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. 復旦大學大氣與海洋科學系，上海 200438；3. 區(qū)域高分辨率數(shù)值預報創(chuàng)新中心，上海 200030

0 引言

數(shù)值天氣預報（numerical weather prediction，NWP）把可信的天氣預報延伸到一周以上，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，是近半個世紀以來氣象領域非常引人矚目的科學技術成就之一[1]?；貧w到其本質，其以積分模擬大氣四維時空運動的偏微分方程組為基礎，屬于微分方程的初值/邊值問題，需要利用觀測資料不斷修正模式初值，產(chǎn)生更接近實況的模式大氣狀態(tài)。積分初始條件的優(yōu)劣直接影響著數(shù)值天氣預報的準確性，目前國際上影響和制約數(shù)值預報準確率和預報時效的關鍵是大氣運動的初始場和大氣物理及化學過程的處理。而氣象衛(wèi)星作為半個多世紀以來氣象領域另一項引人矚目的科學技術成就，使人類“看到”了地球大氣的全貌，使數(shù)值預報從多年來缺乏觀測資料的困境中擺脫出來，通過資料同化、物理過程參數(shù)化等，使模式的初始場在時空上盡可能地接近觀測值且滿足真實大氣的動力和統(tǒng)計關系。

未來數(shù)值天氣預報的發(fā)展將“地球系統(tǒng)無縫隙預報”作為未來幾十年科學界指導方針的重要指標，提出從分鐘級到世紀尺度、從米到全球空間尺度的預報發(fā)展趨勢，這意味著在天氣、水、氣候、環(huán)境等領域各個維度上的無縫隙，即時空尺度無縫隙、學科融合無縫隙、影響預報無縫隙[2-4]。為了實現(xiàn)上述預報性能，全球乃至區(qū)域NWP對衛(wèi)星觀測提供的關鍵變量、時間分辨率、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系統(tǒng)（WIGOS）針對空間觀測系統(tǒng)也闡釋了框架性的遠景發(fā)展規(guī)劃[5]。因此，面向數(shù)值天氣預報的未來發(fā)展，在大數(shù)據(jù)的背景下，開展NWP對衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的需求動向分析有助于把握觀測技術的發(fā)展趨勢，豐富“大數(shù)據(jù)科學”的內涵，拓展遙感應用面和加深遙感應用深度。

1 衛(wèi)星觀測大數(shù)據(jù)和NWP的特點

1.1 衛(wèi)星觀測優(yōu)勢及大數(shù)據(jù)特征

衛(wèi)星觀測具有明顯的優(yōu)點：一是觀測面廣闊、水平分辨率高，能夠提供大范圍（包括人跡罕至）地域上有關大氣、海洋、地表和云況等的時空演變信息；二是針對空間異質性地域的掃描成像或垂直探測來自同一觀測儀短時間的測量，使得測量誤差易于掌握。自從美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）和歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）分別于1995年和1996年在業(yè)務三維變分同化中實現(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報和集合預報系統(tǒng)（如GRAPES等），陸續(xù)將靜止和極軌衛(wèi)星云導風（AMVs-IR/VIS/WVs）、GPS掩星、中國“風云”氣象衛(wèi)星系列、歐洲MetOp等的微波溫度計（AMSU-A）、微波濕度計（MHS）、高光譜大氣紅外探測儀（IASI、AIRS）、微波散射計風場（ASCAT）等多平臺衛(wèi)星資料成功同化，數(shù)值天氣預報技巧和能力持續(xù)提高。尤其是近10年，各類衛(wèi)星資料的同化應用進展非常迅速，對于處于領先地位的ECMWF，其同化系統(tǒng)中所用觀測資料超過90%來自衛(wèi)星探測，這些資料涉及30顆衛(wèi)星，包括超過90種數(shù)據(jù)和1000多種參數(shù)。我國自主研究并建立的新一代多尺度通用資料同化與數(shù)值天氣預報系統(tǒng)GRAPES對衛(wèi)星資料的應用也已占其采用觀測資料的70%。因此，衛(wèi)星資料逐步占據(jù)了所有觀測資料的最大份額，成為改善數(shù)值天氣預報效果的一種重要而有效的動態(tài)信息源，對于數(shù)值天氣預報效果的提高起著關鍵作用[6-8]，而數(shù)值天氣預報對衛(wèi)星資料的應用評估反饋也促使對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)的進一步改進[5,8]。

與此同時，通過多衛(wèi)星、多平臺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]。隨著對地觀測技術的發(fā)展，多樣化的成像方式、不同波段和時空分辨率的數(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)運行使得遙感數(shù)據(jù)獲取的速度提高，更新周期縮短，時效性越來越強；各種飛行平臺上搭載的傳感器不僅實現(xiàn)了對同一區(qū)域的短期重復觀測，且遙感數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長，而海量數(shù)據(jù)背后隱藏的海陸氣界面多粒度、多時相、多方位、多層次信息和知識則是新型的戰(zhàn)略資源，亟待挖掘?？傊?，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)值天氣預報中的應用需依托于觀測數(shù)據(jù)質量分析、偏差訂正、云檢測、通道選擇、質量控制、資料同化等關鍵技術，準確把握NWP服務指標協(xié)同處理，提高多源衛(wèi)星應用數(shù)量和效益。

1.2 面向氣象服務需求的NWP性能指標

圖1所示為數(shù)值天氣預報的特性及挑戰(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)模擬過程的復雜性。

圖1 數(shù)值天氣預報的特性及挑戰(zhàn)[1]

從服務需求的視角來看，未來15～20年，面向風暴、洪水、干旱等高影響天氣和極端氣候事件預報的防災減災應對，滿足人民生活需求的氣象景觀、生態(tài)服務功能預報，以及航空、交通、健康等行業(yè)趨利避害和城市精細化管理的氣象增值決策服務，要求數(shù)值天氣預報系統(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的對流可分辨尺度運行，集合預報模式分辨率需達到5 km、200個層次和100個診斷變量，非靜力和完全耦合模式、區(qū)域模式的分辨率甚至要達到100 m；在復雜性方面，能夠充分耦合大氣-陸地-海洋-海冰模型；在及時性方面，具備從短時臨近、中長期天氣預報到季節(jié)延伸期、年際氣候預測等符合對象特性的提前時效。表1為針對具體領域和項目的NWP期望性能指標，與現(xiàn)狀對比，其體現(xiàn)出更加精密、精準、精細的總體趨勢。

表1 針對具體領域和項目的NWP期望性能指標

2 NWP對衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的需求及現(xiàn)狀

根據(jù)用途以及探測反演的對象或變量要素，衛(wèi)星劃分為不同的平臺（如氣象、海洋和陸地衛(wèi)星）和軌道平面，搭載相應的傳感器；從探測屬性方面，衛(wèi)星傳感器能探測的最小空間網(wǎng)格和兩次觀察同一地區(qū)的時間間隔分別稱為空間分辨率和時間分辨率。如前所述，NWP的精確度和及時性很大程度上取決于衛(wèi)星遙感等技術手段對大氣物理和化學過程初始場描述的全面性、精準性。為了實現(xiàn)NWP的性能目標，數(shù)值天氣預報對衛(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 探測變量

數(shù)值天氣預報強烈依賴衛(wèi)星遙感提供的天氣要素實況，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、三維風場，以及云特征量。除此之外，衛(wèi)星對陸表（如土地覆蓋/土地利用情況、土壤濕度）、海洋（如海表溫度等）及大氣成分的觀測數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣預報與氣候數(shù)值模擬中具有不可替代的作用，因此各國不斷研制功能迥異的衛(wèi)星，以滿足數(shù)值天氣預報的復雜要求。

溫濕廓線探測方面。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、激光雷達也可探測大氣水汽廓線。未來計劃發(fā)射的星載微波垂直探測將擁有更加強大的獲取大氣信息的能力。

大氣運動矢量探測方面。2018年，歐洲航天局發(fā)射的風神（Aeolus）衛(wèi)星通過激光雷達基于多普勒和雙/三頻后向散射效應觀測風廓線，實現(xiàn)了從太空對全球大氣風場進行三維觀測。其主要任務包括：①對高度0～30 km對流層和較低平流層的全球大氣垂直風廓線進行測量；②以1 m/s的風速精度，對地表（高度0～2 km）的大氣風場進行測量；③以2 m/s的風速精度，對自由對流層內（高度0～16 km）的大氣風場進行測量；④確定50 km范圍內的平均風速，每小時測量120個風廓線，從而有效彌補全球天氣觀測系統(tǒng)對三維動力場觀測的不足。2019年，我國發(fā)射的捕風一號A/B試驗衛(wèi)星能同時接收中國和美國全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的直射和反射信號。該信號能穿透降水，在海面反射后，會受海浪影響而發(fā)生變化，通過標定和反演，解碼出“風”的信息，可獲取臺風中心厚云或強降水區(qū)域高質量海面風場信息。

云雨探測方面。主要使用降水測量雷達、云雷達、微波成像儀等進行探測。雷達探測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和雷達類型。微波成像儀探測大氣云雨狀態(tài)的頻段集中于1～200 GHz、200 GHz以上頻段范圍。降水雷達測量衛(wèi)星采用主動降水測量與被動微波、光學成像遙感相結合，實現(xiàn)降水和云雨大氣參數(shù)遙感探測，獲取融化層高度和厚度信息，為提高降水數(shù)值預報的準確率提供有力支撐。

除了觀測上述基礎氣象變量，數(shù)值天氣預報還關注更多大氣變量，如氣溶膠、CO2、臭氧等，以及作為季節(jié)和年際氣候預測物理基礎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。這些觀測主要由陸地、海洋衛(wèi)星承擔。

陸地衛(wèi)星技術利用可見光/紅外、合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）等多手段，重點關注幾何定量（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精度），實現(xiàn)對地表資源環(huán)境的精細識別，支持數(shù)值天氣預報陸面過程參數(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量，這對于中期天氣預報（即10～15天預報）更為重要?；贕OSAT、GOME-2、SCIAMACHY、OCO-2實現(xiàn)日光誘導葉綠素熒光反演，用于植被物候和碳循環(huán)的參數(shù)化。未來還需進一步補充激光、超光譜、多角度偏振成像等多種遙感探測手段，以具備亞納米級地物光譜與地表空間垂直結構的精確探測能力，針對性提升對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、海洋動力環(huán)境和海洋監(jiān)視監(jiān)測三大系列。Jason、HY衛(wèi)星上的雷達高度計可以測量海面高度、有效波高和重力場等參數(shù)，ASCAT、OSCAT、RapidScat等微波散射計可以測量全球洋面風場等；AMSR-E、AMSR-2、HY-2/RM、SMOS等掃描微波輻射計用于觀測反演海面溫度、海表鹽度；中法海洋衛(wèi)星搭載的掃描幅寬達180 km的波譜儀則連續(xù)測量全球海面波浪譜，通過風浪聯(lián)合探測可以描述海表面波的動力過程與變化過程，揭示長涌浪與風浪的相互作用、與交接海面的關系，以及與危險海況相關的能量聚合。此外還需要海洋衛(wèi)星監(jiān)測反演海流、海冰、葉綠素濃度、懸浮泥沙、內波等要素信息[12]。

2.2 探測時間分辨率

時間分辨率又稱重訪周期。時間間隔大，則時間分辨率低，反之時間分辨率高。天氣系統(tǒng)瞬息萬變，為了提高預報效能，NWP需要時間分辨率高的衛(wèi)星來觀測要素，以捕捉、描述其變化對地氣系統(tǒng)的影響。

目前，觀測各類豐富地球變量的衛(wèi)星多是極軌氣象衛(wèi)星，它們的首要任務是為NWP提供滿足時間和空間要求的全球觀測資料，改善初始場，提高NWP的預報時效和精度。例如，歐洲和美國業(yè)務極軌氣象衛(wèi)星采用歐洲MetOp衛(wèi)星負責上午軌道，美國NOAA和Suomi NPP衛(wèi)星負責下午軌道，采用雙邊全球資料業(yè)務交換和共享的協(xié)作組網(wǎng)觀測模式。我國的FY-3A/C衛(wèi)星軌道接近歐洲的MetOp衛(wèi)星，F(xiàn)Y-3B/D衛(wèi)星軌道接近美國的Suomi NPP衛(wèi)星。但是，上述衛(wèi)星觀測時間要么集中在10:00（22:00）左右，要么集中在14:00（02:00）左右。從NWP同化要求來看，目前每6 h觀測，同化時間窗內會存在2～3條軌道的衛(wèi)星觀測空白區(qū)，且對于易生成天氣現(xiàn)象（如對流等）的清晨時段也存在觀測缺失。

為了滿足NWP的觀測需求，世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）在《2025年全球觀測系統(tǒng)展望》報告中提出了在太陽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、微波垂直探測器、散射計等，滿足全球3個時間段的全覆蓋。晨昏軌道衛(wèi)星在數(shù)值天氣預報中具有重要意義，它是軌道降交點地方時（equator cross time，ETC）在6:00（18:00）左右的衛(wèi)星。該類衛(wèi)星的增設可以讓每6 h觀測同化時間窗內形成一次無縫隙的全球大氣探測資料，從而改進NWP的初始場，對于南北半球預報和行星尺度的區(qū)域預報均有積極的貢獻。

極軌氣象衛(wèi)星雖然具有微波紅外垂直探測和成像觀測能力，但存在覆蓋面小、觀測頻次低的短板。靜止衛(wèi)星則具有從小時到分鐘級的掃描重訪優(yōu)勢。以我國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對東半球掃描一次；面向短時臨近預報的需求，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。此外，其還搭載了靜止軌道干涉式大氣垂直探測儀，從靜止軌道上在垂直方向對大氣結構實現(xiàn)高精度溫度、濕度廓線探測，以獲取高光譜大氣數(shù)據(jù)。

靜止氣象衛(wèi)星觀測頻次雖高，但缺乏穿透性能，更適用于晴天條件。因此，未來可能的解決方案是高時間頻次微波探測（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)星軌道微波探測試驗和業(yè)務運行。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，如果想達到接近極軌的觀測性能，具有很大的技術挑戰(zhàn)性，迄今為止國際上靜止軌道微波大氣探測仍是一項技術空白。我國氣象衛(wèi)星發(fā)展明確規(guī)劃下一代風云靜止氣象衛(wèi)星將有搭載微波遙感儀器的微波星系列，既利用靜止平臺的高時間分辨率特性，又利用微波與云雨大氣的相互作用及穿透特性，滿足數(shù)值天氣預報對衛(wèi)星高效觀測的需求。②實現(xiàn)極軌小衛(wèi)星群的微波組網(wǎng)觀測。如果最低要求為每小時觀測一次，則需要在極地太陽同步軌道平面上均勻分布12顆衛(wèi)星。未來如果與業(yè)務化的低傾角降水測量衛(wèi)星星座結合，可以大大提高觀測頻次。

此外，由于陸氣耦合作用，驅動數(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)品生成的時間密度，體現(xiàn)旬、月、季等動態(tài)變化特征。

2.3 探測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可以觀測全球45%左右的區(qū)域，雙星6 h可以觀測全球85%左右的區(qū)域，三星6 h可以觀測全球的全部區(qū)域，多星組網(wǎng)可以提高大氣探測的空間覆蓋度。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)務地球靜止軌道衛(wèi)星互為補充，這6顆衛(wèi)星間距最好不超過經(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、紫外/可見光/近紅外垂直探測（大氣成分和大氣污染監(jiān)測）、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)星基本無法應用。為了覆蓋和連續(xù)觀測北極和南極地區(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)觀測的頻次，實現(xiàn)了全球覆蓋觀測，能對高寒極區(qū)高時間頻次天氣要素變化進行監(jiān)測，可應用于極地渦旋引發(fā)的寒潮預報等。

此外，空間分辨率也需提高?？臻g分辨率指遙感圖像上能夠詳細區(qū)分的最小單元的尺寸，其大小反映了空間細節(jié)水平。實際上，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，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)星成像分辨率達到了250 m，是目前業(yè)務型地球靜止軌道氣象衛(wèi)星領域的最高分辨率?？紤]到紅外成像波段受云影響只能探測全球小于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）、對海表溫度最敏感的是C頻段（7 GHz），但上述頻段目前對海表鹽度探測的最高空間分辨率為40 km，對海表溫度探測的最高空間分辨率為50 km，而未來海表鹽度空間分辨率需達到3～10 km，海表溫度空間分辨率需達到1～5 km，這對大尺寸天線和孔徑探測體制提出了更高的技術要求[14]。

2.4 探測垂直分辨率

研究表明，當衛(wèi)星觀測大氣的垂直分辨率小于模式大氣分辨率時，同化衛(wèi)星資料對預報精度的改善作用有限。WMO對早期衛(wèi)星大氣探測資料（TOVS）在數(shù)值天氣預報準確率方面的貢獻進行了評估，提出只有當衛(wèi)星大氣溫度、水汽探測達到無線電探空儀的精度水平時，才可能對數(shù)值天氣預報做出重大的改進。其對垂直分辨率即不同高度垂直分層觀測的基本要求見表2[15]。

表2 NWP對垂直分辨率的基本要求

垂直分辨率降低的本質原因是儀器通道的權重函數(shù)太寬，即光譜分辨率太低。當光譜分辨能力為50～200 μm時，垂直分辨率為3～5 km。其光譜響應的寬度比大氣吸收線的寬度大數(shù)百倍，觀測輻射是許多吸收強度完全不同的譜線的平均結果，使得通道的權重函數(shù)被加寬，衛(wèi)星儀器接收的輻射來自較厚的氣層，只能提供低階的大氣垂直結構信息，這將嚴重限制衛(wèi)星探測大氣高階（精細）垂直結構的能力。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。細致的模式垂直分辨率能模擬出對流層與平流層之間深厚的質量交換層，改善模式模擬的地面氣溫和低層環(huán)流及物理過程的變化，對于暴雨以及強對流天氣的數(shù)值模擬預測有重要影響[16]。而目前由微波業(yè)務衛(wèi)星的光譜分辨率轉換成的探測的垂直分辨率僅為4 km，與實際需求存在差距。

提高衛(wèi)星觀測、反演產(chǎn)品的垂直分辨率是衛(wèi)星定量應用迫切需要解決的問題。高光譜儀器光譜分辨率高（超過1000個通道），因此大氣垂直分辨率高，噪聲水平低，會包含比以前的通道式業(yè)務垂直探測儀器多一個量級以上的大氣結構信息。例如，AIRS通道光譜寬度窄，且光譜響應特性很好，它能提高大氣探測的垂直分辨率。但是，高光譜分辨率儀器需擴展可開展高光譜分辨率觀測的頻段，實現(xiàn)全光譜覆蓋的高光譜觀測。

2.5 精度與時效需求

提高大氣探測反演精度是提升數(shù)值天氣預報精度的重要手段。高分辨率的NWP要求大氣溫度探測在低對流層、高對流層和平流層下部的精度最優(yōu)目標、技術突破值、門檻閾值分別是0.5 K、1 K、3 K；濕度探測在低對流層、高對流層的最優(yōu)目標、技術突破值、門檻閾值分別為2%、5%、10%；整層水汽含量精度的最優(yōu)目標、技術突破值、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，因此在軌輻射定標精度需要受到重視。為了滿足數(shù)值天氣預報應用需求，風云衛(wèi)星明確提出紅外波段在軌輻射定標精度達到0.4 K，微波在軌輻射定標精度達到0.8 K，可見光/近紅外波段在軌輻射定標精度為5%。

表3 高分辨率NWP對部分觀測變量的精度需求

在數(shù)據(jù)獲取的實時性與連續(xù)性需求方面，對于用于臨近及短時天氣預報的靜止氣象衛(wèi)星來說，實時獲取是最基本的要求。對于極軌氣象衛(wèi)星來說，無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)越接近實時，效果越好。

3 挑戰(zhàn)與未來展望

衛(wèi)星大數(shù)據(jù)對數(shù)值天氣預報性能的改善作用主要受到模式架構（動力框架、物理方案）、同化方法、衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)量與質量三方面的限制。第2節(jié)主要從提高觀測數(shù)據(jù)數(shù)量的角度分析了NWP對衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的需求，但是數(shù)值天氣預報在應用衛(wèi)星大數(shù)據(jù)時，在質量控制、受容性及目標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

隨著對地觀測技術的進步和對地觀測衛(wèi)星的密集發(fā)射，人類對遙感數(shù)據(jù)的獲取能力已超越了以往任一時期，不同成像方式、不同波段、不同分辨率、不同觀測尺度和維度的對地觀測數(shù)據(jù)呈爆發(fā)式增長，其所呈現(xiàn)的多傳感器、多時相、多分辨率、多要素的新特點標志著衛(wèi)星大數(shù)據(jù)時代的到

來[17]。盡管NWP對衛(wèi)星觀測存在切實的多類型、高時空密度需求，但多星數(shù)據(jù)的一體化、一致性處理在未來相當長一段時間內更是數(shù)值天氣預報對衛(wèi)星數(shù)據(jù)同化吸納的技術瓶頸。目前主流全球數(shù)值天氣預報只使用了5%～10%的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這一比例已經(jīng)包括了對這些預報有用的大部分信息[18]。每顆衛(wèi)星的傳感器類型或特點不同導致成像數(shù)據(jù)間非線性輻射差異大、同名點匹配難度大，處理與信息提取方法迥異，且不同來源的觀測數(shù)據(jù)可能存在重復，數(shù)據(jù)質量也難以得到保障[17]，需要解決海量多源異構遙感數(shù)據(jù)協(xié)調一致性處理的關鍵技術難題。多時空尺度的多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)存在接收、預處理、特征映射計算、信息挖掘提取等鏈路長、處理環(huán)節(jié)多、技術復雜的問題，一方面，需要用統(tǒng)一的基準進行處理；另一方面，偏差訂正、云檢測、質量控制和觀測誤差及背景誤差協(xié)方差分配是資料同化前衛(wèi)星預處理的關鍵步驟，需要構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，有效減少錯誤分析增量的出現(xiàn)。

3.2 資料同化

高質量的模式初值是根據(jù)初始時刻的氣象觀測資料和背景場信息通過特定的資料同化方案形成的[19]。過去數(shù)值天氣預報中大量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)由于受到云和降水、陸地、海冰的影響被剔除。事實證明，只有實現(xiàn)全天候同化（即云雨區(qū)資料和晴空資料同時進入同化系統(tǒng)）才能利用數(shù)值天氣預報中的動力和濕物理過程改進預報效果。然而如何處理云和降水區(qū)的觀測資料仍是資料同化領域重要而具有挑戰(zhàn)性的一項任務，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)化針對高頻微波通道對固態(tài)水凝物粒子散射響應，以及低頻微波通道對地表發(fā)射率和暴雨敏感性訂正的輻射傳輸算法等，擴大數(shù)值天氣預報對衛(wèi)星資料的受容性。

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

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

3.3 人工智能與遙感、數(shù)值預報的結合

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

3.4 觀測與預報的互動

中國氣象局發(fā)布的《綜合氣象觀測系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（2014—2020年）》提出，要利用數(shù)值預報模式，通過預報對觀測資料的敏感性研究，分析評估觀測系統(tǒng)變化對預報的影響，開展基于適應性觀測的觀測站網(wǎng)和重大技術裝備布局設計與優(yōu)化研究。不僅是地面站網(wǎng)觀測，衛(wèi)星觀測也需與預報形成互動。在觀測與預報的目標協(xié)調方面，中國自主研制的數(shù)值預報系統(tǒng)GRAPES利用FY-4A探測儀的觀測能力和數(shù)值天氣預報系統(tǒng)的云預報和敏感區(qū)識別技術，實現(xiàn)了“智能快速晴空業(yè)務觀測模式”和“高影響天氣目標觀測模式”。針對臺風“瑪麗亞”“安比”和“山竹”，其應用GRAPES奇異矢量識別的敏感區(qū)，對衛(wèi)星觀測區(qū)域、觀測頻次等參數(shù)進行最優(yōu)確定試驗，實現(xiàn)面向預報對象的靜止衛(wèi)星探測模式，并同化到GRAPES全球4Dvar，改進了臺風路徑預報[8]。此類觀測和預報的協(xié)同互動也是提高衛(wèi)星應用效率的有效舉措。

4 結束語

數(shù)值天氣預報融大數(shù)據(jù)與大計算于一體，是復雜工程系統(tǒng)的典型應用之一。由于每個地球系統(tǒng)分量都有各自特殊的過程特征和時空尺度，同時考慮NWP現(xiàn)存的較大不確定性和未來期望的預報性能，為了改善初始場、做好NWP模式優(yōu)化，本文從數(shù)值天氣預報對衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的需求視角，從探測變量、時間分辨率、空間覆蓋度和水平分辨率、垂直分辨率、精度與時效等方面探討了數(shù)值天氣預報對衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的需求及現(xiàn)狀。同時本文指出了數(shù)值天氣預報應用衛(wèi)星大數(shù)據(jù)面臨的挑戰(zhàn)和未來發(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合以及衛(wèi)星觀測與預報的目標協(xié)同互動等。衛(wèi)星大數(shù)據(jù)與數(shù)值天氣預報兩強聯(lián)合，在“監(jiān)測精密、預報精準”道路上任道重遠，前景廣闊。