风云气象卫星“一带一路”热带气旋监测能力与最新进展

王新，唐世浩，曹治强

(国家卫星气象中心，北京 100081)

引言

全球平均每年约有90个热带气旋活动，分布在七大海域：西北太平洋和南海、东北太平洋、西南印度洋、大西洋及加勒比海、西南太平洋、东南印度洋和北印度洋，分别约占全球总数的29.60%、18.07%、14.75%、11.75%、11.75%、 8.09%和5.99%[1]。过去30年里，全球各大海域4级以上飓风/台风的数量和百分率均呈现增多的趋势[1]。在七大海域中，西北太平洋和南海是热带气旋平均发生最多的海域，并且全球热带气旋活动是对气候变化的响应，其变化规律为影响海域和登陆区域的天气气候带来相应的反馈作用。因此，对于我国的热带气旋监测预报业务而言，从区域化向全球观测方向发展，尤其是结合“一带一路”倡议，习近平总书记提出利用风云气象卫星遥感资料，服务“一带一路”沿线国家的重要决策， “一带一路”热带气旋监测服务是风云气象卫星服务能力建设的相关行动方案中重要的一项工作内容。

我国风云系列气象卫星经过近50年的发展，已经形成静止和极轨两个系列，而且在近5年实现了更新换代，搭载仪器能力也有了全面升级[2-4]。截至目前，在轨业务运行的卫星有6颗，静止卫星在轨4颗形成在赤道上空、自西向东星下点依次排列覆盖不同区域的星座布局，包括两代卫星，分别是第一代风云静止卫星风云二号的三颗星(FY-2F/G/H)、第二代风云静止气象卫星风云四号首颗星(FY-4A)，极轨卫星在轨2颗FY-3C/D形成对于同一区域在不同时间过境的星座布局，共同建立了全球热带气旋监测体系，实现了对于全球热带气旋生成环境、生成潜势、全生命史过程的监测，同时具备对于“一带一路”海域热带气旋进行小时内定位定强的监测能力。

本文概括在目前风云气象卫星星座布局下，围绕“一带一路”气象工作任务建立的风云卫星数据服务方式。结合热带气旋自身发展规律与静止、极轨两系列卫星的布局特点，提出了在“一带一路”开展的热带气旋定位定强监测方法，分析了在不同海域热带气旋的异同点。此外，总结了在2018—2019年“一带一路”海域热带气旋的监测服务特点，并列举了典型热带气旋案例。

1 风云气象卫星服务“一带一路”灾害监测的星座布局与数据服务

1.1 星座布局

目前，风云卫星(FY)在轨运行的共6颗，应用于“一带一路”热带气旋监测，已经形成全球和区域观测优势互补的卫星星座布局，这6颗在轨运行的卫星中4颗静止轨道分别定点于79°E(FY-2H)、104.7°E(FY-4A)、105°E(FY-2G)、112°E(FY-2F)；极轨系列卫星2颗，分别为FY-3C(上午星)、FY-3D(下午星)[5]。图1所示为在轨运行卫星观测范围与“一带一路”布局的叠合图。

图1 FY-2、FY-4和FY-3气象卫星观测范围及“一带一路”示意图Fig.1 Observation range of FY-2, FY-4, and FY-3 satellites and map of the Belt and Road

风云二号H星(FY-2H)于2018年6月5日在西昌卫星发射中心成功发射，定位于79°E。其搭载的扫描辐射计为5个通道：可见光、中波红外、长波红外、红外分裂窗和水汽通道。2018年4月23日，中国气象局、国家国防科技工业局和亚太空间合作组织签署风云气象卫星应用合作意向书，确定将FY-2H定位在79°E，观测覆盖范围最西端可以达到4°E附近[5]，即：FY-2H作为“一带一路”气象卫星为有关地区和国家提供服务。这包括亚洲50个国家、非洲41个国家、欧洲39个国家、大洋洲9个国家，“一带一路”沿线的64个国家。

风云四号A星(FY-4A)是继FY-2以后发展的新一代静止气象卫星的首颗星，于2016年12月11日成功发射，2017年5月18—25日该卫星从99.5°E漂移并定点于104.5°E。该卫星上搭载先进静止轨道辐射成像仪、静止轨道干涉式红外探测仪、静止轨道闪电成像仪和空间环境监测仪器等。在世界上首次实现了静止轨道红外高光谱探测，可获得晴空区大气温湿度三维结构，闪电成像仪首次实现了对亚洲大洋洲区域的静止轨道闪电持续观测。成像仪从FY-2的5个通道扩展到14个通道，全圆盘图像观测时间从30 min缩短到15 min，最高空间分辨率从1.25 km提高到0.5 km[6]。

风云三号C/D星(FY-3C/D)分别于2013年9月23日和2017年11月15日成功发射，组成上下午轨道联合观测的格局，形成全球观测覆盖频次每天4次。FY-3C星载荷性能在前期FY-3A/B星基础上全面提升，微波温度计和湿度计通道分别从4个和5个提升为13个和15个；FY-3D新增高光谱大气探测仪，中分辨率光谱成像仪通道设计较之前也有较大改进[7]。

综上，FY-4A与FY-2H形成了静止卫星的融合应用，结合两卫星观测角度和区域、定量产品反演能力优势，对于“一带一路”地区热带气旋路径、强度和灾害影响的连续监测方面发挥高时空分辨率和多仪器多参数探测作用。同时，“一带一路”地区海域宽广，利用FY-3C/D卫星进行热带气旋监测，一方面能够概览全球云系所体现出的天气系统，以及全球各海域热带气旋的分布情况，另一方面FY-3系列卫星搭载的微波观测仪器，监测热带气旋内部三维温度和湿度立体结构，与静止卫星联合应用，形成热带气旋的路径、强度、风雨影响、结构等综合监测分析能力。

1.2 数据服务

为了提升风云卫星全球共享服务能力和时效，国家卫星气象中心建成了一套“1+5+2”地面站网体系，即1个数据处理中心(位于北京)、5个境内数据接收站(分别位于北京、广州、佳木斯、乌鲁木齐、喀什)和2个境外数据接收站(分别位于瑞典基律纳和东南极洲毛德皇后地)[5]。同时借助于“天地一体化”的气象卫星数据共享服务系统，通过多种渠道为全球用户提供高时效的数据服务，特别是自2018年建立了风云气象卫星国际用户防灾减灾应急保障机制(FENGYUN Emergency Support Mechanism，FY-ESM)，FY-ESM用户可在遭遇热带气旋、暴雨、强对流、森林或草原火灾、沙尘暴等极端事件时启动该机制，请求获得批准后，将通过调动或调整上述星座布局内卫星，对受影响地区进行频繁、有针对性的观测。风云卫星已经成为多个国际空间观测应急机制值班卫星，截至2020年5月，FY-ESM用户已经增加至29个国家，已经应莫桑比克(热带气旋“伊代”“肯尼斯”)等用户的灾害监测请求启动该机制20余次，在该机制启动后的服务保障期间，风云气象卫星在轨的6颗卫星联合应用、加密观测，通过专用通道及时向用户提供数据和监测分析结果的传输和联合分析。

2 风云气象卫星观测“一带一路”热带气旋的海域范围

根据国家“一带一路”倡议对于“21世纪海上丝绸之路”的规划涵盖范围，重点涉及的海域包括西北太平洋和我国南海、北印度洋(包括阿拉伯海、孟加拉湾)、南半球(包括西南印度洋、澳大利亚附近海域、南太平洋)。图2为WMO对于全球热带气旋监测分区和所属预警中心的分布图，结合该图定义本文中利用风云气象卫星观测“一带一路”热带气旋的区域，共划分为4个区域，分别为FY-BRTC-Ⅰ(图2中Ⅳ分区), FY-BRTC-Ⅱ(图2中Ⅴ分区：北印度洋)、FY-BRTC-Ⅲ(图2中Ⅵ分区：西南印度洋)、FY-BRTC-Ⅳ(图2中Ⅶ-Ⅺ分区：澳大利亚附近海域)。风云卫星“一带一路”热带气旋监测分区见表1。

图2 全球热带气旋监测分区及预警中心分布(引自世界气象组织)Fig.2 Distribution of global tropical cyclone monitoring zones and warning centers (from WMO)

3 风云极轨和静止气象卫星联合观测“一带一路”热带气旋

3.1 风云卫星观测“一带一路”热带气旋特点和监测方法

由表1中划分的“一带一路”热带气旋监测区域以及分析历史热带气旋个例特点可知，不同海域“一带一路”热带气旋具有强度级别分类不同、峰值季节不同、致灾环境特点不同，以及跨海域热带气旋可能有同源关联关系等4方面特点，具体特点描述见表2。

表1 风云卫星“一带一路”热带气旋监测分区

围绕上述这些特点，联合应用静止和极轨两个系列卫星对热带气旋的定位、定强、结构分析、风雨影响等进行实时/准实时监测。一方面，结合卫星各自的观测模式、仪器和优势，联合应用能够提供热带气旋的路径、强度、风雨影响观测信息，以及提供与这三类直接影响相关的热带气旋三维结构、内部对流发展和分布情况、周围环境场的温湿度廓线等间接观测信息。另外一方面，将热带气旋发生演变的原理与气象卫星不同仪器观测原理相结合，根据热带气旋发生发展的过程，以及在其生命史不同阶段的关注侧重点，分别对应地发挥风云气象卫星不同观测仪器的作用，对于热带气旋全生命史监测预报有重要意义[8-9]，即基于热带气旋发展的不同阶段的变化机理，联合应用极轨和静止多类卫星观测信息，通过最佳组合发挥气象卫星在热带气旋监测研究中的最高效率[10]。

热带气旋定位定强、结构分析、风雨影响等方面将采用专业分析技术与多卫星数据和产品相结合的方法。首先，卫星热带气旋定位定强：基于WMO在全球推荐使用的德沃夏克(DVORAK)定位定强技术，利用静止卫星FY-2H、FY-4A、FY-2G、FY-2F的可见-红外云图进行热带气旋位置、强度的连续监测，在夜间或热带气旋眼区不明显等情况下，FY-3C/D的微波图像对于云的不同高度的区分以及云内微物理特征的识别，为可见/红外云图定位难点起到了很好的辅助分析作用。应用DVORAK技术流程获得的热带气旋强度指数，与不同海域风压转换对照表进行查找时，遵循不同海域的热带气旋强度分级标准，可参见GB/T 19201-2006《热带气旋等级》和GB/T 32935-2016《全球热带气旋等级》。其次，热带气旋结构遥感监测分析：利用FY-3卫星反演的大气温湿度廓线，计算热带气旋垂直暖心结构，同时基于FY-2系列和FY-4A卫星反演的云顶亮温、云顶高度、对流识别等产品，计算热带气旋水平的云系分布结构等。第三，热带气旋风雨影响的遥感监测：综合利用卫星反演的降水估计、云含水量、洋面风等产品，进行热带气旋风雨影响面积、落区的定量估算。最后，热带气旋处于不同的发展阶段，在上述定位定强、结构分析和风雨影响的分析基础上，围绕不同阶段侧重点进行监测，图3为热带气旋的不同阶段，针对其不同观测侧重点，应用风云卫星监测的着眼点。

图3 风云气象卫星监测热带气旋生命史不同发展阶段监测着眼点和重点Fig.3 Observation emphasis in every stage of tropical cyclone’s life cycle by FENGYUN satellites

表2 “一带一路”热带气旋特点

3.2 2018—2019年“一带一路”海域热带气旋概况

根据本文第2节对于“一带一路”热带气旋影响海域4个分区界定，依据科罗拉多大学的热带气旋路径和强度的实时发布结果，统计了2018—2019年(表3)热带气旋个数和登陆热带气旋个数与命名，路径如图4所示，其中不同海域的热带气旋按照不同强度分类并分别以不同颜色表示。此外，由图4还可看出不同海域的热带气旋发生的频次、分布密度以及路径等方面的特点[11-13]，正如表2中所提到的不同海域热带气旋特点有所不同且相互有所关联，基于风云极轨静止卫星联合观测，能够全面实现全球范围、全天候连续观测等优势，在热带气旋监测和防灾减灾中起到的应用成效，在我国“一带一路”发展建设中发挥重要作用。

图4 2018—2019年“一带一路”热带气旋路径分布Fig.4 Tracks of tropical cyclones over the Belt and Road area from 2018 to 2019

表3 2018—2019年“一带一路”热带气旋情况概况

3.3 风云卫星监测“一带一路”海域重大热带气旋灾害案例

2019年3月和4月两个热带气旋“伊代”和“肯尼斯”先后登陆莫桑比克，这是莫桑比克历史上首次在六周内遭受两次严重热带气旋袭击。仅“伊代”就造成600多人死亡，这两个热带气旋影响的受灾的灾民多达185万人。图5显示了两个热带气旋的路径和登陆时刻的FY-2H卫星红外增强图像，两个热带气旋登陆时强度在强热带气旋及之上，相比之下，“伊代”登陆的莫桑比克中部地区属于该国人口密集和经济发达地区，因此受灾更为严重，其对莫桑比克及临近的津巴布韦等地造成了较大范围的城市内涝，而“肯尼斯”主要影响莫桑比克北部及相邻的坦桑尼亚。利用风云卫星对于两热带气旋的监测结果，通过世界气象中心(北京)发布(http://wmc-bj.nmc.cn/f)。

图5 2019年莫桑比克两个热带气旋“伊代”和“肯尼斯”路径与登陆时FY-2H云图(a.“伊代”路径，b.“肯尼斯”路径，c.“伊代”登陆时FY-2H云图，d.“肯尼斯”登陆时FY-2H云图)Fig.5 Tropical cyclones IDAI and KENNETH hitting Mozambique in 2019 (a. track of IDAI, b. track of KENNETH, c. FY-2H cloud imagery when IDAI lands, d. FY-2H cloud imagery when KENNETH lands)

3.4 风云卫星监测“一带一路”跨海域热带气旋案例

孟加拉湾气旋风暴“BULBUL”(布尔布尔)于2019年11月7日凌晨在孟加拉湾海面上生成，其前身是10月 29日开始编号的西北太平洋第22号热带气旋“麦德姆”，由热带气旋路径(图6a)可见，“麦德姆”于10月30日在越南登陆并进入柬埔寨后减弱停止编号，其残余云系在一路西行的途中再次增强，西行进入印度洋的安达曼海，并于11月6日形成热带气旋低压，11月7日凌晨复活，由于所属海域不同按照北印度洋所属编号为“布尔布尔”，其在11月10日以超强气旋风暴强度在印度沿海登陆。其是2019年第2个跨海域的热带气旋。图6b-e是利用风云气象卫星FY-3D监测的“麦德姆”向“布尔布尔”发展增强直至登陆的全过程。

图6 2019年跨海域的热带气旋“布尔布尔”(a.路径图，b. 11月3日FY-3D云图，c. 11月5日FY-3D云图，d. 11月7日FY-3D云图，e. 11月9日FY-3D云图)Fig.6 Cross-ocean tropical cyclone BULBUL in 2019 (a. track; b, c, d, and e for FY-3D cloud imagery on 3, 5, 7, and 9 November, respectively)

3.5 风云卫星监测“一带一路”海域双/三/四热带气旋案例

3.5.1 双热带气旋

2018年10月10日，北印度洋上有两个气旋性风暴共存，一个是在阿拉伯海的“TITLI”(提特里)，另外一个是在印度北部孟加拉湾的“LUBAN”(鲁班)，图7为该双热带气旋路径图和云图，这是有记录以来孟加拉湾和阿拉伯海首次同时出现气旋性风暴。

图7 双热带气旋“鲁班”和“提特里”(a. 路径图，b. 2018年10月10日FY-4A云图)Fig.7 Coexisting tropical cyclones LUBAN and TITLI (a. track, b. FY-4A cloud imagery on 10 October 2018)

3.5.2 三热带气旋

2019年12月5日西北太平洋结束了2019年台风季，而印度洋却在同期形成三风暴共舞的局面(图8)。北印度洋阿拉伯海索马里以东热带气旋风暴“PAWAN”(帕凡)，南印度洋旋风“BELNA”(贝尔纳)和“AMBALI”(安拜里)，其中“安拜里”强度最终发展成17级，相当于我国的超强台风，“帕凡”在阿曼中北部登陆，“贝尔纳”在马达加斯加西北部登陆。

图8 三热带气旋“帕凡”“安拜里”和“贝尔纳”(a. 路径图，b. 2019年12月6日FY-3D云图)Fig.8 Coexisting tropical cyclones PAWAN, AMBALI, and BELNA (a. track, b. FY-3D cloud imagery on 6 December 2019)

3.5.3 四热带气旋

2019年11月全球的首个4热带气旋共存(图9)，自西向东依次为：位于阿拉伯海气旋风暴“MAHA”(马哈)，孟加拉湾气旋风暴“BULBUL”(布尔布尔)，位于南海的第24号台风“NAKRI”(娜基莉)，位于西北太平洋的第23号台风“HALONG”(夏浪)。11月7日的云图中，“马哈”在印度西部登陆时其已经为残余环流正在消散。

图9 四热带气旋“马哈”“布尔布尔”“夏浪”和“娜基莉”(a. 路径图，b. 2019年11月7日FY-3D云图)Fig.9 Coexisting tropical cyclones MAHA, BULBUL, HALONG, and NAKRI (a. track, b. FY-3D cloud imagery on 7 November 2019)

4 结论及展望

我国风云系列气象卫星在轨运行的6颗卫星，形成极轨静止联合应用的卫星星座布局。本文对利用FY-2H、FY-4A和FY-3C/D开展的“一带一路”热带气旋监测的方法进行了概括和最新进展概述，总结了“一带一路”热带气旋的特点、基于两个系列卫星监测能力和不同侧重点，并列举了近两年影响力较大的连续致灾热带气旋、跨海域热带气旋，以及双/三/四热带气旋共存的典型个例。在基于风云卫星开展的“一带一路”热带气旋监测业务中，将热带气旋发生演变的原理与气象卫星不同仪器观测原理相结合，在热带气旋生命史不同阶段的关注点，分别对应地发挥风云气象卫星不同观测仪器的作用，对于热带气旋全生命史监测预报有重要意义。

“一带一路”涉及的海域宽广，常出现多个热带气旋并存，多卫星融合形成综合遥感监测产品和连续快速观测能力尤为重要，目前已经形成了可以实时提供的全球热带气旋静止卫星拼图，同时，针对服务、共享和产品推广和应用培训等，中国气象局于2019年12月印发《风云气象卫星国际服务计划》，统筹强化风云卫星国际服务，面向热带气旋监测，通过定制化、时效性、联动性等方面能力建设进一步健全国际防灾减灾机制。未来，风云卫星后续将研制发射风云四号02批、风云三号03批静止和极轨卫星，建立风云四号卫星双星运行、在轨备份的业务格局，建立风云三号上下午、降水、测风、晨昏等四类卫星组网观测能力，进一步完善全球覆盖的气象遥感业务体系[14-16]。到2025年，我国还将发射9颗风云气象卫星，将为“一带一路”沿线国家提供更加优质和持续的服务[17]。此外，相邻海域的不同国家有时会受到同一个热带气旋的影响，从热带气旋监测预报和服务的角度，“一带一路”海域沿线相邻国家对热带气旋的监测信息应实现更快速的共享，开展灾害应急响应的联动，共同促进热带气旋监测能力的提升。