天气预报要更准了！中国团队新研究：三维风场 + 卫星技术，破解大气观测难题

Paper

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目前，气象卫星可通过主动遥感与被动遥感技术获取对流层二维（2D）风场数据，这些数据已常规应用于数值天气预报（NWP）模式的同化过程中。具备广阔地理覆盖范围与高时间分辨率的三维（3D）风场观测数据（垂直廓线），对理解大气动力学、改善天气预报和增强气候模型至关重要。随着地球静止轨道卫星高光谱红外（IR）探测器（GeoHIS）的发展，以及主动遥感与被动遥感观测数据的融合应用，不久后将有望获取覆盖范围更广、精度更高的三维风场观测数据。 明确这些潜在观测方法的当前发展现状、优势、局限性及未来发展方向，对于全球范围内未来卫星成像 / 探测仪器的规划与应用具有重要意义。

在 《基于卫星观测追踪大气运动以获取风场估算 —— 从二维到三维》 一文中，李俊博士（Dr. Jun Li）及其团队综述了通过气象卫星观测追踪大气特征以获取对流层风场的研究进展、风场观测从二维（2D）向三维（3D）覆盖的发展历程；同时，他们还总结了该领域潜在的应用方向、面临的相关挑战及未来展望。

传统的大气运动矢量（Atmospheric Motion Vector，AMV）反演方法已被证明对全球数据同化有价值，但在精确高度分配上有局限性，且通常无法捕捉垂直风结构。

尽管卫星主动遥感技术有望获取高精度风场廓线，但目前其空间覆盖范围十分有限，因此对全球分析的影响也很有限。高光谱红外探测器，尤其是（地球静止轨道高光谱红外探测器，GeoHIS），为3D风观测提供了一种补充方法。尽管已有研究尝试利用极轨高光谱红外探测器反演三维风场，但反演结果存在较大不确定性，且误差特征刻画尚不充分，这限制了其在数值天气预报（NWP）数据同化中的应用。 此类不确定性主要源于反演误差、较低的空间分辨率、视差效应，以及时间与空间采样的局限性。 地球静止轨道高光谱红外探测器（GeoHIS）可克服上述部分局限，从而提供精度更优的三维风场观测数据。

具体而言，李等人提出了两种三维风场反演方法：一种基于物理原理，另一种基于人工智能技术。 他们通过地球静止轨道干涉式红外探测器（GIIRS）的 15 分钟间隔目标观测数据，验证了利用地球静止轨道高光谱红外探测器（GeoHIS）反演三维风场的可行性。三维风场反演的人工智能方法结合了来自GIIRS观测的光谱、时间、空间和几何信息。数值实验证实，将GeoHIS 获取的三维风场数据同化到数值天气预报（NWP）模式中，对改进热带气旋（TC）预报具有额外价值。

图注：图（a）为纬向风（U 风，单位：米 / 秒）、图（b）为经向风（V 风，单位：米 / 秒）、图（c）为温度（单位： 开尔文）、图（d）为比湿（单位：克 / 千克）的脊线图。

每条曲线表示通过核密度估计（Kernel Density Estimates，KDE）在不同预测时间获得的均方根误差（root mean square error，RMSE）差异分布（对照实验减去GIIRS三维风同化实验）。

色彩分布及曲线相对于0的位置指示预测时间内RMSE差异的变化趋势；正偏差表示协同同化实验中误差较小，显示正影响，而负偏差表示对照实验中误差较小，显示负影响。

研究发现，动力信息与热力信息均会对预报改进产生贡献，且将两类信息结合可获得最佳效果。 另一项重要发现是：将协同定位的成像数据与探测数据相结合，不仅能将三维风场的反演范围从晴空区域扩展至多云区域，还可提高反演精度。 这表明在同一个平台或附近平台上放置高分辨率成像仪和高光谱红外探测器将提升三维风场产品和应用。

从单层特征跟踪到三维风场廓线反演的转变代表了全面描述大气动力学能力的重大进步。三维风场观测将提供更完整的大气状态和过程描述，从而提高天气预报模型的准确性。预期的三维风场观测目标可以通过GeoHIS测量以及未来卫星的主动和被动观测组合来实现。

论文信息

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作

者

🔹 李俊,

• 中国气象局国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心），中国北京；
• 中国气象局风云气象卫星创新中心，中国北京；
• 中国气象局环境卫星辐射定标与验证重点实验室，中国北京；

🔹 戴维·桑特克, 威斯康星大学麦迪逊分校空间科学与工程中心（CIMSS），美国威斯康星州麦迪逊市

🔹 李正龙, 威斯康星大学麦迪逊分校空间科学与工程中心（CIMSS），美国威斯康星州麦迪逊市

🔹 艾格尼丝·林, 威斯康星大学麦迪逊分校空间科学与工程中心（CIMSS），美国威斯康星州麦迪逊市

🔹 狄迪,

• 威斯康星大学麦迪逊分校空间科学与工程中心（CIMSS），美国威斯康星州麦迪逊市
• 南京信息工程大学大气物理学院，中国南京

🔹 闵敏, 中山大学大气科学学院，中国珠海

🔹 克里斯托弗·费尔登, 威斯康星大学麦迪逊分校空间科学与工程中心（CIMSS），美国威斯康星州麦迪逊市

🔹 W. 保罗·门泽尔, 威斯康星大学麦迪逊分校空间科学与工程中心（CIMSS），美国威斯康星州麦迪逊市

通讯作者:

🔹 李俊, junli@cma.gov.cn

期刊介绍

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Bulletin of the American Meteorological Society

本刊是针对大众读者的AMS旗舰期刊，覆盖天气、水和气候领域的同行评审文章、简述、评论和趣事短文。

美国气象学会公报 /

BAMS

ISSN: 0003-0007

eISSN: 1520-0477

https://www.ametsoc.org/index.cfm/ams/publications/bulletin-of-the-american-meteorological-society-bams/

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