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我国三维风场反演技术实现突破增益高影响天气数值预报

日期：2026-04-27

来源：中国气象报社

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当台风裹挟着狂风暴雨逼近沿海，当强对流天气在盛夏突袭城市，精准预报台风和强对流等高影响天气是保障人民生命财产安全、服务经济社会发展的关键。国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）首席科学家李俊研究员团队依托新一代风云四号地球静止气象卫星，在三维风场反演领域取得突破性进展。研究工作构建了卫星观测、反演解析与数值同化一体化技术体系，显著提升对大气运动的立体化、连续化观测能力，增强数值预报系统对复杂天气过程的模拟和预报水平，形成可业务运行的技术体系，为高影响天气数值预报带来显著增益。相关科技进展入选2025年度“中国十大气象科技进展”，为台风、暴雨等灾害性天气预报注入新动能。

破局：啃下领域“硬骨头”

地球静止气象卫星是监测全球天气变化的“千里眼”“顺风耳”，但长期以来，受观测光谱波段限制，传统方法只能获取有限大气层的风矢量，无法刻画大气三维立体的风场结构——这正是预报台风、暴雨等灾害性天气的核心数据短板。

“早期我们靠云图追踪云团移动获取有限风场信息，后来尝试通过极轨卫星高光谱观测反演三维风场，但由于时间分辨率不足、水汽反演误差大等问题，风场精度始终难以满足业务需求。”李俊介绍，从地球静止卫星的连续观测信号中“解读”出大气三维风场，一直是众多国家竞相攻坚的领域难题。

不同于国际上“先反演水汽廓线、再追踪目标移动”的常规思路，李俊研究员团队另辟蹊径，提出物理追踪与人工智能相结合的多维度观测联用方法，综合利用高光谱大气探测仪观测时间和空间变化、光谱、角度等多维信息，直接从高光谱大气探测仪辐射量观测中提取大气对流层的三维风场。

“这相当于给卫星装上了‘三维透视眼’。”团队成员解释，这一创新实现了从大气二维风场到三维风场的技术跨越，对流层风速精度优于4米/秒。严谨的科学验证为成果可靠性保驾护航——国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）联合南京信息工程大学、华东师范大学、中国气象局地球系统数值预报中心等多个团队，开展了针对三维风场的一系列系统性研究，并在中国气象局全球同化预报业务系统（CMA-GFS）和中尺度天气数值预报系统（CMA-MESO）及中尺度数值天气预报与研究模式（WRF）的同化预报试验中，对台风预报的增益效果进行了交叉验证和综合评估，成果刊发于《美国气象学会公报》等权威学术刊物，被美国气象学会公报（BAMS）遴选为2025年度研究亮点。以卫星大气三维风场研究为重要内容的“风云四号短临天气预警应用技术”获评2025年中国气象局科技成果评价“优秀一等”。

落地：推动技术融入业务

团队通过发展面向数值预报应用的卫星风场质量控制与误差表征技术，显著提升了复杂天气条件下风场资料的稳定性和可信度，打破“同化高时频连续观测辐射量已隐含风场信息”的传统认知，揭示了大气热、动力廓线同化对数值预报的协同贡献机制。

研究数据显示，同化卫星观测的热力廓线或动力廓线信息对台风的路径、强度和降水预报均有改进，而联合同化卫星热力和动力场信息改进效果最佳，48小时台风强度预报误差可降低50%，而其中动力场信息起主要作用。降水落区和强度的预报准确率显著提高，为防灾减灾决策提供了更精准的科学支撑。

目前，该成果已验证适用于时间分辨率优于30分钟的大气垂直探测，我国最新的风云四号C星大气探测仪业务观测时间分辨率为1小时，覆盖中国及周边区域，待风云四号C星数据正式发布后，团队将进一步开展1小时分辨率资料的适用性研究，推动新技术更快融入业务流程、发挥实效。

谈及未来，李俊研究员表示，三维风场反演技术的突破只是起点。下一步，研究将向三个方向延伸：优化不同时空分辨率下的反演精度，拓展暴雨、强对流等更多高影响天气的应用场景，同时积极参与国际合作，分享中国技术和经验，为国际地球静止卫星大气探测定量应用提供新的思路和方法。

从云图动画里的风，到大气三度空间的风，这一步跨越凝聚了几代科研人员的心血与努力。“首次解析卫星大气三维风场并显著提升台风数值预报效能”这一成果是我国卫星气象事业的重要里程碑，也为国际静止气象卫星定量应用开辟了新的研究方向。

（作者：郑婧李博责任编辑：张林）

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