析的關(guān)鍵現(xiàn)象及其所代表的從小尺度氣流到完全耦合的地球系統(tǒng)模擬過(guò)程的復(fù)雜性。

圖1 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的特性及挑戰(zhàn)[1]

從服務(wù)需求的視角來(lái)看，未來(lái)15～20年，面向風(fēng)暴、洪水、干旱等高影響天氣和極端氣候事件預(yù)報(bào)的防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)對(duì)，滿足人民生活需求的氣象景觀、生態(tài)服務(wù)功能預(yù)報(bào)，以及航空、交通、健康等行業(yè)趨利避害和城市精細(xì)化管理的氣象增值決策服務(wù)，要求數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)具備以下功能：在空間尺度方面，全球NWP單模式能夠完成水平分辨率為1 km的對(duì)流可分辨尺度運(yùn)行，集合預(yù)報(bào)模式分辨率需達(dá)到5 km、200個(gè)層次和100個(gè)診斷變量，非靜力和完全耦合模式、區(qū)域模式的分辨率甚至要達(dá)到100 m；在復(fù)雜性方面，能夠充分耦合大氣-陸地-海洋-海冰模型；在及時(shí)性方面，具備從短時(shí)臨近、中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)到季節(jié)延伸期、年際氣候預(yù)測(cè)等符合對(duì)象特性的提前時(shí)效。表1為針對(duì)具體領(lǐng)域和項(xiàng)目的NWP期望性能指標(biāo)，與現(xiàn)狀對(duì)比，其體現(xiàn)出更加精密、精準(zhǔn)、精細(xì)的總體趨勢(shì)。

表1 針對(duì)具體領(lǐng)域和項(xiàng)目的NWP期望性能指標(biāo)

2 NWP對(duì)衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的需求及現(xiàn)狀

根據(jù)用途以及探測(cè)反演的對(duì)象或變量要素，衛(wèi)星劃分為不同的平臺(tái)（如氣象、海洋和陸地衛(wèi)星）和軌道平面，搭載相應(yīng)的傳感器；從探測(cè)屬性方面，衛(wèi)星傳感器能探測(cè)的最小空間網(wǎng)格和兩次觀察同一地區(qū)的時(shí)間間隔分別稱為空間分辨率和時(shí)間分辨率。如前所述，NWP的精確度和及時(shí)性很大程度上取決于衛(wèi)星遙感等技術(shù)手段對(duì)大氣物理和化學(xué)過(guò)程初始場(chǎng)描述的全面性、精準(zhǔn)性。為了實(shí)現(xiàn)NWP的性能目標(biāo)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)衛(wèi)星大數(shù)據(jù)在以下方面具有更明確、更迫切的需求。

2.1 探測(cè)變量

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)強(qiáng)烈依賴衛(wèi)星遙感提供的天氣要素實(shí)況，尤其需要從近地面層到平流層、具有足夠垂直分辨率的、全天候的三維溫濕廓線、三維風(fēng)場(chǎng)，以及云特征量。除此之外，衛(wèi)星對(duì)陸表（如土地覆蓋/土地利用情況、土壤濕度）、海洋（如海表溫度等）及大氣成分的觀測(cè)數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)與氣候數(shù)值模擬中具有不可替代的作用，因此各國(guó)不斷研制功能迥異的衛(wèi)星，以滿足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的復(fù)雜要求。

溫濕廓線探測(cè)方面。衛(wèi)星微波儀器現(xiàn)今有NPP/ATMS、FY-3/MWTHS、AMSU-A/B等，集中于4～8 GHz、8～12 GHz、12～20 GHz、20～26 GHz、26～40 GHz、50～70 GHz、70～110 GHz、110～130 GHz、170～200 GHz、200 GHz以上頻段；紅外高光譜儀器有AIRS、CrIS、IASI、FY-4A/GIIRS等，其中位于12.5～15.5 μm光譜區(qū)域范圍內(nèi)的CO2吸收線主要提供大氣溫度廓線信息，位于8.3～12.5 μm光譜區(qū)域的是大氣窗區(qū)，包含了地表溫度和近地面的水汽信息。此外，GPS掩星、激光雷達(dá)也可探測(cè)大氣水汽廓線。未來(lái)計(jì)劃發(fā)射的星載微波垂直探測(cè)將擁有更加強(qiáng)大的獲取大氣信息的能力。

大氣運(yùn)動(dòng)矢量探測(cè)方面。2018年，歐洲航天局發(fā)射的風(fēng)神（Aeolus）衛(wèi)星通過(guò)激光雷達(dá)基于多普勒和雙/三頻后向散射效應(yīng)觀測(cè)風(fēng)廓線，實(shí)現(xiàn)了從太空對(duì)全球大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行三維觀測(cè)。其主要任務(wù)包括：①對(duì)高度0～30 km對(duì)流層和較低平流層的全球大氣垂直風(fēng)廓線進(jìn)行測(cè)量；②以1 m/s的風(fēng)速精度，對(duì)地表（高度0～2 km）的大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；③以2 m/s的風(fēng)速精度，對(duì)自由對(duì)流層內(nèi)（高度0～16 km）的大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；④確定50 km范圍內(nèi)的平均風(fēng)速，每小時(shí)測(cè)量120個(gè)風(fēng)廓線，從而有效彌補(bǔ)全球天氣觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)三維動(dòng)力場(chǎng)觀測(cè)的不足。2019年，我國(guó)發(fā)射的捕風(fēng)一號(hào)A/B試驗(yàn)衛(wèi)星能同時(shí)接收中國(guó)和美國(guó)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的直射和反射信號(hào)。該信號(hào)能穿透降水，在海面反射后，會(huì)受海浪影響而發(fā)生變化，通過(guò)標(biāo)定和反演，解碼出“風(fēng)”的信息，可獲取臺(tái)風(fēng)中心厚云或強(qiáng)降水區(qū)域高質(zhì)量海面風(fēng)場(chǎng)信息。

云雨探測(cè)方面。主要使用降水測(cè)量雷達(dá)、云雷達(dá)、微波成像儀等進(jìn)行探測(cè)。雷達(dá)探測(cè)云和降水的頻段集中于Ku-波段（12～18 GHz/1.67～2.4 cm）、Ka-波段（26.5～40 GHz/0.75～1.1 cm）、W-波段（75～110 GHz/2.7～4 mm）。它們大多屬于厘米波范圍，儀器屬于微波散射計(jì)和雷達(dá)類型。微波成像儀探測(cè)大氣云雨?duì)顟B(tài)的頻段集中于1～200 GHz、200 GHz以上頻段范圍。降水雷達(dá)測(cè)量衛(wèi)星采用主動(dòng)降水測(cè)量與被動(dòng)微波、光學(xué)成像遙感相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)降水和云雨大氣參數(shù)遙感探測(cè)，獲取融化層高度和厚度信息，為提高降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率提供有力支撐。

除了觀測(cè)上述基礎(chǔ)氣象變量，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)還關(guān)注更多大氣變量，如氣溶膠、CO2、臭氧等，以及作為季節(jié)和年際氣候預(yù)測(cè)物理基礎(chǔ)的陸地和海洋表面變量，如土地覆蓋/利用類型、土壤濕度、陸面溫度、海洋上層（0～500 m）溫度、積雪/海冰覆蓋面積與厚度等。這些觀測(cè)主要由陸地、海洋衛(wèi)星承擔(dān)。

陸地衛(wèi)星技術(shù)利用可見光/紅外、合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）等多手段，重點(diǎn)關(guān)注幾何定量（幾何分辨率與定位精度）和輻射定量（光譜輻射分辨率與定標(biāo)精度），實(shí)現(xiàn)對(duì)地表資源環(huán)境的精細(xì)識(shí)別，支持?jǐn)?shù)值天氣預(yù)報(bào)陸面過(guò)程參數(shù)化[11]。Landsat、Sentinel、MODIS、FY-3/MERSI等中空間分辨率衛(wèi)星被廣泛用來(lái)提供下墊面土地覆被類型和地表反照率、葉面積指數(shù)、地表溫度等參數(shù)信息，AMSR-E、WindSat、ACSAT、SMOS、AMSR-2、GRACE等衛(wèi)星則用于反演土壤濕度和地下水儲(chǔ)量，這對(duì)于中期天氣預(yù)報(bào)（即10～15天預(yù)報(bào)）更為重要?；贕OSAT、GOME-2、SCIAMACHY、OCO-2實(shí)現(xiàn)日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒夥囱?，用于植被物候和碳循環(huán)的參數(shù)化。未來(lái)還需進(jìn)一步補(bǔ)充激光、超光譜、多角度偏振成像等多種遙感探測(cè)手段，以具備亞納米級(jí)地物光譜與地表空間垂直結(jié)構(gòu)的精確探測(cè)能力，針對(duì)性提升對(duì)城市三維街渠冠層能量平衡與水分平衡的描述能力。

海洋衛(wèi)星具有海洋水色、海洋動(dòng)力環(huán)境和海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)三大系列。Jason、HY衛(wèi)星上的雷達(dá)高度計(jì)可以測(cè)量海面高度、有效波高和重力場(chǎng)等參數(shù)，ASCAT、OSCAT、RapidScat等微波散射計(jì)可以測(cè)量全球洋面風(fēng)場(chǎng)等；AMSR-E、AMSR-2、HY-2/RM、SMOS等掃描微波輻射計(jì)用于觀測(cè)反演海面溫度、海表鹽度；中法海洋衛(wèi)星搭載的掃描幅寬達(dá)180 km的波譜儀則連續(xù)測(cè)量全球海面波浪譜，通過(guò)風(fēng)浪聯(lián)合探測(cè)可以描述海表面波的動(dòng)力過(guò)程與變化過(guò)程，揭示長(zhǎng)涌浪與風(fēng)浪的相互作用、與交接海面的關(guān)系，以及與危險(xiǎn)海況相關(guān)的能量聚合。此外還需要海洋衛(wèi)星監(jiān)測(cè)反演海流、海冰、葉綠素濃度、懸浮泥沙、內(nèi)波等要素信息[12]。

2.2 探測(cè)時(shí)間分辨率

時(shí)間分辨率又稱重訪周期。時(shí)間間隔大，則時(shí)間分辨率低，反之時(shí)間分辨率高。天氣系統(tǒng)瞬息萬(wàn)變，為了提高預(yù)報(bào)效能，NWP需要時(shí)間分辨率高的衛(wèi)星來(lái)觀測(cè)要素，以捕捉、描述其變化對(duì)地氣系統(tǒng)的影響。

目前，觀測(cè)各類豐富地球變量的衛(wèi)星多是極軌氣象衛(wèi)星，它們的首要任務(wù)是為NWP提供滿足時(shí)間和空間要求的全球觀測(cè)資料，改善初始場(chǎng)，提高NWP的預(yù)報(bào)時(shí)效和精度。例如，歐洲和美國(guó)業(yè)務(wù)極軌氣象衛(wèi)星采用歐洲MetOp衛(wèi)星負(fù)責(zé)上午軌道，美國(guó)NOAA和Suomi NPP衛(wèi)星負(fù)責(zé)下午軌道，采用雙邊全球資料業(yè)務(wù)交換和共享的協(xié)作組網(wǎng)觀測(cè)模式。我國(guó)的FY-3A/C衛(wèi)星軌道接近歐洲的MetOp衛(wèi)星，F(xiàn)Y-3B/D衛(wèi)星軌道接近美國(guó)的Suomi NPP衛(wèi)星。但是，上述衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間要么集中在10:00（22:00）左右，要么集中在14:00（02:00）左右。從NWP同化要求來(lái)看，目前每6 h觀測(cè)，同化時(shí)間窗內(nèi)會(huì)存在2～3條軌道的衛(wèi)星觀測(cè)空白區(qū)，且對(duì)于易生成天氣現(xiàn)象（如對(duì)流等）的清晨時(shí)段也存在觀測(cè)缺失。

為了滿足NWP的觀測(cè)需求，世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）在《2025年全球觀測(cè)系統(tǒng)展望》報(bào)告中提出了在太陽(yáng)同步軌道平面上建立上午、下午和晨昏軌道衛(wèi)星組網(wǎng)觀測(cè)的概念[5,13]。3顆衛(wèi)星（清晨/上午/下午）分別攜帶高光譜紅外垂直探測(cè)儀、可見光/紅外成像儀（包括晝/夜微光成像）、微波成像儀、微波垂直探測(cè)器、散射計(jì)等，滿足全球3個(gè)時(shí)間段的全覆蓋。晨昏軌道衛(wèi)星在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中具有重要意義，它是軌道降交點(diǎn)地方時(shí)（equator cross time，ETC）在6:00（18:00）左右的衛(wèi)星。該類衛(wèi)星的增設(shè)可以讓每6 h觀測(cè)同化時(shí)間窗內(nèi)形成一次無(wú)縫隙的全球大氣探測(cè)資料，從而改進(jìn)NWP的初始場(chǎng)，對(duì)于南北半球預(yù)報(bào)和行星尺度的區(qū)域預(yù)報(bào)均有積極的貢獻(xiàn)。

極軌氣象衛(wèi)星雖然具有微波紅外垂直探測(cè)和成像觀測(cè)能力，但存在覆蓋面小、觀測(cè)頻次低的短板。靜止衛(wèi)星則具有從小時(shí)到分鐘級(jí)的掃描重訪優(yōu)勢(shì)。以我國(guó)第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星（FY-4A和FY-4B）為例，其配備的輻射成像儀和快速成像儀相互協(xié)同配合，不僅保證了靜止軌道大氣遙感所需的多光譜功效，而且可每15 min對(duì)東半球掃描一次；面向短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的需求，可提供2000 km×2000 km區(qū)域、1 min間隔的晝夜高頻次連續(xù)快速監(jiān)測(cè)。此外，其還搭載了靜止軌道干涉式大氣垂直探測(cè)儀，從靜止軌道上在垂直方向?qū)Υ髿饨Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度溫度、濕度廓線探測(cè)，以獲取高光譜大氣數(shù)據(jù)。

靜止氣象衛(wèi)星觀測(cè)頻次雖高，但缺乏穿透性能，更適用于晴天條件。因此，未來(lái)可能的解決方案是高時(shí)間頻次微波探測(cè)（地球靜止軌道或低地球軌道星座），包括：①開展靜止氣象衛(wèi)星軌道微波探測(cè)試驗(yàn)和業(yè)務(wù)運(yùn)行。由于靜止氣象衛(wèi)星的軌道高度是極軌（或低地球軌道）衛(wèi)星的40倍左右，如果想達(dá)到接近極軌的觀測(cè)性能，具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)性，迄今為止國(guó)際上靜止軌道微波大氣探測(cè)仍是一項(xiàng)技術(shù)空白。我國(guó)氣象衛(wèi)星發(fā)展明確規(guī)劃下一代風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星將有搭載微波遙感儀器的微波星系列，既利用靜止平臺(tái)的高時(shí)間分辨率特性，又利用微波與云雨大氣的相互作用及穿透特性，滿足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)衛(wèi)星高效觀測(cè)的需求。②實(shí)現(xiàn)極軌小衛(wèi)星群的微波組網(wǎng)觀測(cè)。如果最低要求為每小時(shí)觀測(cè)一次，則需要在極地太陽(yáng)同步軌道平面上均勻分布12顆衛(wèi)星。未來(lái)如果與業(yè)務(wù)化的低傾角降水測(cè)量衛(wèi)星星座結(jié)合，可以大大提高觀測(cè)頻次。

此外，由于陸氣耦合作用，驅(qū)動(dòng)數(shù)值模式的下墊面特征衛(wèi)星反演產(chǎn)品（如土地覆被類型、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、土壤濕度等）也需要提高產(chǎn)品生成的時(shí)間密度，體現(xiàn)旬、月、季等動(dòng)態(tài)變化特征。

2.3 探測(cè)空間覆蓋度及水平分辨率

衛(wèi)星遙感器能觀察到的地面區(qū)域大小被稱為刈幅。極軌單星6 h可以觀測(cè)全球45%左右的區(qū)域，雙星6 h可以觀測(cè)全球85%左右的區(qū)域，三星6 h可以觀測(cè)全球的全部區(qū)域，多星組網(wǎng)可以提高大氣探測(cè)的空間覆蓋度。除了三星組合，發(fā)展寬刈幅衛(wèi)星、減少地面軌道間的間隙也是發(fā)展方向之一。為了高頻次覆蓋全球，WMO提出至少6顆業(yè)務(wù)地球靜止軌道衛(wèi)星互為補(bǔ)充，這6顆衛(wèi)星間距最好不超過(guò)經(jīng)度70°，并且每顆衛(wèi)星需配備常規(guī)多光譜可見光/紅外成像、紅外超光譜大氣垂直探測(cè)、紫外/可見光/近紅外垂直探測(cè)（大氣成分和大氣污染監(jiān)測(cè)）、閃電成像。

然而，靜止氣象衛(wèi)星存在的問題是在緯度60°以上的區(qū)域空間分辨率迅速下降，緯度70°以上的區(qū)域衛(wèi)星基本無(wú)法應(yīng)用。為了覆蓋和連續(xù)觀測(cè)北極和南極地區(qū)，需要發(fā)展高橢圓軌道（highly elliptical orbit，HEO）衛(wèi)星。這種軌道的功能類似位于赤道的靜止衛(wèi)星，是繞地球兩極飛行的大橢圓和大偏心率軌道。大偏心率軌道增加了極地地區(qū)連續(xù)觀測(cè)的頻次，實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋觀測(cè)，能對(duì)高寒極區(qū)高時(shí)間頻次天氣要素變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可應(yīng)用于極地渦旋引發(fā)的寒潮預(yù)報(bào)等。

此外，空間分辨率也需提高。空間分辨率指遙感圖像上能夠詳細(xì)區(qū)分的最小單元的尺寸，其大小反映了空間細(xì)節(jié)水平。實(shí)際上，將地面信息離散化而形成的柵格像元與遙感影像空間分辨率高低密切相關(guān)，像元越小，空間分辨率越大。較低的空間分辨率易受混合像元等的干擾，影響反演精度。FY-4B衛(wèi)星成像分辨率達(dá)到了250 m，是目前業(yè)務(wù)型地球靜止軌道氣象衛(wèi)星領(lǐng)域的最高分辨率?？紤]到紅外成像波段受云影響只能探測(cè)全球小于40%的區(qū)域，NWP的發(fā)展更多地依賴于發(fā)展能在有云和晝夜條件下全天候工作的微波探 （1.4 GHz）、對(duì)海表溫度最敏感的是C頻段（7 GHz），但上述頻段目前對(duì)海表鹽度探測(cè)的最高空間分辨率為40 km，對(duì)海表溫度探測(cè)的最高空間分辨率為50 km，而未來(lái)海表鹽度空間分辨率需達(dá)到3～10 km，海表溫度空間分辨率需達(dá)到1～5 km，這對(duì)大尺寸天線和孔徑探測(cè)體制提出了更高的技術(shù)要求[14]。

2.4 探測(cè)垂直分辨率

研究表明，當(dāng)衛(wèi)星觀測(cè)大氣的垂直分辨率小于模式大氣分辨率時(shí)，同化衛(wèi)星資料對(duì)預(yù)報(bào)精度的改善作用有限。WMO對(duì)早期衛(wèi)星大氣探測(cè)資料（TOVS）在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率方面的貢獻(xiàn)進(jìn)行了評(píng)估，提出只有當(dāng)衛(wèi)星大氣溫度、水汽探測(cè)達(dá)到無(wú)線電探空儀的精度水平時(shí)，才可能對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)做出重大的改進(jìn)。其對(duì)垂直分辨率即不同高度垂直分層觀測(cè)的基本要求見表2[15]。

表2 NWP對(duì)垂直分辨率的基本要求

垂直分辨率降低的本質(zhì)原因是儀器通道的權(quán)重函數(shù)太寬，即光譜分辨率太低。當(dāng)光譜分辨能力為50～200 μm時(shí)，垂直分辨率為3～5 km。其光譜響應(yīng)的寬度比大氣吸收線的寬度大數(shù)百倍，觀測(cè)輻射是許多吸收強(qiáng)度完全不同的譜線的平均結(jié)果，使得通道的權(quán)重函數(shù)被加寬，衛(wèi)星儀器接收的輻射來(lái)自較厚的氣層，只能提供低階的大氣垂直結(jié)構(gòu)信息，這將嚴(yán)重限制衛(wèi)星探測(cè)大氣高階（精細(xì)）垂直結(jié)構(gòu)的能力。此外，垂直分辨率還需滿足模式分層的需求，目前氣象模式垂直分層大多大于60層，模式層頂高度不低于0.1 hPa。細(xì)致的模式垂直分辨率能模擬出對(duì)流層與平流層之間深厚的質(zhì)量交換層，改善模式模擬的地面氣溫和低層環(huán)流及物理過(guò)程的變化，對(duì)于暴雨以及強(qiáng)對(duì)流天氣的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)有重要影響[16]。而目前由微波業(yè)務(wù)衛(wèi)星的光譜分辨率轉(zhuǎn)換成的探測(cè)的垂直分辨率僅為4 km，與實(shí)際需求存在差距。

提高衛(wèi)星觀測(cè)、反演產(chǎn)品的垂直分辨率是衛(wèi)星定量應(yīng)用迫切需要解決的問題。高光譜儀器光譜分辨率高（超過(guò)1000個(gè)通道），因此大氣垂直分辨率高，噪聲水平低，會(huì)包含比以前的通道式業(yè)務(wù)垂直探測(cè)儀器多一個(gè)量級(jí)以上的大氣結(jié)構(gòu)信息。例如，AIRS通道光譜寬度窄，且光譜響應(yīng)特性很好，它能提高大氣探測(cè)的垂直分辨率。但是，高光譜分辨率儀器需擴(kuò)展可開展高光譜分辨率觀測(cè)的頻段，實(shí)現(xiàn)全光譜覆蓋的高光譜觀測(cè)。

2.5 精度與時(shí)效需求

提高大氣探測(cè)反演精度是提升數(shù)值天氣預(yù)報(bào)精度的重要手段。高分辨率的NWP要求大氣溫度探測(cè)在低對(duì)流層、高對(duì)流層和平流層下部的精度最優(yōu)目標(biāo)、技術(shù)突破值、門檻閾值分別是0.5 K、1 K、3 K；濕度探測(cè)在低對(duì)流層、高對(duì)流層的最優(yōu)目標(biāo)、技術(shù)突破值、門檻閾值分別為2%、5%、10%；整層水汽含量精度的最優(yōu)目標(biāo)、技術(shù)突破值、門檻閾值分別為1 kg/m2、 2 kg/m2和5 kg/m2；等等（見表3）。精度與輻射分辨率相關(guān)，因此在軌輻射定標(biāo)精度需要受到重視。為了滿足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用需求，風(fēng)云衛(wèi)星明確提出紅外波段在軌輻射定標(biāo)精度達(dá)到0.4 K，微波在軌輻射定標(biāo)精度達(dá)到0.8 K，可見光/近紅外波段在軌輻射定標(biāo)精度為5%。

表3 高分辨率NWP對(duì)部分觀測(cè)變量的精度需求

在數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性與連續(xù)性需求方面，對(duì)于用于臨近及短時(shí)天氣預(yù)報(bào)的靜止氣象衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)獲取是最基本的要求。對(duì)于極軌氣象衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，無(wú)論在全球模式四維變分同化還是區(qū)域快速更新同化中使用，數(shù)據(jù)越接近實(shí)時(shí)，效果越好。

3 挑戰(zhàn)與未來(lái)展望

衛(wèi)星大數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)性能的改善作用主要受到模式架構(gòu)（動(dòng)力框架、物理方案）、同化方法、衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)量與質(zhì)量三方面的限制。第2節(jié)主要從提高觀測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量的角度分析了NWP對(duì)衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的需求，但是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)在應(yīng)用衛(wèi)星大數(shù)據(jù)時(shí)，在質(zhì)量控制、受容性及目標(biāo)效率方面還存在諸多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下四方面。

3.1 多星數(shù)據(jù)一體化、一致性處理

隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的密集發(fā)射，人類對(duì)遙感數(shù)據(jù)的獲取能力已超越了以往任一時(shí)期，不同成像方式、不同波段、不同分辨率、不同觀測(cè)尺度和維度的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，其所呈現(xiàn)的多傳感器、多時(shí)相、多分辨率、多要素的新特點(diǎn)標(biāo)志著衛(wèi)星大數(shù)據(jù)時(shí)代的到

來(lái)[17]。盡管NWP對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)存在切實(shí)的多類型、高時(shí)空密度需求，但多星數(shù)據(jù)的一體化、一致性處理在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)更是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)同化吸納的技術(shù)瓶頸。目前主流全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)只使用了5%～10%的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這一比例已經(jīng)包括了對(duì)這些預(yù)報(bào)有用的大部分信息[18]。每顆衛(wèi)星的傳感器類型或特點(diǎn)不同導(dǎo)致成像數(shù)據(jù)間非線性輻射差異大、同名點(diǎn)匹配難度大，處理與信息提取方法迥異，且不同來(lái)源的觀測(cè)數(shù)據(jù)可能存在重復(fù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量也難以得到保障[17]，需要解決海量多源異構(gòu)遙感數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)一致性處理的關(guān)鍵技術(shù)難題。多時(shí)空尺度的多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)存在接收、預(yù)處理、特征映射計(jì)算、信息挖掘提取等鏈路長(zhǎng)、處理環(huán)節(jié)多、技術(shù)復(fù)雜的問題，一方面，需要用統(tǒng)一的基準(zhǔn)進(jìn)行處理；另一方面，偏差訂正、云檢測(cè)、質(zhì)量控制和觀測(cè)誤差及背景誤差協(xié)方差分配是資料同化前衛(wèi)星預(yù)處理的關(guān)鍵步驟，需要構(gòu)建多星一體化成像處理物理模型，量化全鏈路處理中各環(huán)節(jié)的誤差和不確定性，有效減少錯(cuò)誤分析增量的出現(xiàn)。

3.2 資料同化

高質(zhì)量的模式初值是根據(jù)初始時(shí)刻的氣象觀測(cè)資料和背景場(chǎng)信息通過(guò)特定的資料同化方案形成的[19]。過(guò)去數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中大量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)由于受到云和降水、陸地、海冰的影響被剔除。事實(shí)證明，只有實(shí)現(xiàn)全天候同化（即云雨區(qū)資料和晴空資料同時(shí)進(jìn)入同化系統(tǒng)）才能利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的動(dòng)力和濕物理過(guò)程改進(jìn)預(yù)報(bào)效果。然而如何處理云和降水區(qū)的觀測(cè)資料仍是資料同化領(lǐng)域重要而具有挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)任務(wù)，其中濕物理參數(shù)化方案和輻射傳輸模式是制約全天候同化的瓶頸[20]。要發(fā)展全診斷的對(duì)流參數(shù)化方案以及更好的微物理參數(shù)化方案，優(yōu)化針對(duì)高頻微波通道對(duì)固態(tài)水凝物粒子散射響應(yīng)，以及低頻微波通道對(duì)地表發(fā)射率和暴雨敏感性訂正的輻射傳輸算法等，擴(kuò)大數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)衛(wèi)星資料的受容性。

耦合資料同化對(duì)于地球系統(tǒng)模式初始化至關(guān)重要[21]。而大氣組分（氣溶膠、示蹤氣體）、海洋、陸面等每個(gè)地球系統(tǒng)的組成都有獨(dú)特的過(guò)程特征和時(shí)空尺度，在一個(gè)統(tǒng)一的資料同化框架下對(duì)衛(wèi)星反演提取的上述信息進(jìn)行處理挑戰(zhàn)性很大。

此外，由于模式系統(tǒng)性誤差的存在，對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行同化時(shí)可能使初值和模式不協(xié)調(diào)，出現(xiàn)“初值沖擊”現(xiàn)象，引起計(jì)算紊亂，影響模式的預(yù)測(cè)性能。因此在資料同化過(guò)程中，要盡量克服衛(wèi)星觀測(cè)資料和模式的不協(xié)調(diào)，減小其產(chǎn)生的“初值沖擊”[22]。

3.3 人工智能與遙感、數(shù)值預(yù)報(bào)的結(jié)合

在面對(duì)多源、開放、不同類型、多時(shí)空尺度、不夠精確的海量衛(wèi)星數(shù)據(jù)和復(fù)雜的非線性天氣氣候動(dòng)力模式時(shí)，考慮到初值不確定性引發(fā)的誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)效延長(zhǎng)而迅速增長(zhǎng)的問題，以及全球或區(qū)域應(yīng)用的大規(guī)模計(jì)算需求，要尋求更有效的解決方案。深度學(xué)習(xí)等人工智能理論與方法的優(yōu)勢(shì)是具有針對(duì)模糊、不確定性問題進(jìn)行分析、聯(lián)想、記憶、學(xué)習(xí)和推斷的能力[23]。人工智能不僅在衛(wèi)星影像的復(fù)雜場(chǎng)景精細(xì)分類、特征參數(shù)提取方面顯示出高效能[24]，將其用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的初值生成物理過(guò)程等各環(huán)節(jié)，也能夠不失準(zhǔn)確性又顯著地提高預(yù)報(bào)時(shí)效[25]。海量高時(shí)空分辨率衛(wèi)星資料在模式中的應(yīng)用與人工智能技術(shù)的深度結(jié)合無(wú)疑是未來(lái)的發(fā)展方向之一。

3.4 觀測(cè)與預(yù)報(bào)的互動(dòng)

中國(guó)氣象局發(fā)布的《綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（2014—2020年）》提出，要利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式，通過(guò)預(yù)報(bào)對(duì)觀測(cè)資料的敏感性研究，分析評(píng)估觀測(cè)系統(tǒng)變化對(duì)預(yù)報(bào)的影響，開展基于適應(yīng)性觀測(cè)的觀測(cè)站網(wǎng)和重大技術(shù)裝備布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究。不僅是地面站網(wǎng)觀測(cè)，衛(wèi)星觀測(cè)也需與預(yù)報(bào)形成互動(dòng)。在觀測(cè)與預(yù)報(bào)的目標(biāo)協(xié)調(diào)方面，中國(guó)自主研制的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES利用FY-4A探測(cè)儀的觀測(cè)能力和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的云預(yù)報(bào)和敏感區(qū)識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“智能快速晴空業(yè)務(wù)觀測(cè)模式”和“高影響天氣目標(biāo)觀測(cè)模式”。針對(duì)臺(tái)風(fēng)“瑪麗亞”“安比”和“山竹”，其應(yīng)用GRAPES奇異矢量識(shí)別的敏感區(qū)，對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)區(qū)域、觀測(cè)頻次等參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)確定試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)面向預(yù)報(bào)對(duì)象的靜止衛(wèi)星探測(cè)模式，并同化到GRAPES全球4Dvar，改進(jìn)了臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)[8]。此類觀測(cè)和預(yù)報(bào)的協(xié)同互動(dòng)也是提高衛(wèi)星應(yīng)用效率的有效舉措。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)融大數(shù)據(jù)與大計(jì)算于一體，是復(fù)雜工程系統(tǒng)的典型應(yīng)用之一。由于每個(gè)地球系統(tǒng)分量都有各自特殊的過(guò)程特征和時(shí)空尺度，同時(shí)考慮NWP現(xiàn)存的較大不確定性和未來(lái)期望的預(yù)報(bào)性能，為了改善初始場(chǎng)、做好NWP模式優(yōu)化，本文從數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的需求視角，從探測(cè)變量、時(shí)間分辨率、空間覆蓋度和水平分辨率、垂直分辨率、精度與時(shí)效等方面探討了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的需求及現(xiàn)狀。同時(shí)本文指出了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用衛(wèi)星大數(shù)據(jù)面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向，如多星數(shù)據(jù)一體化一致性處理、全天候與耦合資料同化、與人工智能趨向深度結(jié)合以及衛(wèi)星觀測(cè)與預(yù)報(bào)的目標(biāo)協(xié)同互動(dòng)等。衛(wèi)星大數(shù)據(jù)與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)兩強(qiáng)聯(lián)合，在“監(jiān)測(cè)精密、預(yù)報(bào)精準(zhǔn)”道路上任道重遠(yuǎn)，前景廣闊。