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    地基水汽觀測業務系統——
    攻克關鍵核心技術 重構高精度高時效水汽業務

    發布時間:2022年09月09日 來源:中國氣象報社

    核心閱讀:

    ■自主研發基于北斗導航系統的地基水汽反演算法軟件,實現單站水汽分鐘級實時連續高精度觀測,改變地基水汽觀測核心算法長期依賴國外技術的被動局面,打破水汽產品因延時1小時,應用時效難以滿足業務需求的困局

    ■完成水汽反演算法在芯片微環境下的跨平臺編譯和內嵌式開發,研制全球首款北斗/GNSS大氣水汽處理氣象專用觀測芯片模組(“立春Ⅰ號”)

    ■解決地基水汽觀測國產化和實時觀測應用的關鍵核心問題,為地基水汽觀測業務重構奠定堅實基礎

    專家顧問:中國氣象局氣象探測中心高級工程師 涂滿紅

    水汽產品——數值模式和天氣預報的基礎

    大氣中水汽蒸發、凝結和運動帶來潛熱能的儲存、釋放和轉移是天氣、氣候系統變化的主要驅動力,水汽通量、比濕、相對濕度等水汽產品是數值預報模式、天氣預報中的基礎數據。

    資料顯示,2019年,我國自主研發的預報模式(GRAPES)同化地基GNSS/MET大氣可降水量資料后,北半球和東亞地區高度場、濕度場分析能力有明顯改善??梢?,數值預報模式和天氣預報對實時和高精度水汽產品的需求非常迫切。

    目前,我國地基水汽觀測系統使用GPS星座,系統軟件為美國GAMIT數據處理軟件。GPS水汽觀測采用全國組網采集觀測數據、網絡傳輸到國家數據處理中心集中解算、生成水汽產品后通過網絡分發到用戶單位的模式,觀測流程和網解模式造成產品延時1小時,且只能生成小時級產品。

    探空是一個有效直接觀測水汽的手段,但受站點密度、探測頻次等限制,水汽產品的時間、空間精度遠遠達不到實際業務需求。此外,地面水汽觀測受到觀測高度等影響,無法獲取垂直大氣柱中水汽含量、分布以及變化等信息。

    2019年以來,應用北斗導航衛星系統獨有的B2b技術,中國氣象局氣象探測中心(以下簡稱“探測中心”)GNSS/MET觀測與應用創新團隊自主研制出全球首款北斗/GNSS大氣水汽處理氣象專用觀測芯片模組——“立春Ⅰ號”。

    該芯片模組具備衛星信號數據、軌道鐘差精密數據以及氣象數據采集質控、處理解算、產品生成功能,可解決目前急需的分鐘級水汽產品空白的問題,且技術自主可控。

    專用芯片模組——集約水汽解算和產品質量控制

    如何在臺站精準接收北斗衛星精密星歷和軌道鐘差信息,實現臺站本地化、分布式超快速反演高精度大氣水汽產品,并確保產品精度及各項指標滿足業務應用要求?

    面對氣象業務的急切需求,研發團隊從解算、質控、產品生成等軟件系統著手,經過兩年多的技術攻關,首先在PC端研發北斗水汽解算軟件、算法模型,并在上海寶山、廣西河池以及海南??诘鹊氐娜齻€臺站開展了近一年的實地運行觀測試驗;再次瞄準低成本、低功耗、高集成、高可靠性的氣象觀測核心設備發展目標,在探測中心“芯片計劃”項目的支持下,開展了水汽處理氣象專用芯片模組的研制。

    團隊用一年半的時間持續對硬件、軟件進行優化和改進,完成水汽反演算法在芯片微環境下的跨平臺編譯和內嵌式開發,成功研制全球首款北斗/GNSS大氣水汽處理氣象專用觀測芯片模組——“立春Ⅰ號”。該芯片模組支持多通道、多定位系統數據解算,具備單站水汽實時觀測能力,產品精度達到國際先進水平;產品時間分辨率提升12倍,由1小時提升到5分鐘,居世界領先水平。

    臺站分鐘級產品——水汽觀測的歷史性跨越

    從零起步,從無到有,研發團隊直面業務應用的迫切需求和攻克關鍵技術的重大壓力,不斷在軟件算法、數據模型、質量控制和芯片微環境下的軟件架構、數據策略、運行穩定性等方面狠下功夫,最終完成了算法軟件芯片內置開發,實現“立春Ⅰ號”芯片與國內主流接收機的兼容集成。

    這意味著下一步水汽觀測產品可根據不同場景需求實現全國組網到單站獨立解算的靈活應用。觀測業務系統實現了從多站網絡集成到單站芯片設備集成,高效獲取分鐘級實時水汽觀測產品,解決目前GPS水汽觀測產品分辨率和延時的問題,同時避免了集中網解臺站之間互相依靠、互相影響可能造成大面積缺測和系統崩潰等風險,在降低建設和運行成本的同時,提高了水汽觀測系統運行效率和質量。

    以“立春Ⅰ號”芯片模組為技術核心的新一代地基遙感水汽探測系統,突出解決了地基水汽觀測國產化和臺站獨立解算應用的關鍵問題,填補了目前水汽觀測業務的空白,為建立世界領先的高時效水汽觀測系統提供了可能。

    目前,以“立春Ⅰ號”芯片為技術核心的新一代地基遙感水汽探測系統已在中國氣象局監測預警補短板工程中實現業務應用。研發團隊將開展全國高時效水汽觀測業務系統建立等工作,為臺站水汽觀測業務化運行、多場景應用提供支撐。

    (作者:簡菊芳?責任編輯:張林)

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