從定位到探測(cè)：如何用導(dǎo)航信號(hào)精準(zhǔn)捕捉臺(tái)風(fēng)風(fēng)速

黃飛雄

“中央氣象臺(tái)9月3日6時(shí)發(fā)布臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào):今年第11號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”的中心今天凌晨5點(diǎn)鐘位于菲律賓呂宋島西北部近海。預(yù)計(jì),“摩羯”將以每小時(shí)10公里左右的速度向偏西方向移動(dòng),即將進(jìn)入南海東部海面,爾后將向海南島以東海面靠近,強(qiáng)度逐漸加強(qiáng),將于6日下午到夜間在海南島東部到廣東西部一帶沿海登陸。”中央氣象臺(tái)發(fā)布的這類臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào),大家應(yīng)該很熟悉吧?它為人們的生產(chǎn)生活提供了預(yù)警,保障了人民群眾的財(cái)產(chǎn)和生命安全,對(duì)促進(jìn)防災(zāi)減災(zāi)具有重大意義。但是,大家也許還不了解,自1990年以來(lái),由于天氣的模式及同化技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)提高了約50%,可同期對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)卻近乎停滯,其主要原因之一在于缺少臺(tái)風(fēng)內(nèi)部核心區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù),由于臺(tái)風(fēng)大部分時(shí)間都在海上,觀測(cè)主要依賴衛(wèi)星,而目前主流的衛(wèi)星遙感手段在觀測(cè)臺(tái)風(fēng)時(shí)往往被云層和內(nèi)雨帶的強(qiáng)降水遮擋。此外,目前主流的極軌衛(wèi)星重訪時(shí)間較長(zhǎng),觀測(cè)頻率較低,在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的關(guān)鍵時(shí)刻,往往無(wú)法及時(shí)獲取數(shù)據(jù)。

大家熟悉的北斗、GPS等導(dǎo)航系統(tǒng),除了幫助我們進(jìn)行手機(jī)、汽車定位外,還有一個(gè)非常有趣的應(yīng)用——全球?qū)Ш叫l(wèi)星反射遙感(GNSS-R)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),GNSS-R技術(shù)把導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)當(dāng)成一種“機(jī)會(huì)信號(hào)”,通過(guò)接收它們反射回來(lái)的信號(hào),來(lái)測(cè)量地球表面的一些特征,比如風(fēng)速和土壤濕度。GNSS-R技術(shù)使用的導(dǎo)航信號(hào)所處的微波頻率不受云雨影響,能實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候探測(cè)。更棒的是,由于它利用的是現(xiàn)有的導(dǎo)航信號(hào),不需要額外的信號(hào)發(fā)射裝置,因此成本低廉,還可以通過(guò)衛(wèi)星組網(wǎng)的方式,實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率的觀測(cè)。

2016年美國(guó)發(fā)射了采用GNSS-R技術(shù)的小衛(wèi)星星座CYGNSS,開啟了這一技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。2021年7月,我國(guó)發(fā)射了首顆業(yè)務(wù)化的GNSS-R衛(wèi)星——風(fēng)云三號(hào)E星,中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心負(fù)責(zé)該衛(wèi)星的運(yùn)營(yíng),中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心負(fù)責(zé)該衛(wèi)星的GNSS-R載荷研制及數(shù)據(jù)處理算法。與CYGNSS不同,風(fēng)云三號(hào)E星不僅能夠接收美國(guó)GPS信號(hào),還能接收中國(guó)的北斗和歐盟的伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào),這不僅提升了全球海面風(fēng)數(shù)據(jù)高時(shí)空分辨率的獲取能力,還拓展了我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。此外,不同于CYGNSS為科學(xué)衛(wèi)星,僅能用于科學(xué)研究,風(fēng)云三號(hào)E星為業(yè)務(wù)衛(wèi)星,其數(shù)據(jù)具有高時(shí)效,能實(shí)實(shí)在在地應(yīng)用于我國(guó)的氣象、水利、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域,改善民生,提升經(jīng)濟(jì)效益。

風(fēng)云三號(hào)E星采用了多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先的技術(shù),能夠同時(shí)處理來(lái)自北斗、GPS和伽利略三大導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù),并確保數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。它還配備了先進(jìn)的干擾修正算法,大幅減少了來(lái)自其他導(dǎo)航和通訊信號(hào)的干擾,保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。自2022年6月風(fēng)云三號(hào)E星正式發(fā)布北斗/GNSS-R 海面風(fēng)速產(chǎn)品以來(lái),其地面應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的業(yè)務(wù)化運(yùn)行,海面風(fēng)速產(chǎn)品已業(yè)務(wù)化應(yīng)用于了中國(guó)氣象局官方的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式,為我國(guó)氣象部門提供了可靠的信息。此外,由于該技術(shù)具有探測(cè)臺(tái)風(fēng)中心大風(fēng)的特點(diǎn),其產(chǎn)品可用于臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè),已應(yīng)用于中國(guó)氣象局的臺(tái)風(fēng)會(huì)商。在每一次的臺(tái)風(fēng)會(huì)商中,預(yù)報(bào)員會(huì)綜合各個(gè)衛(wèi)星產(chǎn)品的資料判斷臺(tái)風(fēng)的路徑和強(qiáng)度,風(fēng)云三號(hào)E星的GNSS-R海面風(fēng)速產(chǎn)品在2023年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“卡努”、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“瑪娃”的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中均發(fā)揮了作用。

2023年4月和8月,我國(guó)又相繼發(fā)射了風(fēng)云三號(hào)G星和F星,GNSS-R技術(shù)已實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星組網(wǎng)觀測(cè)。未來(lái),隨著這一技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)云三號(hào)系列衛(wèi)星將在氣象、海洋、農(nóng)業(yè),尤其是極端氣候和自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)中發(fā)揮更大的作用,為我們的生活帶來(lái)更多保障。

作者簡(jiǎn)介:黃飛雄,中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心副研究員,研究方向?yàn)楸倍?GNSS-R遙感和數(shù)值模式同化。