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风云系列气象卫星观测海冰潜力巨大

发布时间:2022年03月11日 来源:中国气象报社

专家顾问:国家卫星气象中心正研级高工武胜利、郑照军

日前,经世界气象组织(WMO)确认——俄罗斯西伯利亚东北部的维尔霍扬斯克小镇在2020年6月20日创下北极地区最高温度纪录:38℃。作为全球气候变化响应最为敏感的区域,北极近年“高烧”不断,导致北极海冰面积逐年缩小,北极航道全面通航的可能性日益增加。全面通航的北极航道意味着什么?从气象服务的角度看,我们有何种监测北极海冰的手段?可提供哪些服务?未来如何发力?

① 北极“抄近道”呼之欲出

打开世界地图,如果让你从欧洲西部和北美洲东部沿海港口画一条航线到亚洲东部,便会发现,有两个点根本绕不过去——苏伊士运河和巴拿马运河,在两大运河开通之前,船只必须要绕好望角和合恩角。即便现在,一些在欧洲西部与亚洲东部之间通航的船只,仍然要走路线更远的好望角。且不论路上种种不确定因素太多,比如海盗和你打个招呼,单说距离也还是绕远。

那么,船只可不可以从北边走,沿着俄罗斯和加拿大的北部海岸到达西方?

理论上是可行的,但实际上很难。可经由北极的航道有3条,西伯利亚沿岸的东北航道和加拿大北岸的西北航道,这两条航道是可行的。另外一条是理论上更近的航道——直接穿越北极点,目前因为北极冰封,因此仅处于理论阶段。

综合来看,北极航道的“抄近道”效果是最明显的,特别是在北美洲、欧洲与中国之间来往的船只。但是,船通常只能在无冰期经过北极航道。

以前,北极航线长年被冰雪覆盖,气候条件复杂,想要通航非常困难,夏季无冰可通航的时间很短,尤其是要穿过极地,没有高级别的破冰船,基本难以实现,因此,北极一直被认为是海运的禁区。2018年,格陵兰岛北部多年海冰出现破裂,引发气象学家警觉,因为这里曾被认为是“最后一片冰区”。全球气候变暖,北极海冰大量融化,加之造船科技水平提升,使得北极航道(东北航道和西北航道)夏季长时间通航已经或即将成为现实,越来越多的船只选择经此航行。

未来,北极航道将成为中欧、中美和中加运输货物的新通道,挑战传统远洋运输航线,改变国际航运格局,对我国未来远航事业发展也将产生重大影响。

② 风云极轨气象卫星观测北极海冰优势明显

然而,欲在北极航行,准确的海冰信息绝对是其“通行证”之一。由于北极天气气候条件极其恶劣,加之北极面积太大,无法在该地布设很多气象观测站。因此,目前只有卫星遥感能够快速获得连续、完整的北极海冰观测数据,揭示北极海冰覆盖情况。

郑照军表示,“我国风云第一代极轨气象卫星(风云一号C星和D星)和第二代极轨气象卫星(风云三号A星到E星共5颗卫星)先后监测过北极的海冰分布及其变化。探测仪器从可见红外扫描辐射计发展到被动微波辐射计和雷达散射计(主动),观测空间分辨率从25公里发展到250米,双星同时观测,北纬85度以北,每天可有近15次的高频过境观测,可实时、准确捕捉北极海冰动态,提供海冰分布、海冰密集度、海冰类型等监测产品。”

“此外,风云三号B星、C星和D星搭载的微波成像仪自2010年开始监测北极海冰密集度,至今为止,该产品稳定成熟,目前已经在国家信息中心开始业务试运行,国家气候中心也在推进其业务化。”武胜利表示。

微波成像仪是伴随着风云三号卫星一同成长的,该载荷在风云三号B星、C星、D星都有搭载,并且性能不断升级,其具有遥感通道多、频率覆盖宽、灵敏度高、定标精度高等特点,它也是国内首次自主研制的星载被动式成像微波遥感载荷,主要用于监测和获取陆表、海洋和大气参数,为灾害性天气预报、暴雨诊断、环境监测等提供重要服务。

2013年1月初,中国的极地科考船“雪龙号”被困南极,就是利用风云三号微波成像仪探测数据分析得出,被困的客观原因是所在海域海冰覆盖与历年同期相比异常增多,并从气候角度上给出了该海域海冰覆盖变化的总体趋势。

“微波成像仪在观测海冰方面最大的一个优势就是它不受云的影响,”武胜利表示,从可见光红外卫星仪器监测结果上可以看到,在极区上空有各种云飘浮,如果遇到特别薄的云,常用的红外探测仪很难分清楚到底是云还是海冰。此外,海冰的类型也比较多,有一年冰和多年冰,有絮状的海冰和碟状的海冰等,此时红外探测仪就更难分辨云和海冰,但微波成像仪可以直接穿透云层,不受其影响。待它探测到海冰时,其获取的辐射信息就会和海水差别非常明显,这就是其另外的一个优势——可以从物理机理上清晰地分辨海冰和海水。“微波成像仪只要遇到水,其亮温就会下降得非常明显,因此海冰的亮温将比海水高很多,以此为基础,结合多种通道的综合辐射响应,来判断是冰还是水。”

当然,风云三号中分辨率光谱成像仪也有其观测优势,那就是视场幅宽大、观测频率高、观测目标精细,单颗星夏半年每天可实现北极从低纬到极点3到10次白天观测,获取250米多通道可见近红外观测信息。对于晴空下的海冰,能探测到冰裂隙、冰上融池、冰间水道以及大大小小的冰块,并可追踪这些观测目标的日内变化。“2010年夏季,‘雪龙号’要从北极中心区返航回国,微波成像仪提供了两条近乎成直角的路线,船长想走更近的一条,却迟迟不能下定决心,因为他担心有大的冰块阻碍航行。国家海洋局的预报人员请我用风云三号中分辨率光谱成像仪的观测资料,实时制作250米可能航线上的冰况图与动画,我还根据冰情画出了细致的参考航线。”郑照军说,船长拿到资料后,果断选择了更近的航道,并参考了他的航线建议。回国后,船长还给他写了封信,表示感谢。

风云气象卫星海冰 观测潜力国际看好

“值得注意的是,在微波成像仪判断海冰的时候,定标一定要准,只要定标准了,结果就会准!”武胜利表示。

对此,国家卫星气象中心一直在国产数据再定标上发力。其中,国家重点研发计划“气象卫星历史数据再定标和气候数据集构建”项目中的一项重要任务就是对风云卫星微波成像仪数据进行再定标,从2018年起,经过3年多的努力,逐步建立了“内循环+外循环”再定标机制——内循环主要围绕项目核心指标开展定标算法和数据集迭代,随后,将定标完成的数据集给用户试用,给出修改意见再进行算法调整和数据集迭代,直至用户对数据集没有修改意见为止。

经过内循环和外循环,中山大学赵羲教授团队的海冰密集度研究结果显示,风云系列气象卫星产品和美国卫星产品质量相当。

此前,国际顶级学术期刊《自然》一项研究成果显示,中国气象局的风云系列气象卫星数据已经通过欧洲数值天气预报部门的验证,成功应用于欧洲的天气预报业务,而且风云卫星所搭载的被动微波辐射计非常适合用来开展海冰监测研究。此外,研究人员还表示,风云气象卫星未来发射计划非常稳定,数据延续性和质量都非常好,他们已经看到风云气象卫星非常大的潜力。

“最新的风云三号E星,也就是我们的‘黎明星’,搭载了全球首个双波段、双极化、扇形旋转波束探测体制的风场测量雷达,它具备海冰范围、海冰类型等高精度海冰参数遥感能力。从刚刚出炉的卫星在轨测试应用结果来看,这个仪器的性能已经比现有海洋风场测量卫星能力强。我相信,仪器数据正式发布后,一定可以很好的推动中国极地海冰遥感事业的发展。”郑照军补充道。

我国科研人员迫切希望能够使用更多的国产风云卫星数据开展北极海冰研究,从而摆脱以往在北极海冰研究领域过分依赖国外卫星数据的状况,这是对我们工作的肯定,也是我们努力前进的重要动力。

我国未来还将发射风云三号F星、G星、H星等极轨气象卫星,均将搭载微波成像仪和中分辨率光谱成像仪。届时,我们将具备上午、下午以及倾斜轨道的观测手段,可获得3-6小时时间分辨率全球观测数据,以及极区1-2小时时间分辨率的观测数据。考虑到全球成像类微波载荷出现断层的潜在风险,风云气象卫星未来将可能成为填补全球海冰观测空档的关键数据源。

(作者:李慧 责任编辑:徐嫩羽)