回望2018:气象科学持续发展七大脉络彰显动力

刚刚过去的2018 年， 在大西洋和亚太地区肆虐的飓风等灾害事件成为年度标签的同时，气象科学发展中的重要事件同样引人瞩目。本文用七条线梳理出气象学科发展的脉络， 从而为预测2019 年的发展奠定基色。

脉络1 AMS 百年文集：秀出世纪成就剑指来日风流
       历史并不算悠久的美国气象学会（AMS） 即将迎来100 年诞辰。的确，AMS 在过去的一个世纪里， 为气象学科留下了众多遗产。如果说二战前后当战争促进气象大发展时美国还是参与者， 那么随着罗斯贝等众多欧裔学者战后移民美国， 芝加哥学派替代更加经典的挪威学派成为大气科学发展的新引擎， 并在1950 年推动数值天气预报最先在美国获得成功， 美国气象界无疑从20 世纪下半叶开始就已经走在了世界的前列。AMS 百年文集计划用27 章梳理气象科学的百年进步， 既有对学科经典领域的再划分（例如，应用气象学科按照基本应用、应对人口增长和其他应用被划分成3 个分学科；大气化学则按照气态和非气态进行划分），又有对可能成为新的分学科领域的探索（比如将强对流风暴的科学和业务捆绑在一起的主题评述）。这些创新性的思想无疑是对过去发展的凝练，对未来大气科学的发展具有重要的启发性意义。

脉络2 气象卫星“ 专门星座”时代开启
       随着世界气象卫星强国在2017 年及之前大多完成了新一代气象业务卫星的发射和业务化， 气象业务卫星换代告一段落。2018年， 是全球针对监测地球系统重要变量的专门卫星或星座发射竞争开始进入白热化的一年， 这或许开启了气象卫星“ 专门星座” 的新时代。借助这些更加多样化的专门监测卫星， 人类获取的数据将越来越准确。中国主导的空间辐射测量基准卫星将在2025 年前后发射， 当它与其他卫星轨道交叉时， 可提供“ 标定” 观测数据和卫星校准服务。换句话说， 基准星可让各类地球观测卫星获得位于太空的“校正场”。
       欧空局“探索地球”专门卫星系列引领潮流
       8 月22 日， 欧空局研发20 年的Aeolus（“ 风神”） 卫星终于顺利升空。该卫星上被称为“ 阿拉丁” 的多普勒紫外激光雷达（ALADIN） 能以150 兆瓦瞬时功率在355 纳米波段上每秒发出50 道激光束， 收集散射到大气层（20 千米-30 千米以下） 的光粒子，再测量光波多普勒效应（光波被拉伸的现象），从而可监测、绘制全球风速风向等。“风神”卫星改变了之前卫星只能通过追踪云层、气溶胶（烟、尘、雾、霾），或者通过测量海表变化间接获得风况的情形， 可谓填补了一项空白。
更加难得的是，“ 风神” 卫星是欧空局“ 探索地球”系列中的第5 项，它与之前监测地球引力和地磁（Swarm 卫星，3 颗）、土壤湿度与海水盐分（SMOS 卫星，两颗） 以及冰冻圈的4 种卫星或星座共同构成对地球重要变量进行探测的星座系列。
       欧美日多机构跟上
       2018 年10 月， 日本发射了“ 呼吸2 号”温室气体观测卫星。此前，“呼吸1 号”卫星已经从2009 年开始对二氧化碳和甲烷等进行观测，而“呼吸2 号”具有更高的精度，同时还能对大气颗粒物进行监测。至此， 包括中国在内的多个国家或组织， 完成了所谓碳卫星的监测布局。
地球上的能量来自太阳， 针对太阳的卫星监测，2018 年欧美合力酝酿了更先进的平台。美国国家航空航天局（NASA） 发射的帕克太阳探测器和欧空局的太阳卫星， 都将进入瞄准太阳的轨道， 目标是解开日冕温度为何如此之高和太阳风的动力来自何处这两个长期困扰学者的谜团。这样的科学问题， 无疑也能帮助气象学者更好地认识太阳辐射过程，推进空间天气预报的发展。
       小卫星推波助澜
       2018 年， 美国著名的SpaceX 公司完成了“ SSO-A： 小卫星快车” 发射任务， 将64 颗小卫星送入地球轨道。这是继2017 年印度一箭104 颗星后， 又一次将数十颗小卫星一次性送入轨道的尝试。而美国“ 火箭实验室” 公司为了战略性应对小卫星发射市场，研制了小型运载火箭“ 电子” 号， 并且在2018 年12 月成功将13 颗立方体卫星送入轨道。
       在大型卫星面临制造和发射成本过高、研发时间周期长等风险时，2018 年， 重量在10 千克-100 千克的微小卫星在遥感、通信两大领域快速发展， 大有在未来部分或全部替代大型卫星的趋势。作为对这一趋势的呼应， 美国气象部门于2018 年停止了著名的合作项目COSMIC 二期，在继上一年投入约100万美元之后，本年度继续支付840 万美元，从3 家公司购买主要通过小卫星获得的无线电掩星大气探测数据。
       中法海洋卫星受关注
       中法海洋卫星于2018 年10 月29 日在酒泉发射升空。该星是两国研发的首颗海洋微波遥感卫星， 中方负责提供卫星平台、海风观测载荷以及发射测控， 而法方负责提供海浪观测载荷。到2018 年末， 该卫星已经提供了首批海洋动力环境数据。这些数据包含全球多种海况信息， 利用这些信息可以更加直观
有效地判断“ 西风带” 中气旋的分布和移动、台风的位置和强度等。此外，2018 年中国还分别在9 月7 日和10 月25 日成功发射了“海洋一号C 星”和“海洋二号B 星”。
   脉络3 新一代导航卫星和“伪卫星”平台带来天基观测新变数
       2018 年12 月23 日， 美国空军成功将首颗新一代全球定位系统卫星GPS III 发射升空。与上一代卫星相比， GPS III 具有更强大的信号系统， 其提供的一种新民用信号可与其他导航卫星兼容， 这意味着数据精度的提升。因此， 借助导航卫星的无线电掩星大气探测技术和依据GPS 准确定位的探空仪等， 其未来性能可能将得到进一步提升。2018 年， 中国的北斗导航卫星系统也得到快速发展， 成为世界上继美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲伽利略等系统之后第四个成熟的卫星导航系统， 预计将在2020 年前后覆盖全球。
       另外， 主要由企业创新主导的天基观测“ 伪卫星”技术为这个领域带来了新变数。例如， 空中客车公司于2018 年8 月5 日试飞的“ 西风神” HAPS （太阳能高空“ 伪卫星”）太阳能无人机， 创下在空中停留超过25天的纪录。这次飞行的高度达7 万英尺，超越了其他飞机和大部分云层。另一家企业—— 美国世界观察公司， 则在2018 年开展试验， 试图通过高海拔热气球建立“ 同温层卫星” 平台。这类热气球可以到达距地面16 千米-30千米的高度， 占据了飞机和卫星之间的最佳地球探测位置。目前， 热气球飞行的最长时间为5 天，未来将延长到数周。毫无疑问，当这些技术发展成熟时， 这种动态的“ 伪卫星” 或下一代亚轨道星体在地球观测中发挥的作用值得期待。

脉络4 气候变化怎样改变天气预报？
       气候变化改变全球天气， 在2018 年成为更被关注的主题。最新的模拟研究表明， 在升温背景下， 全球风暴带来的降水更多， 且更不稳定。2015 年发表的一篇预测强暴雨趋势增加的成果，也在最近得到验证。就影响中国天气的主要系统而言， 比如东亚夏季风降水， 在高纬度地球温度升高的背景下， 带来夏季降水的急流北抬偏早， 这或许将给东北地区带来更多降水， 但同时会缩短中部地区的雨季。

脉络5 地震火山预警与预报合一，或许提供剧烈天气预报新思路
       2018 年10 月， 美国第一个地震早期预警系统ShakeAlert 投入运行。该系统利用地震中传播更快的压力波（P） 与造成损害但传播速度更慢的横波（S）之间的时间差，用P 分析S 的危害和位置， 并通过电子预警与时间赛跑。这样的“ 无预报” 手段的预警之所以成立， 完全得益于当今网络化的社会信息体系。
       无独有偶， 意大利弗洛伦萨大学的地质学家在2018 年研发了世界上第一个自动化的火山预报系统，并提前1 小时预测出埃特纳火山将要喷发。该系统通过追踪次声波判断火山喷发是否将要发生， 并成功向意大利政府发出预警。而在今年美国地球物理协会会议上， 英美学者利用人工智能手段， 快速处理卫星数据， 正是这种处理的新算法， 意外地自动捕捉到了火山爆发前的地面运动， 从而建立了预测火山喷发系统的雏形。如果实验活动取得进一步成功， 这一借助人工智能和卫星大数据的预测技术，将使世界上大约8 亿居民受益， 他们居住在全球海平面以上大约1400 座可能爆发的火山周边。
       此前， 人类对地震、火山等突发性灾害往往难以预测， 但这些新手段提供了预报预警的途径， 即开发完全由数据驱动的预报方法或者借助社会信息网络进行预警。这也可以为气象学者提供启示： 虽然龙卷风、飑线等中小尺度强对流系统是天气灾害中导致人员伤亡的重要事件， 但其生命周期一般长于地震， 而预测难度在某种意义上不会超过火山喷发的预测难度。地球科学中与预测相关的研究， 不仅具有学科意义， 更有很强的应用需求， 相互借鉴或许能启发学者开辟新思路。

脉络6 揭示细节：双偏振雷达和遥感更强能力的展示
       美国国家大气研究中心学者展示了S-波段双偏振多普勒雷达(S-Pol)最先进的风暴探测能力。与一般业务雷达需要快速扫描有所不同， 主要用于研究的S-Pol 扫描速度更慢，但能获得很多研究所需的分辨率更高和质量更好的数据。
       另一个例子中， 学者利用全球水文地貌河流数据库计算得到全球河流和水体表面积为773000±79000 平方公里（流量为年平均值情形下）， 占地球非冰川陆地面积的0.58% 左右。这一更详尽的数据以及对河流水体的解析，较之前的估计增加了44%左右。这种通过积累得到的细节分析， 以及对总体更好的概括，是遥感相关学科未来发展的一个代表。

脉络7 想象力和细节：介入创新与决策
       2018 年，在气象天基观测领域，想象力刺激着学界。全球气象界都非常关注欧洲中期天气预报中心（ECMWF） 的学术会议，其2018年用户年会的主题是“ECMWF 模式输出应用：唯一的限制是你的想象力”。这样的主题也在提示在全球气象界和应用气象涉及的领域，预报手段的更新以及模拟技术的发展，实际上在人工智能和大数据时代里，孕育了更多以前无法想象的潜力。这一点在前述的地震和火山预警内容中已经有了揭示，而在气象科学的主要领域，这样的痕迹也到处可见。
       在这次会议上， 针对气象服务的经典领域，ECMWF 提出要把预报模式的输出想象成现实生活中天气条件的VR （虚拟现实）， 从这个视角出发， 支持更多的决策就有了灵感。各种更加丰富的信息图表， 实际上能够为预报员提供强力的信息支撑， 一些以前难度很大的瞬间决策， 或许能够更好地实现。基于此， 本次会议聚焦于“ 处理模式输出”和“ 影响预报” 两个主题， 前者围绕支持预报员决定什么时候发布天气预警， 确定模式输出可视化的策略； 后者则针对水资源、能源、农业、防火和健康等主要应用领域， 开发更多更深入好用的影响预报产品。在这些活动中， 深度学习和大数据再利用等信息手段不可或缺， 而ECMWF 对其产品从“ 可用”到“好用”再到“更酷地利用”，想象的翅膀和帮助用户建立信心是最好的手段。
       想象力需要细节分析的支撑，同时其应用的领域也包括气象相关的决策过程。美国国家海洋和大气管理局（NOAA） 在未来天基气象观测平台发展中，针对其星座到底是由65 颗传统卫星组成，还是采用混合了包含86 颗卫星的星座，通过对每颗卫星的性能进行细致分析，制作了两条技术路线的成本-性能改进图。在这张图上，适当的决策点将带来的是：同样的投入， 星座性能的提升被“3D 风”“ 实时图像”“近太空大气观测”等要素所覆盖。这种在细节分析的基础上，利用想象力给出支持决策的路线图，是未来气象基础设施改进战略中更好的决策视角。

（来源：中国气象报 贾朋群）