日本气象观测技术走在前沿
2015/10/09
时而在海上卷成漩涡，时而向日本长驱直入。这些前所未见的云卷云舒景象是新静止气象卫星“向日葵8号”在2015年7月中旬捕捉到的，当时第11号台风席卷了整个西日本地区。无论是在卫星观测，还是地上雷达观测网，日本正在赶超欧美，走在世界的前列。
领先欧美的“新一代静止气象卫星” 还可拍摄彩色图像
向日葵8号从7月7日起刚刚启用，是日美欧一直准备投入使用的首颗“新一代静止气象卫星”。
关于“新一代”的意义，首先接收信号的种类（频带数）比此前多出很多。可根据红绿蓝三原色信号拍摄彩色图像。可明显区分云、火山喷雾和沙尘等不同物质。还可判断云中聚积的是雨还是雪。利用近红外线和红外线获得的数据也出现增加，便于掌握云的种类和扩展情况。捕捉水蒸气流等的能力也得到提高。美国和欧盟分别预定在2016年和2018年发射类似的新一代卫星。
图像的拍摄频率也大幅增加。此前的卫星全球观测间隔为每30分钟一次，目前缩短至每10分钟一次。仅拍摄日本附近的话，每2分半就可拍摄一次，短时间内能够捕捉突然扩展或衰退的云。因为观测间隔如此之短，就像从太空中眺望一样可以清晰地看到靠近日本的第11号台风。日本气象厅将于8月内在官网上面向大众长期公开此类图像。实际上，向日葵8号还具备每30秒观测一次积雨云等的能力，今后在应用方面备受期待。
在赤道上空约3万6000米的高空中，静止气象卫星以和地球自转几乎相同的速度绕地球运行。因此能够以几乎静止状态一直观测地球的同一个位置。当然，日本并非从最初就处在卫星观测的领先行列。美国1966年发射了全球第一颗静止气象卫星。上世纪70年代初期，美国的天气预报就开始经常使用伴有低气压等的云层视频。
气象卫星拍摄的视频也会出现在电视的天气预报节目中。刚好当时，记者有幸在美国亲眼目睹了此类图像。看到在北美大陆上空扩展并且不断东进的低气压云图，我瞠目结舌。不过，当时日本的普通民众对卫星云图几乎没有什么概念，说起天气预报，脑中浮现的都是手绘的气象图、太阳和雨伞等天气标识。40载一晃而过。如今，日本的卫星性能已超越美国，真有种恍如隔世的感觉。
说点题外话，美国在开发气象卫星云图的分析技术时，日本研究人员发挥了很大作用。著名的龙卷风（Tornado）研究学者藤田哲也博士，表示龙卷风的强度的“藤田级数”就是以他的名字命名而来。据称，藤田发现了卫星数据的精密解析方法，并和大气的变化相对应。现在的方法是利用卫星数据来判断高空的偏西风位置、强度和冷暖气流动向，起源就是来自于藤田教授的研究。
新型雷达在游击暴雨的观测方面显示出存在感
虽然气象卫星的性能大大提高，但要观测被称为“游击暴雨”的短时间局部性强降雨，地面观测网也不可或缺。日本全国约1300处无人观测点构成的气象数据自动采集系统十分有名。除此之外，为准确掌握江河流域面雨量，日本国土交通省在近几年设置的X波段双线偏振（MP）雷达构成的观测网也显示出越来越强的存在感。
该观测网被称为“XRAIN（X波段MP雷达信息网）”，由设置在日本全国的39座雷达组成。X波段的波长在3厘米左右。利用纵波和横波的双向偏振波，可以准确观测降水强度和降雨区域，甚至能观测到雨滴的形状。与传统的雷达观测不同，无需使用雨量计进行补正。数据每分钟自动更新，即使包括发布所需的时间，也能够通过图像确认2分钟前的状况。
日本气象厅已开始使用XRAIN数据，每隔五分钟在网上发布一小时后的降雨预测，用颜色表示不同强度的降雨，并标注在地图上。这项预报服务被称为“高分辨率模式降水预报”。2014年8月开始启用的“第二代”预报服务中，250米格点可显示30分钟之后的降雨信息，1公里格点可显示1小时后的降雨信息。例如东京千代田区的大手町附近没有降雨，麹町可能下暴雨等，能看到非常详细的天气预报。
据称，美国等也在使用X波段MP雷达，根据观测数据对每条主要国道进行精准的暴雨预测等。日本刚刚在几年前才有研究人员尝试性地将X波段MP雷达用于游击暴雨的观测。但是，2008年发生在神户市都贺川的水位突然暴涨并导致人员伤亡的事件，日本国土交通省在5年时间内一口气将X波段MP雷达的布置范围扩展至全日本，在如此短的时间内建设起覆盖国内大部分地区的观测网，这在世界上也是前所未闻。
东芝和大阪大学等利用相控阵雷达观测云层的形成发展
利用全新原理的最新锐气象观测雷达也开始启用。该雷达名为“相控阵雷达（Phased Array Radar）”，利用了搭载于宇斯盾军舰的探测雷达技术。由东芝、日本信息通信研究机构和大阪大学等开发，并将其推向实用化。主体看上去是一块厚厚的钢板，里面的128根天线会释放出强大的电波。主体每旋转一次，便能全面观测到地表附近到云层上部的状况。
普通的雷达在旋转时会稍微提高仰角然后再降低角度，来回重复该动作。给人的感觉是把云切成薄片，从下向上逐层观测。观测整个云层需要10分钟左右。如果在此期间云层迅速发展，将漏掉云层的变化。而相控阵雷达是用电子掌握电波的状态，旋转一次便可立体掌握云层整体的状态。即使云层迅速变化也不会漏掉，相控阵雷达被认为最适合用来观测游击暴雨等气象。
相控阵雷达捕捉到的凝结核（白色）和下击暴流（红色）（2014年9月10日，左端为下午11时20分左右，右端为下午11时30分左右。气象研究所根据日本信息通信研究机构和大阪大学提供的数据制作而成）
本以为白色云块将迅速变大时却开始下降，到达地面后向周围刮起强风。气象研究所的研究室长楠研一展示的相控阵雷达观测图像中，在积雨云中发生的气象变化被清晰地显示出来。据大阪大学副教授牛尾知雄等人透露，这是利用设置在大阪大学楼顶的相控阵雷达于2014年9月10日夜间拍摄到的图像。
相控阵雷达成功捕捉到了积雨云中被称为“凝结核”的雨滴集中区域的动态和强大的下降气流。在4000～5000米高空的凝结核在10分钟后到达地面时，周围1～2公里的小范围内刮起了10分钟左右的暴风。被称为下击暴流的暴风有可能引发飞机事故。如果在凝结核形成和落下开始时发出警告，将有助于预防事故发生。
7月8日，在茨城县筑波市，气象研究所在楼顶启用了相控阵雷达。目的为监测龙卷风的征兆等。日本在正式利用相控阵雷达进行气象观测方面走在了世界前列，吸引了美国等国的强烈关注。东芝、信息通信机构和大阪大学计划，作为国家项目之一，用3年左右的时间开发双线偏振型的相控阵MP雷达。如果能够在全国设置相控阵MP雷达，游击暴雨的预测精度有望得到极大提升。
问题是昂贵的成本。目前，一座相控阵雷达的设置成本高达数亿日元。MP型的成本可能更高，应该无法轻易增加吧。日本全国服役中的X波段MP雷达的使用寿命为15年左右。另外，几年之后可能还有新技术出现。因此，有效结合多种观测系统，在数据的使用方法上多花心思，迅速提高防灾效果十分重要。
本文作者为日本经济新闻（中文版：日经中文网）编辑委员 气象预报员 安藤淳
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领先欧美的“新一代静止气象卫星” 还可拍摄彩色图像
向日葵8号从7月7日起刚刚启用，是日美欧一直准备投入使用的首颗“新一代静止气象卫星”。
| 向日葵8号拍摄的彩色图像（当地时间7月17日下午3点，正中间的较大云块便是席卷整个西日本的台风11号。日本气象厅供图） |
图像的拍摄频率也大幅增加。此前的卫星全球观测间隔为每30分钟一次，目前缩短至每10分钟一次。仅拍摄日本附近的话，每2分半就可拍摄一次，短时间内能够捕捉突然扩展或衰退的云。因为观测间隔如此之短，就像从太空中眺望一样可以清晰地看到靠近日本的第11号台风。日本气象厅将于8月内在官网上面向大众长期公开此类图像。实际上，向日葵8号还具备每30秒观测一次积雨云等的能力，今后在应用方面备受期待。
在赤道上空约3万6000米的高空中，静止气象卫星以和地球自转几乎相同的速度绕地球运行。因此能够以几乎静止状态一直观测地球的同一个位置。当然，日本并非从最初就处在卫星观测的领先行列。美国1966年发射了全球第一颗静止气象卫星。上世纪70年代初期，美国的天气预报就开始经常使用伴有低气压等的云层视频。
气象卫星拍摄的视频也会出现在电视的天气预报节目中。刚好当时，记者有幸在美国亲眼目睹了此类图像。看到在北美大陆上空扩展并且不断东进的低气压云图，我瞠目结舌。不过，当时日本的普通民众对卫星云图几乎没有什么概念，说起天气预报，脑中浮现的都是手绘的气象图、太阳和雨伞等天气标识。40载一晃而过。如今，日本的卫星性能已超越美国，真有种恍如隔世的感觉。
| 接收向日葵8号信号的天线（埼玉县鸠山町） |
新型雷达在游击暴雨的观测方面显示出存在感
虽然气象卫星的性能大大提高，但要观测被称为“游击暴雨”的短时间局部性强降雨，地面观测网也不可或缺。日本全国约1300处无人观测点构成的气象数据自动采集系统十分有名。除此之外，为准确掌握江河流域面雨量，日本国土交通省在近几年设置的X波段双线偏振（MP）雷达构成的观测网也显示出越来越强的存在感。
该观测网被称为“XRAIN（X波段MP雷达信息网）”，由设置在日本全国的39座雷达组成。X波段的波长在3厘米左右。利用纵波和横波的双向偏振波，可以准确观测降水强度和降雨区域，甚至能观测到雨滴的形状。与传统的雷达观测不同，无需使用雨量计进行补正。数据每分钟自动更新，即使包括发布所需的时间，也能够通过图像确认2分钟前的状况。
| 大阪大学楼顶设置的相控阵雷达（从下向上看到的厚钢板为雷达主体。主体里面有128根天线） |
据称，美国等也在使用X波段MP雷达，根据观测数据对每条主要国道进行精准的暴雨预测等。日本刚刚在几年前才有研究人员尝试性地将X波段MP雷达用于游击暴雨的观测。但是，2008年发生在神户市都贺川的水位突然暴涨并导致人员伤亡的事件，日本国土交通省在5年时间内一口气将X波段MP雷达的布置范围扩展至全日本，在如此短的时间内建设起覆盖国内大部分地区的观测网，这在世界上也是前所未闻。
东芝和大阪大学等利用相控阵雷达观测云层的形成发展
利用全新原理的最新锐气象观测雷达也开始启用。该雷达名为“相控阵雷达（Phased Array Radar）”，利用了搭载于宇斯盾军舰的探测雷达技术。由东芝、日本信息通信研究机构和大阪大学等开发，并将其推向实用化。主体看上去是一块厚厚的钢板，里面的128根天线会释放出强大的电波。主体每旋转一次，便能全面观测到地表附近到云层上部的状况。
普通的雷达在旋转时会稍微提高仰角然后再降低角度，来回重复该动作。给人的感觉是把云切成薄片，从下向上逐层观测。观测整个云层需要10分钟左右。如果在此期间云层迅速发展，将漏掉云层的变化。而相控阵雷达是用电子掌握电波的状态，旋转一次便可立体掌握云层整体的状态。即使云层迅速变化也不会漏掉，相控阵雷达被认为最适合用来观测游击暴雨等气象。
相控阵雷达捕捉到的凝结核（白色）和下击暴流（红色）（2014年9月10日，左端为下午11时20分左右，右端为下午11时30分左右。气象研究所根据日本信息通信研究机构和大阪大学提供的数据制作而成）
| 风向水平方向扩散 |
相控阵雷达成功捕捉到了积雨云中被称为“凝结核”的雨滴集中区域的动态和强大的下降气流。在4000～5000米高空的凝结核在10分钟后到达地面时，周围1～2公里的小范围内刮起了10分钟左右的暴风。被称为下击暴流的暴风有可能引发飞机事故。如果在凝结核形成和落下开始时发出警告，将有助于预防事故发生。
7月8日，在茨城县筑波市，气象研究所在楼顶启用了相控阵雷达。目的为监测龙卷风的征兆等。日本在正式利用相控阵雷达进行气象观测方面走在了世界前列，吸引了美国等国的强烈关注。东芝、信息通信机构和大阪大学计划，作为国家项目之一，用3年左右的时间开发双线偏振型的相控阵MP雷达。如果能够在全国设置相控阵MP雷达，游击暴雨的预测精度有望得到极大提升。
问题是昂贵的成本。目前，一座相控阵雷达的设置成本高达数亿日元。MP型的成本可能更高，应该无法轻易增加吧。日本全国服役中的X波段MP雷达的使用寿命为15年左右。另外，几年之后可能还有新技术出现。因此，有效结合多种观测系统，在数据的使用方法上多花心思，迅速提高防灾效果十分重要。
本文作者为日本经济新闻（中文版：日经中文网）编辑委员 气象预报员 安藤淳
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