党的十八大以来,我国综合气象观测业务取得长足进步,布局适当、运行可靠的全球最大综合气象观测系统基本建成,为气象预报服务和科学研究提供了有力支撑。
“精”字当先,监测为基。中国气象局始终坚持系统观念,统一规划、统筹推进“监测精密、预报精准、服务精细”,以预报精准为目标提升气象观测能力,以服务精细为目标增强观测的针对性,以气象预报服务提供有效供给为目标提高监测精密的业务质量和效益。
十年来,我国不断推进陆海空天一体化、协同高效的精密气象监测系统建设,健全气象卫星和雷达业务体系,提升综合应用水平,发展具有自主知识产权的高精度、智能化气象探测装备,同时在全球监测中发挥作用,提升全球气象资料获取和共享能力。
截至目前,我国已建成由7个大气本底站、25个气候观象台、超7万个地面自动气象观测站、120个高空气象观测站、236部新一代天气雷达、7颗在轨运行风云气象卫星等组成的综合气象观测系统,雷达监测网规模为世界第一,也是世界上少数同时拥有极轨和静止气象卫星的国家之一。
陆基观测:更精更密织牢地面“网”
气象观测是预报的基础,预报的精准需要对更精密的观测数据进行初始值代入和结果检验。十年间,我国地面观测业务飞速发展,为更精准预报天气、更好保障人民群众生命安全提供了坚实基础。
迈入自动化观测时代,实现减负增速提效 一支2B铅笔、一沓自记纸、一台电报机,曾是基层观测人员的“老三样”。不管刮风下雨、高温严寒,一到观测时间就得往外冲,有的观测员面对台风暴雨,绑着绳子获取数据;有的在夜里,面对蛇虫鼠蚁,克服恐惧记录天气信息。在一些艰苦台站,观测业务的开展尤其艰辛。
地面观测作为最基本的观测业务,要求所有的地面气象观测站在同一时间,按照统一的技术要求,实施同样的观测项目,并按照统一的数据格式,提供全球交换的基本气象要素直接观测资料。不管是在高原、海岛,还是在戈壁、边境,观测站在哪里,气象工作者就在哪里。
2020年4月1日,我国地面气象观测正式迈入全面自动化时代,观测业务能力显著提升。据统计,自动化后观测频次比人工观测提高4~8倍,数据量增加5倍以上;观测数据传输用时由分钟级优化至秒级,到报完整率达99%以上,传输频次从5分钟一次缩短至1分钟一次。
如今,地面观测配合高空观测、空间观测,已形成立体化、网格化综合气象观测系统,基本具备对大气三维综合状态和空间天气信息的实时获取能力,实现对基本气象要素的“分钟级”全空间覆盖,观测业务整体实力接近国际先进水平。
建成7万余个地面自动气象观测站,近4万个乡镇实现全覆盖 截至2021年底,我国拥有国家级地面气象观测站10930个,省级常规气象观测站55719个,加上其他类型的地面观测站点,目前,我国已建成7万余个地面气象观测站。其中,国家级地面气象观测站数量更是达到2012年站点数量的4.5倍。2020年,全国1185个贫困乡镇自动气象站建成运行,贫困乡镇和全国近4万个乡镇实现自动气象观测站全覆盖,基层气象防灾减灾能力得到再提升,脱贫攻坚成果得到再巩固。
十年间,气象部门还推动观测设备不断革新,推动冻土自动观测等一批新型技术装备试验试用。研制在深远海、高海拔、极寒、酷热、台风、强辐射、重污染等极端恶劣环境下工作的气象观测设备。采用新技术、新材料、新工艺,通过硬件结构设计与主被动防护措施相结合,增强观测设备的抗风、抗冰、耐盐雾等耐候性。
建设25个国家气候观象台,生态文明建设有了硬核支撑 国家气候观象台是以应对气候变化为出发点,对气候系统多圈层及其相互作用进行长期、连续、立体观测的国家级地面综合气象观测站。它们是服务国家生态文明、应对气候变化等战略的基础,也是开展相关领域科学研究、开放合作和人才培养的平台。
党的十八大以来,我国在不断补强优化站网的基础上,提出建设国家气候观象台,2019年,我国对外公布24个国家气候观象台名单,2021年,国家气候观象台名单进一步扩充,新增三峡国家气候观象台,国家气候观象台总数达到25个,涵盖天气气候、生态环境等多个领域。
预计在“十四五”期间,我国还将建成一批运行稳定、观测项目齐全、规范标准统一、数据质量达标的国家气候观象台,具备气候系统多圈层监测能力,并在相关科研领域取得突破。力争到“十四五”末期,打造一批在国际上有较高知名度和较大影响力的国家气候观象台。
海基观测:从“蔚蓝”走向“深蓝”
全球天气和气候的重要驱动因子来自海洋,海洋孕育了厄尔尼诺事件、拉尼娜事件、热带气旋活动等不同种类的天气气候现象,也催生了破坏力极强、影响广泛的极端天气气候事件。气候变化的影响日益扩大,海洋观测、研究和服务愈发重要。然而,海上观测远比陆地观测困难。实际上,气象观测从“蔚蓝”走向“深蓝”,并非把“海洋”和“气象”简单相加就可以完成。从新材料、新工艺研发,到各种各样的海洋气象观测核心装备,自主攻关势在必行。十年中,探索从未止步。
作为远洋最重要的直接观测手段,当前具有我国自主知识产权的海洋气象漂流观测仪已具备业务化水平,可对气温、气压、风、海表温度、盐度、洋流等气象、水文和海洋要素进行探测。这背后,仪器开发、卫星通信技术应用、集海洋水文气象观测于一体等多项技术属国内首创。
随着大型无人机在“海燕计划”中的亮相,我国基于高空大型无人机海洋综合观测的这块重要“拼图”被成功拼上。大型无人机在能够搭载多种气象探测载荷的同时,还能通过下投探空仪,进行海洋气象多要素、多维度以及高分辨率的全方位探测……
技术进步,正在彻底提升系统监测海洋的能力。当前,由800余个岸基海洋气象观测站,包括海上平台、浮标、海岛、船舶在内的500余个海基海洋气象观测站,以及无人机、风云气象卫星星座组成的海洋气象观测网正在连续提供数据。
在此基础上,以热带气旋、海上大风、海雾、近海强对流为主的海洋气象预报预警业务进一步发展,西北太平洋台风预报达到世界先进水平。初步建立了海洋气象公共服务业务体系,开展面向港口及跨洋航运、海上石油开发、近海渔业养殖和海上捕捞等海洋专业气象预警服务。
在新形势下,国家综合防灾减灾救灾、应对气候变化、海洋经济建设、海上安全和“一带一路”建设等对海洋气象支撑保障服务提出新需求,要进一步提高海洋气象研究和监测预报服务能力。在中国气象局的推动下,气象服务海洋强国建设系列举措正不断落地——海洋气象监测的探索远未止步。
“十四五”时期,在“全球监测、全球预报、全球服务”发展战略下,中国气象局将进一步加强海洋观测预报预警平台建设,推动构建海基、陆基、天基、空基多种资料有效融合的海洋气象观测网络,为海洋气象预报服务提供支撑。
空基观测:捕捉风云变幻的“侦察兵”
党的十八大以来,我国以雷达、探空等为主的空基观测能力不断提升,空基观测数据和产品广泛应用于天气预报预警和重大活动、赛事气象服务保障等。
优布局——推动地空天一体化协同观测 截至目前,我国已建成236部由S波段和C波段新一代天气雷达构成的世界上规模最大、最有影响力的气象雷达网,近地面1千米覆盖范围超220万千米2,传输时效从8分钟缩短到50秒,业务可用性达99%。
中国气象局组建雷达气象中心,出台系列雷达发展规划,从体制机制上保障天气雷达效益发挥,创新发展天气雷达、地基遥感垂直观测、气象卫星等装备智能物联和同步观测技术方法,推动地空天一体化协同观测技术发展,不断填补新一代天气雷达、地基遥感垂直观测系统等监测盲区。
2022年汛期,我国首部S波段相控阵双偏振天气雷达——福州闽侯雷达进入关键技术调试期;新一代天气雷达业务软件(ROSE2.0) 正式业务运行,核心技术自主可控,在华东、华南多次强对流过程中大显身手;雷达拼图系统V3.0投入业务试运行,更新频次由10分钟缩短到6分钟。
看效益——广泛应用于多时空多场景 2022年8月初,雷达气象中心根据气象雷达生态监测数据,发布云南、湖南、安徽等7个省农业迁飞害虫飞行路径、起落点等监测材料,并提示草地贪夜蛾已迁入河北唐山、天津一带,为相关部门、区域以及农民精准防治提供依据。
开展空中迁飞生物监测和服务,是基于天气雷达的多场景应用之一。近年来,以雷达、探空、垂直观测数据和产品应用为核心,中国气象局气象探测中心开发定量降水估测算法、回波智能外推算法、粒子相态识别算法等,研发了强对流追踪识别、强对流天气外推预警产品;改进雷达数据传输方式,将时效从442秒缩短至50秒。
基于强对流追踪识别等产品,2022年6月12日16时,根据天气雷达回波线状对流系统形成快速发展强回波超级单体,随后形成清晰的中气旋和强回波核心信号,雷达气象中心快速将“直径较大的冰雹灾害已经形成”这一重要信息发出,并与前方预报员及时互动,为北京市气象台预报强对流天气提供重要依据。
天气雷达基数据三维拼图系统 (V3.0) 集数据质量控制、产品生成、数据分析、发布服务于一体,2017年台风“天鸽”的“CT图”被网友刷屏。假相当位温、三维风速流场、台风暖心结构3个立体绘制产品,不仅可以看到2021年台风“烟花”外观结构图,还可以看到台风内部的涡旋信息。
在超大城市气象观测试验中,13个由Ka波段云雷达、微波辐射计、L波段风廓线雷达、气溶胶激光雷达和X波段双偏振雷达组成的温度、湿度、风力风速、气溶胶、水凝物等5条廓线超级站,其试验成果在北京冬奥会及庆祝新中国成立70周年大会等气象服务保障中发挥了重要作用。
2022年中国气象局地球系统数值预报中心第二季度业务结果统计显示,天气雷达资料应用在中国气象局中尺度天气数值预报系统(CMA-MESO)的应用占比从2012年的不到2%提高到55%;2021年5月统计结果显示,探空资料对全球预报贡献占比约为16.3%;2016年,24小时内云分析同化雷达反射率可提高10毫米以上量级降水预报评分5%~18%;2020年,CMA-MESO 同化应用天气雷达径向风资料后,进一步提高了近地面要素的预报能力。
天基观测:铸造大国重器,“星”献中国智慧
十年来,我国气象卫星发展实现从跟跑到并跑再到部分领域领跑的跨越,不仅解决了天气预报对于气象观测精度的需求,还实现了气象卫星性能升级、定量化应用。风云气象卫星从十年前每半小时甚至一小时才生成一张云图,空间分辨率为几千米,到如今,产品时空分辨率最高可达1分钟和250米,更被世界气象组织纳入全球业务应用气象卫星序列。
坚持自主创新 有跨越式发展的“创新星” 十年间,我国极轨气象业务卫星实现升级换代,并完成三星组网观测。2013年9月,风云三号系列首颗业务星C星成功发射,标志着我国极轨气象业务卫星的升级换代。2021年7月,“黎明星”风云三号E星成功发射,使我国成为国际上唯一同时拥有上午、下午、晨昏3条轨道气象卫星组网观测能力的国家。
2016年12月,风云四号A星成功发射,我国静止气象卫星实现升级换代。风云四号A星采用三轴稳定控制方案,与第一代静止气象卫星风云二号相比,星地系统功能和性能均实现跨越式发展——全圆盘成像时间由30分钟缩短到15分钟;对中国区域可实现每5分钟一次观测覆盖,最高分辨率从1.25千米精细到500米;在全球率先实现静止轨道干涉式大气垂直探测数据在数值天气预报模式中的同化应用。2021年6月,风云四号B星成功发射,其搭载的国际首个昼夜快速成像仪,可实现1分钟间隔250米分辨率的区域观测。
十年来,一项项指标、一个个数字,见证着我国风云气象卫星的跨越式发展。三轴稳定、大气“CT机”、对月定标、“星地一体化”、“分钟级”快扫……一项项前沿技术的突破和创新背后,都凝聚着气象与航天科技工作者对自主创新的决心和勇气。
遥感应用落地开花 是知冷知热的“百姓星” 经过十年的发展,风云气象卫星已实现从定性应用到定量精细化应用的转化,并研发出大气、云和辐射、空间天气、陆地、生物、冰雪、海洋等上百种遥感产品,产品精度达到国际先进水平。
如今,我国已基本建成涵盖国省气象部门、面向各行业的卫星遥感综合应用体系,遥感应用影响力大大提升,关键技术取得实质性突破。遥感应用也在天气分析、数值预报、气候预测、生态环境监测、公共气象服务、人工影响天气、空间天气等多领域落地开花,数值模式卫星数据同化能力显著增强,灾害性天气监测时效显著提升,卫星遥感服务生态文明建设产品日益丰富,得到多地政府的认可,支撑人工影响天气的云物理特征参量产品精细化水平不断提高。
目前,风云气象卫星已发展成为国产卫星中应用最好、定量化水平最高、离百姓最近的卫星,被誉为知冷知热的“百姓星”。
护航“一带一路”做服务全球的“中国星” 2018年,被誉为“一带一路星”的风云二号H星成功发射,开启了风云卫星国际服务的新纪元。2021年发射的风云三号E星填补了全球民用天基气象观测系统的空白,与风云三号C星和D星组网运行后,每6小时为数值预报提供一次完整的全球覆盖资料,对完善全球对地观测系统具有重要意义。2022年6月20日起,风云三号E星、风云四号B星两颗风云气象“新星”的主要数据产品向全球用户开放共享。
凭借先进的技术、稳定的业务运行和高质量的数据产品,风云气象卫星得到国际社会的高度认可。如今,风云气象卫星数据服务覆盖国家和地区达124个,其中包括92个“一带一路”沿线国家和地区。在国际防灾减灾方面,已有30个国家注册成为风云卫星国际用户防灾减灾应急保障机制成员;风云气象卫星加入空间和重大灾害国际宪章机制值班卫星序列后,已为印度、菲律宾等40多个国家提供应急保障服务近70次……风云气象卫星已成为全球对地观测网中的“主力军”,成为服务全球的“中国星”。