2022年NOAA大气科学主要研究进展
发布日期 ：2026-01-05
13.火山灰集合预报
◼ 马杰 李婧华 编译
2023年3月，《2022年NOAA科学报告》发布，报告涵盖了2022年NOAA的全部研究任务，包括60多项NOAA研发亮点成果，主要包括4个方面：（1）强大而有效的研究和开发；（2）减少灾害天气对社会的影响；（3）建设气候有序国家；（4）沿海及海洋资源的可持续性。
本文梳理了《NOAA报告》中大气科学研究领域主要亮点成果：
1.利用地球同步卫星数据提高观测质量和增加稀疏地区的监测范围
NOAA及其合作研究所利用地球静止运行环境卫星（GOES）数据、合作伙伴卫星数据和机器学习来提高卫星的观测效率和覆盖范围。利用高分辨率GOES对雷达、被动微波图像和夜间可见光图像的估算，通过每10分钟提供持续校准和固定分辨率的估算，帮助解决与低地球轨道观测相关的各种挑战。NOAA将“利用机器学习进行GOES雷达估算以改进数值天气预报”（GREMLIN）用于高分辨率的快速更新模式。基于GOES的ProxyVis现在也可供国家飓风中心预报员使用。此外，基于GEOS的合成被动微波图像能够实时传输类似雷达的云深和云型图像。这些能力都提高了观测数据可用性，特别是在海洋和其他观测稀疏的地区。
图1 GOES-18 GeoColor卫星图像显示，2022年10月17日，随着太平洋西北海岸的烟雾持续存在，山谷雾逐渐消失。NOAA卫星提供了用于模式和预测的关键数据，以及在动态火灾环境中挽救生命的潜在信息。
2.观测汤加火山爆发引起的海啸，增进对罕见事件的新认识
2022年1月15日，Hunga Tonga-Hunga Ha'apai火山爆发，引发海啸并触发了世界各地的海啸警报。火山喷发爆炸产生的压力波传播速度约为312米/秒，并在消散前绕地球转了3圈。大约5%的海啸是由火山活动产生，因此这是NOAA观测仪器捕捉到的罕见事件。深海海啸评估和报告（DART）浮标系统测量了海啸波幅以及与火山爆发产生的冲击波有关的大气压力波。两架NOAA-Saildrones无人机帆船捕获了关键信息，如与海洋观测稀疏区域的偏远火山活动相关的气压值和海啸波幅。这些数据可以用来改进海啸模型，并帮助海啸研究人员更好地理解这一罕见事件。
图2 DART浮标探测海啸波，并将实时海平面测量数据传回海啸预警中心
3.RadarSat星座产品业务化
RadarSat星座是加拿大航天局运营的一个由三颗合成孔径雷达卫星组成的星座。合成孔径雷达的全天候、高分辨率能力为NOAA的各项任务提供了有价值的信息，包括监测冰、洪水、风、热带气旋、海浪、船只位置和石油泄漏。2021年3月NOAA成为加拿大航天局的国际合作伙伴。这一合作伙伴关系使NOAA每天可以获得北美和北极地区上空约400～600张图片，且不会产生额外费用。RadarSat星座已成为冰雪监测产品的关键数据来源。美国国家冰雪中心和NWS阿拉斯加海冰项目使用这些数据生成分析和预测。RadarSat星座还收集美加边境附近的洪水情况，对于国家水中心和NWS区域预报办公室监测洪水非常重要。NESDIS致力于确保RadarSat星座产品和图像的生产和交付。RadarSat星座现已完全集成到美国国家环境卫星信息资料中心（NESDIS）产品中，并已过渡到运行阶段。
图3 2022年1月31日，RadarSat星座拍摄的伊利湖冰层覆盖图像。RadarSat星座已成为冰监测产品的宝贵数据源。
4.NOAA推出下一代水资源模型框架，提高水资源预测能力
NWS成功展示了下一代水资源模型框架（Next Gen），将改变所有时间尺度上的水文和水资源预测。该框架首次使模拟不同地理区域的不同水文模型能够同时运行，并且都在一个共同的通道网络上。该框架为在全国范围内使用更详细的地理空间水信息加强决策支持铺平了道路。Next Gen利用开源、可互操作的环境，促进水文、水力、沿海和水质领域的创新，使用通用一个共同框架应对水资源挑战。Next Gen将为水务企业的合作开启一种全新的方法，支持NOAA统一预报系统的开发，加速水资源模型的研究到业务周期，并迅速提高预测技能。
5.全球六向耦合统一预报系统
NWS利用统一预报系统（UFS）开发了一个全球预报模式，重点进行两周到两个月（季节到次季节）的预报，包括大气、海洋、海冰、海浪、陆地和气溶胶（六向耦合模式），这是一个基于社区的综合地球模式框架。在一系列的初步实验中，所有模式原型（model prototypes）都显示出相对于目前的NWS季节性业务系统，预测技巧总体上有所提高。与NOAA业务气候预报系统相比，新模式将预报范围延长了约4～7天。这些原型所展示的预报技巧在多方面（气温、海面温度、降水等）都更胜一筹。与现有的从天气到次季节尺度上的业务结果相比，新的全球预测模式将使NOAA能够在国家和全球范围内提供更好的次季节到季节性预测。关键决策者将受益于此，做出对美国经济和国家安全有重大影响的明智决策。
6.NWS湿球黑球温度（WBGT）预报进入业务状态
湿球黑球温度（WBGT）是为户外人群设计的衡量热应力的指标，目前NWS一些合作伙伴在使用，如大学和高中体育部门、马拉松和铁人三项的组织者等。经过两年的实验性天气参数，WBGT预报于2022年6月1日投入业务。WBGT预报利用当地预报的温度、湿度、风、天空云量以及太阳角度。WBGT预报使NWS能够满足使用这一特殊热工具的合作伙伴的决策支持服务需求，最终将有助于保护人们免受热应力的影响。
7.世界上分辨率最高的全球风暴潮模式开始运行
NOAA开发新的三维组件，利用有关大西洋水域状况的宝贵信息增强了涌浪和潮汐业务预报系统（STOFS），并于2022年开始使用。STOFS是世界上分辨率最高的全球海洋模拟系统，为风暴潮和潮汐引起的综合水位提供预测指导。STOFS由美国海洋局（NOS）、美国气象局（NWS）与学术伙伴合作开发。新的三维STOFS组件用于大西洋（包括墨西哥湾和加勒比海），提供水位、洋流、盐度和温度，现已投入使用。STOFS-3D-Atlantic使用来自国家水模式的输入，包括内陆水文和极端降水对沿海风暴潮的影响，并为沿海恢复力和航行安全提供关键的预测信息。
8.NWS在高空部署人工无线电探空观测系统
观测高层大气使预报员能够评估温度、湿度和风的垂直分布，对预测强风暴和龙卷风至关重要。为了加强天气预报，NWS正在将整个高空观测系统从传统的1680 MHz频率迁移到403 MHz频率。为完成这项任务，NOAA部署了两个403MHz人工无线电探空仪观测系统（MROS）。无线电探空仪是一种大气传感器，可以提供对天气预报和研究至关重要的高空数据。MROS增强了高空观测，如每秒测量一次。2022年，新MROS系统已成功安装。
9.新的海洋和大气关键观测增进了对飓风结构的理解，并支持改进预报
提高NOAA飓风预报的准确性需要对大气和海洋条件有更完整的实时了解，并在飓风预测模型中更真实地表征关键物理过程。在2022年飓风季，NOAA使用无人机帆船（Saildrones）、水下滑翔机、无人机和飞机，收集了重要的新观测数据。无人机帆船的观测覆盖了2022年8月1日—10月30日期间飓风发生几率较高的地区，并在两次主要飓风（菲奥娜和伊恩）期间捕获了观测数据。无人机帆船通过菲奥娜飓风眼中心获得了关键的测量数据，如风速和浪高，而水下滑翔机则在其东北方向7英里处收集数据。除了无人系统收集数据外，NOAA飓风猎人（P-3飞机）完成了72次研究和行动任务。8月下旬，飓风研究人员连续12天对后来被命名为飓风厄尔的风暴系统进行了20次研究任务，这是NOAA有史以来对单一热带系统执行的最长时间的任务。飓风猎人搭载的风雨成像廓线仪在有降水的情况下测量飞机和海面之间的风速和风向。在2022年飓风季，这些观测为NOAA提供了关于飓风内部核心结构的关键新信息，并增加了对飓风之下海气界面大气的认识。
图4 由水下、水面和空中无人机与飞机相结合的观测系统在2022年飓风季执行观测任务
10.详细的风观测和特征分析可提高热带气旋预报能力
NESDIS使用合成孔径雷达图像生成详细的风速预估。目前，合成孔径雷达数据被用于产生精确的风速估计，但被限制在每小时67英里以下的范围内。2019年飓风季的数据被用来完善对热带气旋风速的估计。合成孔径雷达风数据能够提供一直到海岸线的风速，并提供以前无法获得的更详细的风暴结构信息。热带风暴风力产品包括风速图像、径向风、风速阈值图像、平均风和集成到热带自动预报系统的数据估计。NESDIS向NOAA国家飓风中心、美国军事联合台风预警中心和美国中太平洋飓风中心提供这些产品。
11.监测地面温度异常有助于极端天气事件下的决策
过去几十年，极端天气事件的频率和强度迅速增加，对生命和基础设施构成严重威胁。NOAA开发了一套通过卫星观测来监测地面温度异常的综合系统来解决公众的担忧。一般来说，陆面温度异常由多种因素驱动，从大尺度气候事件到局地灾害（如野火）。这些异常现象通常是对极端天气事件的频率和强度的响应。一系列的月度总结提供了重点，有助于检测相应的强天气异常和高影响环境事件。最近的研究包括多种灾害天气事件，包括热浪、野火、冬季风暴、强冷事件、干旱及其对环境的潜在影响。新的地面温度异常监测系统增进了对天气异常状况的认识，提高了人们对气候变化导致的日益增长的风险的认识，并有助于决策。
图5 2022年4月(上)和5月(下)地面温度月距平。横跨欧亚大陆的“低-高-低”型态向东移动并向北扩展;德克萨斯州的重大高温事件持续了两个月，由于5月20日左右出现了明显的热浪，整个美国东海岸都出现了异常高温。
12.NWS改进近岸波浪预测预报
在海洋里多个共存的波浪系统很常见，每个波浪系统都有自身的高度、周期和方向。这些波浪系统的详细资料为船舶客户提供了宝贵的信息。目前，NWS天气预报办公室提供的沿海水域预报为浪高、风浪和涌浪。通过使用更新的近岸波预报系统，NWS现在可以提供构成波高的重要波浪系统的高度、周期和方向。为海洋用户提供更清晰的海浪细节，将有助于支持水上规划和安全。
13.火山灰集合预报
危险物质意外释放到大气中会对暴露人口和应急人员的健康和生活产生不利影响。混合单粒子拉格朗日综合轨迹（HYSPLIT）是大气轨迹和扩散计算中最广泛使用的模型之一，有助于确定空气粒子和污染物的传播距离和方向。它也是NOAA应急应用的业务模型，如模拟放射性排放、化学品释放、野火烟雾、火山灰和风吹尘埃等产生的大气羽流。该项目的主要目标之一是通过使用HYSPLIT生成的模拟，评估预测火山灰等物质的传输、扩散和沉积的不确定性。新系统于2022年12月开始运行，将为公共和私营部门，特别是航空业提供服务。
14.新卫星排放产品将提高国家环境空气质量预报的准确性
目前NWS针对臭氧、颗粒物（PM2.5）和烟雾的空气质量预报模型指南依赖于极轨卫星的火灾探测和燃烧火灾释放辐射能量的速率（即火灾辐射功率）。在空气质量预报模式每天更新一次的火灾排放数据中，并没有捕捉到影响空气质量的火灾活动的重要日变化信息。NESDIS开发了一种新的RAVE算法，融合了极轨卫星和静止卫星的火灾辐射功率数据。RAVE算法实时生成各种与空气质量相关的微量气体、烟雾气溶胶和温室气体的排放，并用于空气质量预报。新的排放产品有望提高臭氧和PM2.5预报准确性。
图6 RAVE算法对2020年4月至2021年3月期间（a）火灾造成的年干质量燃烧量估算和（b）火灾所释放的PM2.5估算
15.开发实时气候归因分析产品
NWS开发了一种实时气候归因分析产品，以了解次季节到季节预报的可预测性和技巧。产品分析评估了最近的季节性温度和降水的气候变率的预报技巧，并利用层次模式方法来评估这些异常的可预测性。该产品表明，2022年1月、2月和3月发生在美国中部大部分地区的大规模低于正常温度的气候不是由海温异常造成，是不可预测的。该产品还表明，在预测2022年1—3月期间的个别月异常时，提前几天的预报技巧较低。这种类型的分析使NOAA能够提高对未来事件的预报技巧。该产品还有助于回答利益相关者提出的有关官方延伸期预测的能力、气候变化的因果关系以及未来预测的物理基础问题。
16.诊断从世纪之交开始的长期干旱
NOAA一项研究分析了从2000年开始在美国西部、中部和东南部发生的显著干旱状况。研究发现，这些干旱条件的主要强迫是降水亏缺，由于地表温度升高导致的蒸发高于正常蒸发也有贡献。温度和降水的变化被归因于同时发生的全球海面温度异常，这是已知的导致这些地区干旱的原因。向更湿润和更凉爽的形态转变，帮助改善干旱状况，需要一种或多种海表温度模态的相变。了解美国干旱的原因有助于更好地预测未来长期干旱的发生、加剧和终止。
17.利用美国国家科学院社会专家行动网络来应对气候危机
了解全球气候变化的动态状况，以及它如何影响天气和环境资源，进而影响社会，仍然是NOAA研发的重点。在美国国家科学基金会（NSF）协调下，NOAA与美国国家科学院的社会专家行动网络合作，以应对气候变化的政策挑战。该项目由美国国家科学院为应对新冠肺炎疫情于2020年创建，并得到了NSF和Alfred P. Sloan基金会的支持。NOAA正在领导这项合作，以确保与NOAA气候相关的社会、行为和经济问题以及NOAA社会科学委员会、服务交付和新的NOAA NWS社会、行为和经济办公室的需求保持一致。通过将社会专家行动网络的范围扩大到气候领域，NOAA和其他联邦、州和地方政府可能更容易获得所需的信息，从而更好、更公平地为美国和国际社会服务。