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    風云系列氣象衛星觀測海冰潛力巨大

    發布時間:2022年03月11日 來源:中國氣象報社

    專家顧問:國家衛星氣象中心正研級高工武勝利、鄭照軍

    日前,經世界氣象組織(WMO)確認——俄羅斯西伯利亞東北部的維爾霍揚斯克小鎮在2020年6月20日創下北極地區最高溫度紀錄:38℃。作為全球氣候變化響應最為敏感的區域,北極近年“高燒”不斷,導致北極海冰面積逐年縮小,北極航道全面通航的可能性日益增加。全面通航的北極航道意味著什么?從氣象服務的角度看,我們有何種監測北極海冰的手段?可提供哪些服務?未來如何發力?

    ① 北極“抄近道”呼之欲出

    打開世界地圖,如果讓你從歐洲西部和北美洲東部沿海港口畫一條航線到亞洲東部,便會發現,有兩個點根本繞不過去——蘇伊士運河和巴拿馬運河,在兩大運河開通之前,船只必須要繞好望角和合恩角。即便現在,一些在歐洲西部與亞洲東部之間通航的船只,仍然要走路線更遠的好望角。且不論路上種種不確定因素太多,比如海盜和你打個招呼,單說距離也還是繞遠。

    那么,船只可不可以從北邊走,沿著俄羅斯和加拿大的北部海岸到達西方?

    理論上是可行的,但實際上很難??山浻杀睒O的航道有3條,西伯利亞沿岸的東北航道和加拿大北岸的西北航道,這兩條航道是可行的。另外一條是理論上更近的航道——直接穿越北極點,目前因為北極冰封,因此僅處于理論階段。

    綜合來看,北極航道的“抄近道”效果是最明顯的,特別是在北美洲、歐洲與中國之間來往的船只。但是,船通常只能在無冰期經過北極航道。

    以前,北極航線長年被冰雪覆蓋,氣候條件復雜,想要通航非常困難,夏季無冰可通航的時間很短,尤其是要穿過極地,沒有高級別的破冰船,基本難以實現,因此,北極一直被認為是海運的禁區。2018年,格陵蘭島北部多年海冰出現破裂,引發氣象學家警覺,因為這里曾被認為是“最后一片冰區”。全球氣候變暖,北極海冰大量融化,加之造船科技水平提升,使得北極航道(東北航道和西北航道)夏季長時間通航已經或即將成為現實,越來越多的船只選擇經此航行。

    未來,北極航道將成為中歐、中美和中加運輸貨物的新通道,挑戰傳統遠洋運輸航線,改變國際航運格局,對我國未來遠航事業發展也將產生重大影響。

    ② 風云極軌氣象衛星觀測北極海冰優勢明顯

    然而,欲在北極航行,準確的海冰信息絕對是其“通行證”之一。由于北極天氣氣候條件極其惡劣,加之北極面積太大,無法在該地布設很多氣象觀測站。因此,目前只有衛星遙感能夠快速獲得連續、完整的北極海冰觀測數據,揭示北極海冰覆蓋情況。

    鄭照軍表示,“我國風云第一代極軌氣象衛星(風云一號C星和D星)和第二代極軌氣象衛星(風云三號A星到E星共5顆衛星)先后監測過北極的海冰分布及其變化。探測儀器從可見紅外掃描輻射計發展到被動微波輻射計和雷達散射計(主動),觀測空間分辨率從25公里發展到250米,雙星同時觀測,北緯85度以北,每天可有近15次的高頻過境觀測,可實時、準確捕捉北極海冰動態,提供海冰分布、海冰密集度、海冰類型等監測產品?!?/p>

    “此外,風云三號B星、C星和D星搭載的微波成像儀自2010年開始監測北極海冰密集度,至今為止,該產品穩定成熟,目前已經在國家信息中心開始業務試運行,國家氣候中心也在推進其業務化?!蔽鋭倮硎?。

    微波成像儀是伴隨著風云三號衛星一同成長的,該載荷在風云三號B星、C星、D星都有搭載,并且性能不斷升級,其具有遙感通道多、頻率覆蓋寬、靈敏度高、定標精度高等特點,它也是國內首次自主研制的星載被動式成像微波遙感載荷,主要用于監測和獲取陸表、海洋和大氣參數,為災害性天氣預報、暴雨診斷、環境監測等提供重要服務。

    2013年1月初,中國的極地科考船“雪龍號”被困南極,就是利用風云三號微波成像儀探測數據分析得出,被困的客觀原因是所在海域海冰覆蓋與歷年同期相比異常增多,并從氣候角度上給出了該海域海冰覆蓋變化的總體趨勢。

    “微波成像儀在觀測海冰方面最大的一個優勢就是它不受云的影響,”武勝利表示,從可見光紅外衛星儀器監測結果上可以看到,在極區上空有各種云飄浮,如果遇到特別薄的云,常用的紅外探測儀很難分清楚到底是云還是海冰。此外,海冰的類型也比較多,有一年冰和多年冰,有絮狀的海冰和碟狀的海冰等,此時紅外探測儀就更難分辨云和海冰,但微波成像儀可以直接穿透云層,不受其影響。待它探測到海冰時,其獲取的輻射信息就會和海水差別非常明顯,這就是其另外的一個優勢——可以從物理機理上清晰地分辨海冰和海水?!拔⒉ǔ上駜x只要遇到水,其亮溫就會下降得非常明顯,因此海冰的亮溫將比海水高很多,以此為基礎,結合多種通道的綜合輻射響應,來判斷是冰還是水?!?/p>

    當然,風云三號中分辨率光譜成像儀也有其觀測優勢,那就是視場幅寬大、觀測頻率高、觀測目標精細,單顆星夏半年每天可實現北極從低緯到極點3到10次白天觀測,獲取250米多通道可見近紅外觀測信息。對于晴空下的海冰,能探測到冰裂隙、冰上融池、冰間水道以及大大小小的冰塊,并可追蹤這些觀測目標的日內變化?!?010年夏季,‘雪龍號’要從北極中心區返航回國,微波成像儀提供了兩條近乎成直角的路線,船長想走更近的一條,卻遲遲不能下定決心,因為他擔心有大的冰塊阻礙航行。國家海洋局的預報人員請我用風云三號中分辨率光譜成像儀的觀測資料,實時制作250米可能航線上的冰況圖與動畫,我還根據冰情畫出了細致的參考航線?!编嵳哲娬f,船長拿到資料后,果斷選擇了更近的航道,并參考了他的航線建議?;貒?,船長還給他寫了封信,表示感謝。

    風云氣象衛星海冰?觀測潛力國際看好

    “值得注意的是,在微波成像儀判斷海冰的時候,定標一定要準,只要定標準了,結果就會準!”武勝利表示。

    對此,國家衛星氣象中心一直在國產數據再定標上發力。其中,國家重點研發計劃“氣象衛星歷史數據再定標和氣候數據集構建”項目中的一項重要任務就是對風云衛星微波成像儀數據進行再定標,從2018年起,經過3年多的努力,逐步建立了“內循環+外循環”再定標機制——內循環主要圍繞項目核心指標開展定標算法和數據集迭代,隨后,將定標完成的數據集給用戶試用,給出修改意見再進行算法調整和數據集迭代,直至用戶對數據集沒有修改意見為止。

    經過內循環和外循環,中山大學趙羲教授團隊的海冰密集度研究結果顯示,風云系列氣象衛星產品和美國衛星產品質量相當。

    此前,國際頂級學術期刊《自然》一項研究成果顯示,中國氣象局的風云系列氣象衛星數據已經通過歐洲數值天氣預報部門的驗證,成功應用于歐洲的天氣預報業務,而且風云衛星所搭載的被動微波輻射計非常適合用來開展海冰監測研究。此外,研究人員還表示,風云氣象衛星未來發射計劃非常穩定,數據延續性和質量都非常好,他們已經看到風云氣象衛星非常大的潛力。

    “最新的風云三號E星,也就是我們的‘黎明星’,搭載了全球首個雙波段、雙極化、扇形旋轉波束探測體制的風場測量雷達,它具備海冰范圍、海冰類型等高精度海冰參數遙感能力。從剛剛出爐的衛星在軌測試應用結果來看,這個儀器的性能已經比現有海洋風場測量衛星能力強。我相信,儀器數據正式發布后,一定可以很好的推動中國極地海冰遙感事業的發展?!编嵳哲娧a充道。

    我國科研人員迫切希望能夠使用更多的國產風云衛星數據開展北極海冰研究,從而擺脫以往在北極海冰研究領域過分依賴國外衛星數據的狀況,這是對我們工作的肯定,也是我們努力前進的重要動力。

    我國未來還將發射風云三號F星、G星、H星等極軌氣象衛星,均將搭載微波成像儀和中分辨率光譜成像儀。屆時,我們將具備上午、下午以及傾斜軌道的觀測手段,可獲得3-6小時時間分辨率全球觀測數據,以及極區1-2小時時間分辨率的觀測數據??紤]到全球成像類微波載荷出現斷層的潛在風險,風云氣象衛星未來將可能成為填補全球海冰觀測空檔的關鍵數據源。

    (作者:李慧?責任編輯:徐嫩羽)

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