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天氣預報升級:新型觀測系統(tǒng)提高預測準確性

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天氣預報升級:新型觀測系統(tǒng)提高預測準確性

從地面觀測到實時觀測,天氣預報觀測系統(tǒng)如何升級。

文|Isabelle Dumé

編輯|Meister Xia

導讀

氣象預測可以幫助我們預判未來的可能情況,對防災減災具有重要意義。因此,天氣預報必須具備一定的短期準確性。如今,隨著技術(shù)的發(fā)展,天氣預報越來越準,那么他們是通過哪些技術(shù)和方法觀測和預報天氣呢?

一覽:

  • 最早的天氣預報系統(tǒng)只能進行地面觀測。
  • 隨后,氣象學家引入了遙感技術(shù),從地面發(fā)射雷達電磁波用于高空觀測。
  • 再后來的技術(shù)進步就是使用軌道衛(wèi)星、同步衛(wèi)星進行觀測。
  • 近年來氣象衛(wèi)星的數(shù)量大幅增加,而歐洲更是啟動了雄心勃勃的計劃。
  • 還有所謂的“實時觀測”:使用手機網(wǎng)絡(luò)等非天氣預報系統(tǒng)觀測天氣。

天氣預報模型最早于20世紀初開發(fā)[1],其基本思路是如果能確定某個時刻的風速、濕度、氣溫、氣壓等數(shù)據(jù)(統(tǒng)稱大氣初始值),就能將其代入描述大氣變量如何依時間變化的物理學公式,推算出未來的天氣狀況。天氣預報必須具備一定的短期準確性,才能有實際意義。由于一處的預報需要使用別處的天氣狀況觀測數(shù)據(jù)進行計算,天氣預報專家很早就建立起了信息交流機制,實時分享觀測數(shù)據(jù),比對各自使用的模型的準確性。

01、地面觀測和高空觀測

最早期的天氣觀測系統(tǒng)由地面儀器組成,只能測量出所在處的大氣狀況,但天氣學家很快就發(fā)現(xiàn)此類數(shù)據(jù)的不足,因為準確的預測需要高空的觀測數(shù)據(jù)。于是,他們開發(fā)出了無線電探空儀:即放飛攜帶儀器的探空氣球,用于測量高空的氣壓、氣溫、濕度、風速等數(shù)據(jù)。探空儀每天可以放飛多次,最高可上升至20公里的高空,不僅能從陸地上釋放,還能從船上釋放。

圖片來源:PI France

氣象觀測技術(shù)經(jīng)歷了長足的發(fā)展?,F(xiàn)在無人機觀測已成為了現(xiàn)實。無人機特別有利于海上高空大氣數(shù)據(jù)采樣,因為海上的無人機放飛監(jiān)管相對寬松,而且還能根據(jù)所處地點的實際天氣情況調(diào)整采樣手段.

02、遙感技術(shù)的出現(xiàn)

自上世紀六七十年代以來,使用遙感技術(shù)遠距離測量大氣參數(shù),在氣象觀測中得到了廣泛的應用。氣象雷達就是一個例子:使用雷達發(fā)射出去的電磁波遇到雨、冰雹和雪后會被反射回來,由此可以繪制出降水探測圖。將多個氣象雷達組成網(wǎng)絡(luò),能覆蓋方圓上百公里的區(qū)域。如今,歐洲有兩百多個氣象雷達,美國、日本各自擁有的數(shù)量類似。氣象雷達數(shù)據(jù)與天氣預報模型的結(jié)合已有許多年的歷史,大大提高了天氣預報的準確性[2]。

還有一種遙感手段是使用激光雷達,它與電磁雷達類似,但發(fā)射出去的是光波,能遠程測量大氣中的氣溶膠,即大氣塵?;蛘咴频?。如今各大氣象局均使用了激光雷達[3]。

03、衛(wèi)星觀測

氣象觀測技術(shù)的另一大進步是氣象衛(wèi)星。只要有一顆衛(wèi)星,就能對極大范圍的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)觀測。氣象衛(wèi)星分兩類:第一種是同步衛(wèi)星,它處于赤道同一位置的上方(距地面高度約3.6萬公里)。因為單顆同步衛(wèi)星只能覆蓋地球表面的一半,所以使用它們進行全球氣象觀測需要多國合作才能完成。

第二類衛(wèi)星是軌道衛(wèi)星,持續(xù)繞著地球運行,離地面高度300-800公里左右,每100分鐘就能繞地球一周。由于飛行高度只有同步衛(wèi)星的十分之一,軌道衛(wèi)星拍攝云層和地面的分辨率更高,而且因為其軌道經(jīng)過南北極上空,所以飛行途中能覆蓋所有的緯度,而且在每個觀測點的分辨率相同(有別于同步衛(wèi)星)。

衛(wèi)星上搭載了各種儀器,用不同的波長段觀測大氣中的云層、降雨、氣溶膠、風速、溫度、濕度等數(shù)據(jù)。

“近期,歐洲成功發(fā)射了新一代地球同步衛(wèi)星?!?/p>

近年來,人類發(fā)射的氣象衛(wèi)星數(shù)量急劇增加,催生了不少雄心勃勃的計劃,在歐洲更甚。僅在去年12月,歐洲航天局就成功發(fā)射了一批新一代同步氣象衛(wèi)星[4]。

04、實時觀測

最后,還有一種被稱為“實時觀測”的手段——有些設(shè)施的設(shè)計初衷本不是用來做天氣預報的,卻也可以用來觀測天氣。比如手機網(wǎng)絡(luò),在法國有幾千個基站天線,它們之間用微波通信。運營商發(fā)現(xiàn),如果天線之間有降雨區(qū)域,微波波長會受影響,降低天線的接收水平。

Pierre Tabary,法國氣象局預測運營部運營副主任

法國氣象局Météo France運營副總監(jiān)Pierre Tabary解釋說:“手機運營商為應對信號衰減,配備了信號放大設(shè)備,而氣象學家則搭上順風車——測出信號衰減,就能得知該地區(qū)的降水強度,改善降水圖[5]。一開始誰會想到手機網(wǎng)絡(luò)還有這用處?”

另一個例子是衛(wèi)星定位系統(tǒng)——美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)和歐洲的伽利略系統(tǒng)。它們本來是用于導航定位的,“可這些定位衛(wèi)星在不斷發(fā)射信號,信號穿過大氣層時會發(fā)生輕微折射,路徑變得‘彎曲’。氣象學家們又巧妙地搭上了順風車:發(fā)射一些小衛(wèi)星接受定位信號,并測量其彎曲度,由此得到平流層和對流層上層的熱力學數(shù)據(jù)(如濕度等)?!?/p>

這種測量方法稱為“無線電掩星”,研究人員已經(jīng)驗證了其測量原理的有效性,目前有幾十顆此類衛(wèi)星已經(jīng)投入使用,并將得到的數(shù)據(jù)輸入天氣預報模型中進行計算[6]?!斑@種辦法的妙處在于我們自己不必向大氣中發(fā)射電波,而是利用他人發(fā)射的電波,可謂是‘物美價廉’?!?/p>

如今,全球天氣預報模型中約90%的數(shù)據(jù)來自衛(wèi)星,且該趨勢還將持續(xù)。Tabary總結(jié)道:“不過,這不意味著地面測量的重要性會下降,因為衛(wèi)星數(shù)據(jù)仍要依靠地面數(shù)據(jù)校準?!?/p>

 

參考資料

1. Lynch, Peter ;Les origines de la prévision numérique du temps et de la modélisation climatique, La Météorologie, 2008, N° 63 ;p. 14–24 10.4267/ 2042/21887

2. Wattrelot, Eric, Olivier Caumont, Jean-Francois Mahfouf. Operational Implementation of the 1D13D-Var Assimilation Method of Radar Reflectivity Data in the AROME Model. Monthly Weather Review, 2013, 142, pp.1852–1871. 10.1175/MWR-D-13–00230.1 . meteo-01001390

3. Rey, Gérard ;Traullé, Olivier ;Bourcy, Thomas ;Dubouchet, Elisa. Un nouveau réseau de lidars aérosols à Météo-France. La Météorologie, 2016, 95, p. 11–14 10.4267/2042/61610

4. Stuhlmann, Rolf, Kenneth Holmlund, Johannes Schmetz, Hervé Roquet et al., Observations depuis l’orbite géostationnaire avec Meteosat troisième génération et EUMETSAT – https://www.eumetsat.int/

5. Alpert, P., Messer, H. &David, N. Mobile networks aid weather monitoring. Nature 537, 617 (2016). https://doi.org/10.1038/537617e

6. Kursinski et al. 1997. Observing the Earth’s atmosphere with radio occultation measurements using the Global Positioning System. J. Geophys. Res. 102:23.429–23.465.

 

來源:瞰創(chuàng)新

原標題:天氣預報升級:新型觀測系統(tǒng)提高預測準確性

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容,授權(quán)事宜請聯(lián)系原著作權(quán)人。

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天氣預報升級:新型觀測系統(tǒng)提高預測準確性

從地面觀測到實時觀測,天氣預報觀測系統(tǒng)如何升級。

文|Isabelle Dumé

編輯|Meister Xia

導讀

氣象預測可以幫助我們預判未來的可能情況,對防災減災具有重要意義。因此,天氣預報必須具備一定的短期準確性。如今,隨著技術(shù)的發(fā)展,天氣預報越來越準,那么他們是通過哪些技術(shù)和方法觀測和預報天氣呢?

一覽:

  • 最早的天氣預報系統(tǒng)只能進行地面觀測。
  • 隨后,氣象學家引入了遙感技術(shù),從地面發(fā)射雷達電磁波用于高空觀測。
  • 再后來的技術(shù)進步就是使用軌道衛(wèi)星、同步衛(wèi)星進行觀測。
  • 近年來氣象衛(wèi)星的數(shù)量大幅增加,而歐洲更是啟動了雄心勃勃的計劃。
  • 還有所謂的“實時觀測”:使用手機網(wǎng)絡(luò)等非天氣預報系統(tǒng)觀測天氣。

天氣預報模型最早于20世紀初開發(fā)[1],其基本思路是如果能確定某個時刻的風速、濕度、氣溫、氣壓等數(shù)據(jù)(統(tǒng)稱大氣初始值),就能將其代入描述大氣變量如何依時間變化的物理學公式,推算出未來的天氣狀況。天氣預報必須具備一定的短期準確性,才能有實際意義。由于一處的預報需要使用別處的天氣狀況觀測數(shù)據(jù)進行計算,天氣預報專家很早就建立起了信息交流機制,實時分享觀測數(shù)據(jù),比對各自使用的模型的準確性。

01、地面觀測和高空觀測

最早期的天氣觀測系統(tǒng)由地面儀器組成,只能測量出所在處的大氣狀況,但天氣學家很快就發(fā)現(xiàn)此類數(shù)據(jù)的不足,因為準確的預測需要高空的觀測數(shù)據(jù)。于是,他們開發(fā)出了無線電探空儀:即放飛攜帶儀器的探空氣球,用于測量高空的氣壓、氣溫、濕度、風速等數(shù)據(jù)。探空儀每天可以放飛多次,最高可上升至20公里的高空,不僅能從陸地上釋放,還能從船上釋放。

圖片來源:PI France

氣象觀測技術(shù)經(jīng)歷了長足的發(fā)展?,F(xiàn)在無人機觀測已成為了現(xiàn)實。無人機特別有利于海上高空大氣數(shù)據(jù)采樣,因為海上的無人機放飛監(jiān)管相對寬松,而且還能根據(jù)所處地點的實際天氣情況調(diào)整采樣手段.

02、遙感技術(shù)的出現(xiàn)

自上世紀六七十年代以來,使用遙感技術(shù)遠距離測量大氣參數(shù),在氣象觀測中得到了廣泛的應用。氣象雷達就是一個例子:使用雷達發(fā)射出去的電磁波遇到雨、冰雹和雪后會被反射回來,由此可以繪制出降水探測圖。將多個氣象雷達組成網(wǎng)絡(luò),能覆蓋方圓上百公里的區(qū)域。如今,歐洲有兩百多個氣象雷達,美國、日本各自擁有的數(shù)量類似。氣象雷達數(shù)據(jù)與天氣預報模型的結(jié)合已有許多年的歷史,大大提高了天氣預報的準確性[2]。

還有一種遙感手段是使用激光雷達,它與電磁雷達類似,但發(fā)射出去的是光波,能遠程測量大氣中的氣溶膠,即大氣塵?;蛘咴频?。如今各大氣象局均使用了激光雷達[3]。

03、衛(wèi)星觀測

氣象觀測技術(shù)的另一大進步是氣象衛(wèi)星。只要有一顆衛(wèi)星,就能對極大范圍的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)觀測。氣象衛(wèi)星分兩類:第一種是同步衛(wèi)星,它處于赤道同一位置的上方(距地面高度約3.6萬公里)。因為單顆同步衛(wèi)星只能覆蓋地球表面的一半,所以使用它們進行全球氣象觀測需要多國合作才能完成。

第二類衛(wèi)星是軌道衛(wèi)星,持續(xù)繞著地球運行,離地面高度300-800公里左右,每100分鐘就能繞地球一周。由于飛行高度只有同步衛(wèi)星的十分之一,軌道衛(wèi)星拍攝云層和地面的分辨率更高,而且因為其軌道經(jīng)過南北極上空,所以飛行途中能覆蓋所有的緯度,而且在每個觀測點的分辨率相同(有別于同步衛(wèi)星)。

衛(wèi)星上搭載了各種儀器,用不同的波長段觀測大氣中的云層、降雨、氣溶膠、風速、溫度、濕度等數(shù)據(jù)。

“近期,歐洲成功發(fā)射了新一代地球同步衛(wèi)星?!?/p>

近年來,人類發(fā)射的氣象衛(wèi)星數(shù)量急劇增加,催生了不少雄心勃勃的計劃,在歐洲更甚。僅在去年12月,歐洲航天局就成功發(fā)射了一批新一代同步氣象衛(wèi)星[4]。

04、實時觀測

最后,還有一種被稱為“實時觀測”的手段——有些設(shè)施的設(shè)計初衷本不是用來做天氣預報的,卻也可以用來觀測天氣。比如手機網(wǎng)絡(luò),在法國有幾千個基站天線,它們之間用微波通信。運營商發(fā)現(xiàn),如果天線之間有降雨區(qū)域,微波波長會受影響,降低天線的接收水平。

Pierre Tabary,法國氣象局預測運營部運營副主任

法國氣象局Météo France運營副總監(jiān)Pierre Tabary解釋說:“手機運營商為應對信號衰減,配備了信號放大設(shè)備,而氣象學家則搭上順風車——測出信號衰減,就能得知該地區(qū)的降水強度,改善降水圖[5]。一開始誰會想到手機網(wǎng)絡(luò)還有這用處?”

另一個例子是衛(wèi)星定位系統(tǒng)——美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)和歐洲的伽利略系統(tǒng)。它們本來是用于導航定位的,“可這些定位衛(wèi)星在不斷發(fā)射信號,信號穿過大氣層時會發(fā)生輕微折射,路徑變得‘彎曲’。氣象學家們又巧妙地搭上了順風車:發(fā)射一些小衛(wèi)星接受定位信號,并測量其彎曲度,由此得到平流層和對流層上層的熱力學數(shù)據(jù)(如濕度等)。”

這種測量方法稱為“無線電掩星”,研究人員已經(jīng)驗證了其測量原理的有效性,目前有幾十顆此類衛(wèi)星已經(jīng)投入使用,并將得到的數(shù)據(jù)輸入天氣預報模型中進行計算[6]?!斑@種辦法的妙處在于我們自己不必向大氣中發(fā)射電波,而是利用他人發(fā)射的電波,可謂是‘物美價廉’?!?/p>

如今,全球天氣預報模型中約90%的數(shù)據(jù)來自衛(wèi)星,且該趨勢還將持續(xù)。Tabary總結(jié)道:“不過,這不意味著地面測量的重要性會下降,因為衛(wèi)星數(shù)據(jù)仍要依靠地面數(shù)據(jù)校準?!?/p>

 

參考資料

1. Lynch, Peter ;Les origines de la prévision numérique du temps et de la modélisation climatique, La Météorologie, 2008, N° 63 ;p. 14–24 10.4267/ 2042/21887

2. Wattrelot, Eric, Olivier Caumont, Jean-Francois Mahfouf. Operational Implementation of the 1D13D-Var Assimilation Method of Radar Reflectivity Data in the AROME Model. Monthly Weather Review, 2013, 142, pp.1852–1871. 10.1175/MWR-D-13–00230.1 . meteo-01001390

3. Rey, Gérard ;Traullé, Olivier ;Bourcy, Thomas ;Dubouchet, Elisa. Un nouveau réseau de lidars aérosols à Météo-France. La Météorologie, 2016, 95, p. 11–14 10.4267/2042/61610

4. Stuhlmann, Rolf, Kenneth Holmlund, Johannes Schmetz, Hervé Roquet et al., Observations depuis l’orbite géostationnaire avec Meteosat troisième génération et EUMETSAT – https://www.eumetsat.int/

5. Alpert, P., Messer, H. &David, N. Mobile networks aid weather monitoring. Nature 537, 617 (2016). https://doi.org/10.1038/537617e

6. Kursinski et al. 1997. Observing the Earth’s atmosphere with radio occultation measurements using the Global Positioning System. J. Geophys. Res. 102:23.429–23.465.

 

來源:瞰創(chuàng)新

原標題:天氣預報升級:新型觀測系統(tǒng)提高預測準確性

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容,授權(quán)事宜請聯(lián)系原著作權(quán)人。