氣象衛(wèi)星發(fā)展歷程和啟示

方宗義

（國家衛(wèi)星氣象中心，中國氣象局，北京 100081）

氣象衛(wèi)星發(fā)展歷程和啟示

方宗義

（國家衛(wèi)星氣象中心，中國氣象局，北京 100081）

簡要地回顧了國內(nèi)外氣象衛(wèi)星，特別是業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的發(fā)展及其更新?lián)Q代的變化。簡要地介紹了業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的功能及其在大氣科學(xué)、地球系統(tǒng)科學(xué)中的作用和地位。在此基礎(chǔ)上，探討了由50多年來業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星快速發(fā)展的事實(shí)中得到的啟示。

業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星，快速發(fā)展，功能和作用，啟示

1 引言

自1960年4月1日世界上首次成功發(fā)射氣象衛(wèi)星以來[1]，已經(jīng)過去半個多世紀(jì)了?？臻g技術(shù)和遙感技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，地球科學(xué)和人類生存與發(fā)展的需求牽引，氣象衛(wèi)星在天氣分析預(yù)報(bào)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測和預(yù)測、生態(tài)和環(huán)境監(jiān)測，特別是在對熱帶氣旋和中尺度強(qiáng)對流災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)警方面的成效，極大地促進(jìn)了氣象衛(wèi)星和衛(wèi)星氣象學(xué)的發(fā)展。本文將在簡要回顧和總結(jié)國內(nèi)外氣象衛(wèi)星發(fā)展的歷程、成就和作用的基礎(chǔ)上，探討從中得到的啟示。從過去半個多世紀(jì)氣象衛(wèi)星發(fā)展的歷程中吸取成功的經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)，尋求一條適合中國國情、積極穩(wěn)妥的發(fā)展中國氣象衛(wèi)星的道路。

2 氣象衛(wèi)星的發(fā)展歷程

2.1 極軌氣象衛(wèi)星的發(fā)展歷程

2.1.1 美國極軌氣象衛(wèi)星的發(fā)展

1960年4月1日，美國發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星“泰羅斯-1號”（TIROS-1，電視紅外觀測衛(wèi)星），從而開創(chuàng)了人類從太空探測地球大氣的新紀(jì)元。截至1965年7月2日，總共發(fā)射了10顆泰羅斯衛(wèi)星，這些衛(wèi)星均攜帶光電攝影系統(tǒng)和紅外輻射計(jì)，前者用以在白天拍攝可見光圖片，后者晝夜均可工作。經(jīng)過以上10顆氣象衛(wèi)星對衛(wèi)星軌道（近極地太陽同步軌道）、自旋穩(wěn)定的姿態(tài)控制（飛輪控制）、遙感探測器（光電攝像系統(tǒng)和紅外輻射計(jì)）和圖像傳輸方式（APT，自動圖像傳輸系統(tǒng)）等的試驗(yàn)驗(yàn)證，直接導(dǎo)致了美國第一代試驗(yàn)業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的誕生[2]。

（1）美國第一代試驗(yàn)業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星

1966—1969年，美國共發(fā)射了9顆以環(huán)境勘測局（ESSA）命名的泰羅斯業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星（TOS）。此衛(wèi)星由環(huán)境科學(xué)服務(wù)局（即后來的NESDIS）負(fù)責(zé)運(yùn)行、管理。這一代衛(wèi)星的主要功能是獲取全球范圍的白天云圖和實(shí)現(xiàn)云圖的直接分發(fā)服務(wù)。

（2）美國第二代業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星

1970—1978年，美國共發(fā)射了5顆以美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）命名的氣象衛(wèi)星（包括改進(jìn)的泰羅斯衛(wèi)星艾托斯和NOAA-1～-5）。這是第一批采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制技術(shù)的業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星。星上的可見光及紅外掃描輻射計(jì)（SR）和1972年開始采用的甚高分辨率掃描輻射計(jì)（VHRR）使衛(wèi)星不但實(shí)現(xiàn)

了晝夜連續(xù)定量觀測，還開始了多通道高分辨率掃描輻射觀測。

（3）美國第三代業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星

1978—1998年，美國共發(fā)射了新一代泰羅斯衛(wèi)星（New Tiros）10顆，命名為TIROS-N和NOAA-6～NOAA-14。衛(wèi)星的主要變化是由4個或5個通道的先進(jìn)甚高分辨率掃描輻射計(jì)（AVHRR）代替了VHRR；增加了由高分辨率紅外探測器（HIRS）、微波探測器（MSU）和平流層探測器（SSU）組成的探測大氣溫濕度垂直分布的儀器組合TOVS，同時(shí)還有太陽后向散射紫外輻射計(jì)（SBUV）和空間環(huán)境監(jiān)測器（SEM）。氣象衛(wèi)星具有了同時(shí)獲取多通道圖像和大氣溫、濕度垂直分布的能力。

（4）美國第四代業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星

1998—2009年，美國共發(fā)射了5顆先進(jìn)的泰羅斯-N系列衛(wèi)星，命名為NOAA-15～-19。6通道的AVHRR代替了5通道的AVHRR，HIRS-2取代了HIRS，AMSU（A/B)代替了MSU和SSU。這些變化使氣象衛(wèi)星可以遙感有云情況下的大氣溫、濕度，實(shí)現(xiàn)了全天候的三維大氣遙感探測，并能很好地區(qū)分云和雪。

（5）美國第五代業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星

2011年NPP衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著美國以NOAA命名的極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星時(shí)代的結(jié)束和新一代以NPP/JPSS（聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)）命名的極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星時(shí)代的開始。NPP是NOAA-19與JPSS兩代業(yè)務(wù)衛(wèi)星之間的橋梁。JPSS計(jì)劃發(fā)射兩顆，JPSS-1、-2，預(yù)計(jì)在2017和2023年發(fā)射。NPP衛(wèi)星主要裝載5種儀器：可見光/紅外成像輻射計(jì)（VIIRS）、先進(jìn)技術(shù)微波探測器（ATMS）、跨軌掃描紅外大氣探測器（CrIS）、臭氧圖像和廓線儀（OMPS）以及云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）。星上的這些遙感探測器使它具有獲取多通道圖像、全天候氣象要素三維分布、氣溶膠和云的微物理特性、大氣成分和地球大氣輻射收支等地球物理參數(shù)的能力。

2.1.2 中國極軌氣象衛(wèi)星的發(fā)展

1988年9月7日，命名為“風(fēng)云一號”的中國極軌氣象衛(wèi)星的第一顆衛(wèi)星“FY-1A”發(fā)射成功[3]。衛(wèi)星獲得了高質(zhì)量的可見光圖像，但是由于水汽對探測器件的污染，紅外圖像沒有成功。1990年9月3日發(fā)射的“FY-1B”解決了紅外圖像獲取問題。但因三軸穩(wěn)定姿控方面的問題，使“FY-1A”和“FY-1B”兩顆衛(wèi)星的壽命都沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（1）中國第一代業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星

1999年5月10日發(fā)射的經(jīng)過改進(jìn)的“FY-1C”衛(wèi)星，其工作壽命超過了設(shè)計(jì)要求，探測通道由5個增加到10個。2002年5月15日發(fā)射的“FY-1D”衛(wèi)星，其壽命超過7年。以上兩顆極軌氣象衛(wèi)星構(gòu)成了中國的第一代業(yè)務(wù)星。

（2）中國第二代業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星

風(fēng)云三號（FY-3）氣象衛(wèi)星是我國第二代極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星，是FY-1號氣象衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和提高[4]。它具有探測大氣三維要素和參數(shù)、大幅度提高全球資料獲取能力，進(jìn)一步提高對云區(qū)和地表特征的遙感能力，從而能夠獲取全球、全天候、三維、定量、多光譜的大氣、地表和海表特性參數(shù)。FY-3A已于2008年5月27日發(fā)射升空， FY-3B于2010年11月5日發(fā)射，它們組成上午星和下午星，實(shí)現(xiàn)雙星組網(wǎng)觀測。FY-3A/B衛(wèi)星遙感儀器涉及可見、紅外、紫外、微波多個譜段，總共有11套儀器。表1和圖1分別是FY-3A氣象衛(wèi)星攜帶的遙感儀器和衛(wèi)星本體。FY-3,02批衛(wèi)星為業(yè)務(wù)星，共有5顆，設(shè)計(jì)壽命5年，可以持續(xù)發(fā)展10年左右，其技術(shù)狀態(tài)和水平與歐洲正在運(yùn)行的METOP和美國正在發(fā)展的NPP極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星接近。

2.1.3 歐洲極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的發(fā)展

歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）的極軌氣象衛(wèi)星計(jì)劃起步較晚，但起點(diǎn)高，其第一代極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星就具有較高水平，發(fā)揮了很好的作用。

2006年歐洲氣象衛(wèi)星組織發(fā)射了第一代業(yè)務(wù)極軌氣象衛(wèi)星的第一顆星METOP-A，目前已進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)。METOP系列由3顆衛(wèi)星構(gòu)成，METOP-B于2012年發(fā)射，METOP-C預(yù)計(jì)2017年發(fā)射。該系列衛(wèi)星包括9種對地遙感儀器，其中具有顯著特色的是紅外大氣干涉探測器（IASI）、全球臭氧監(jiān)測儀（GOME）、GPS掩星探測器（GPS-S）、散射計(jì)（ASCAT）、空間環(huán)境監(jiān)視器（SEM）。在9種儀器中有4項(xiàng)由美國NOAA提供，其余5項(xiàng)由歐洲自行研制。它的探測能力與美國的NPP相當(dāng)。

2.2 地球靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展歷程

2.2.1 美國地球靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展

1966年美國宇航局（NASA）發(fā)射了首顆地球靜止衛(wèi)星——應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星（ATS-1），在星上進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，利用地球靜止軌道進(jìn)行氣象探測的可能性是其中之一。星上的旋轉(zhuǎn)掃描云相機(jī)（SSCC）成功地每20min獲取一幅地球全圓盤可見光圖像。此后，宇航局又發(fā)射了2顆地球同步軌道氣象衛(wèi)星（SMS），探測器為可見光及紅外自旋掃描輻射計(jì)（VISSR）。

表1 FY-3A/B星載儀器基本參數(shù)

（1）美國第一代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星

1975—1978年，美國共發(fā)射了3顆命名為地球同步業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星GOES-1～-3的地球靜止業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星。星上的主要遙感探測器是可見光及紅外自旋掃描輻射計(jì)。

（2）美國的第二代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星

1980—1987年，美國共發(fā)射了4顆GOES衛(wèi)星，即GOES-4～-7。星上的主要變化是在VISSR上增加了探測大氣溫、濕度垂直分布的能力，即VISSR的大氣探測器（VAS，可見光及紅外自旋掃描輻射計(jì)大氣探測器），以上兩代衛(wèi)星的姿態(tài)都是自旋穩(wěn)定。

（3）美國第三代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星

1994—2001年，美國發(fā)射了GOES-8～-12共5顆第三代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星。其最大的改進(jìn)是采用了三軸穩(wěn)定的衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)，使成像與垂直探測獨(dú)立同時(shí)進(jìn)行，對局部區(qū)域可以進(jìn)行高頻次監(jiān)測。

（4）美國第四代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星

當(dāng)前運(yùn)行的GOES-l3～-15為第四代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星（2006—2010年），星上有5通道成像輻射計(jì)、19通道大氣探測器、空間環(huán)境監(jiān)視器和太陽X-Ray成像儀。

美國再下一代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星的第一顆衛(wèi)星GOES-R，計(jì)劃于2016年發(fā)射。星上的主要探測器是先進(jìn)基線成像儀（ABI）、閃電成像儀（GLM）、空間環(huán)境監(jiān)測器 （SEISS）、太陽紫外成像儀（SUVI）、遠(yuǎn)紫外和X射線輻照度探測器（EXIS）以及磁力計(jì)（MAG）。其中的ABI由16個探測通道組成，包括6個可見光和近紅外通道、10個紅外通道，空間分辨率為可見光0.5km，近紅外1km，紅外2km，全圓盤圖成像時(shí)間約5min。它具有分辨率更高、通道更多和速度更快的成像能力。同時(shí)，它也將顯著地增強(qiáng)對空間環(huán)境的監(jiān)測能力。

圖1 風(fēng)云三號極軌氣象衛(wèi)星

2.2.2 歐洲靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展

歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）于1977年發(fā)射第一顆靜止氣象衛(wèi)星Meteosat-1，衛(wèi)星采用自旋穩(wěn)定的姿態(tài)控制方式，星上主要載荷為3通道可見和紅外自旋掃描輻射計(jì)（VISSR），該星發(fā)射成功后，由VISSR中的水汽通道獲取的圖像是全球第一幅水汽圖像。

（1）歐洲第一代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星

1977—2001年，歐洲氣象衛(wèi)星組織共發(fā)射和運(yùn)行了7顆與Meteosat-1同一型號的靜止氣象衛(wèi)星（包括Meteosat-1），成為歐洲的第一代星。

（2）歐洲第二代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星

第二代星由4顆衛(wèi)星組成。2002—2012年已發(fā)射3顆，命名為Meteosat-8～-10。衛(wèi)星仍然采用自旋穩(wěn)定的姿態(tài)控制方式，但掃描輻射計(jì)的通道數(shù)增加到12個，空間分辨率可見光通道1km，紅外和水汽通道3km，全圓盤觀測時(shí)間15min，數(shù)據(jù)量化等級10bit。

（3）歐洲再下一代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星

EUMETSAT計(jì)劃中的第三代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星

MTG的第一顆星將于2020年發(fā)射。衛(wèi)星將采用三軸穩(wěn)定的姿態(tài)控制方式，攜帶的新型多光譜成像儀和大氣垂直探測器將大大地增強(qiáng)其探測能力。

2.2.3 中國業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展

1986年，我國第一顆靜止氣象衛(wèi)星“風(fēng)云二號”正式列入國家計(jì)劃。第一顆衛(wèi)星于1997年6月10日在西昌衛(wèi)星發(fā)射基地發(fā)射，被命名為“FY-2A”。衛(wèi)星的主要遙感觀測儀器是多通道可見光及紅外掃描輻射儀。由于消旋天線故障，“FY-2A”衛(wèi)星沒有達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。2000年6月25日發(fā)射的“FY-2B”衛(wèi)星也未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。

（1）中國第一代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星

2004—2012年，中國共發(fā)射了4顆業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星FY-2C～-2F。與試驗(yàn)星相比，其主要發(fā)展是星上的可見光及紅外自旋掃描輻射儀的探測通道由3個增加到5個，數(shù)據(jù)量化等級增至10bit。計(jì)劃中第一代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星還有兩顆，即FY-2G和-2H。

（2）中國下一代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星

中國第二代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星FY-4計(jì)劃于2015年前后發(fā)射，它將由4顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星將采用三軸穩(wěn)定姿控方式，主要載荷為：多通道成像儀、傅里葉紅外大氣探測儀、閃電成像儀和空間天氣監(jiān)測儀器組等。其中多通道成像儀具有14個通道，波長范圍0.45～13.8μm?？梢姽鈭D像水平分辨率為0.5～1km，紅外和水汽為2km。全圓盤圖成像時(shí)間15min，區(qū)域圖3000km×3000km，3～5min，區(qū)域和時(shí)段可選。這將極大地增強(qiáng)對暴雨、強(qiáng)對流等中小尺度災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的監(jiān)測能力。

2.2.4 日本和印度業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展

日本和印度也是業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星的運(yùn)行國家，但情況相對簡單，簡要情況如下。

日本于1977年發(fā)射第一顆業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星向日葵1號（Himawari-1），定位于140?E的赤道上空。星上的主要遙感探測器是可見光及紅外自旋掃描輻射儀。1977—1995年，共發(fā)射5顆同類衛(wèi)星，對外統(tǒng)稱為GMS-1～-5。2005和2006年日本分別發(fā)射多功能衛(wèi)星（MTSAT-IR和MTSAT-2）接替GMS衛(wèi)星工作。與此前的GMS衛(wèi)星相比，除衛(wèi)星的姿態(tài)改為三軸穩(wěn)定的姿控方式外，星上的遙感探測器和衛(wèi)星的功能變化不大。日本于2014年底發(fā)射業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星向日葵8號（Himawari-8）。衛(wèi)星裝載先進(jìn)的向日葵成像儀（Advanced Himawari Imager，AHI）。AHI共有16個通道，可見光分辨率為0.5/1km，紅外分辨率為2km，成像儀正常掃描獲得全圓盤圖，時(shí)間小于10min，也可在選定的時(shí)間對特定區(qū)域進(jìn)行掃描，每2.5min獲得一幅區(qū)域圖像。衛(wèi)星的資料發(fā)送方式也會有一定的變化。

印度是較早發(fā)射和運(yùn)行靜止氣象衛(wèi)星的國家。但長時(shí)期以來都采用區(qū)域波束傳送資料，周邊國家難以共享其成果，因而對其關(guān)注度不高。第一代INSAT-1衛(wèi)星共4顆，第一顆INSAT-IA于1982年4月發(fā)射。

第二代INSAT-2衛(wèi)星共5顆，衛(wèi)星裝載了三通道VHRR成像儀，可見光通道分辨率為2km，紅外通道分辨率為8km，每30min得到一幀全圓盤圖像。第三代INSAT-3衛(wèi)星共計(jì)6顆，裝載了三通道VHRR成像儀和三通道（VIS/NIR/SWIR）CCD電荷耦合器件成像儀，分辨率為1km。

2.3 對地觀測和科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星

為了試驗(yàn)新型遙感探測器的性能，為了為重大的國際地球科學(xué)試驗(yàn)獲取信息，一些國家的空間科學(xué)技術(shù)機(jī)構(gòu)發(fā)射了許多專用的科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星和對地觀測衛(wèi)星，在國際科學(xué)活動中發(fā)揮了重要作用。其中有大家所熟知的美國國家航空航天局（NASA）的雨云衛(wèi)星計(jì)劃（Nimbus），NASA與日本空間探測局（JAXA）合作的“熱帶降水測量任務(wù)”衛(wèi)星計(jì)劃（TRMM），NASA為行星使命計(jì)劃發(fā)射的地球觀測系統(tǒng)（EOS的Terra和Aqua等衛(wèi)星），歐空局（ESA）的環(huán)境衛(wèi)星（ENVISAT），印度空間研究組織（ISRO）的海洋水色測量衛(wèi)星（OCEANSAT2）等。

為了利用多顆攜帶有不同探測器的衛(wèi)星同時(shí)對地球大氣進(jìn)行綜合觀測，以便更好地了解地球系統(tǒng)各圈層及其相互作用，NASA還組織了有明確科學(xué)目標(biāo)的“A-Train”衛(wèi)星隊(duì)列觀測計(jì)劃。這些衛(wèi)星在太陽同步軌道上運(yùn)行，過赤道的地方時(shí)大約在13:30，相差時(shí)間在幾秒到幾分鐘之內(nèi)，幾乎可認(rèn)為對同一地點(diǎn)是同時(shí)觀測。目前有6個衛(wèi)星在“A-Train”隊(duì)列中運(yùn)行，如表2所示。

2.4 空間導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用

導(dǎo)航衛(wèi)星的基本功能是定位、導(dǎo)航和授時(shí)，這些功能在軍事和民用的諸多方面均得到重要而廣泛的應(yīng)用。除此之外，它在地球科學(xué)的一些分支學(xué)科也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。如：定位在測繪科學(xué)技術(shù)和地殼形變監(jiān)測中的應(yīng)用；米級定位精度的功能在氣象探空氣球定位、跟蹤方面的應(yīng)用等。另一方面，把GNSS發(fā)射的電磁波作為雙分雷達(dá)的發(fā)射端，利用地面、飛機(jī)和低軌衛(wèi)星等平臺上安裝的高精度接收機(jī)作為接收端，通過在地面接收GNSS電磁波的直接信號，低軌

衛(wèi)星上的接收機(jī)在臨邊狀態(tài)下接收經(jīng)過大氣折射的掩星信號或經(jīng)過海面、地面散射、反射的GNSS信號，可以反演整層大氣的水汽總量，大氣溫、濕度垂直分布，海表的粗糙度、浪和風(fēng)，地表的介電常數(shù)和土壤濕度等。這些參數(shù)都是地球系統(tǒng)科學(xué)研究中必不可少的，但要在全球尺度上監(jiān)測這些大氣和地球物理參數(shù)是一件極為困難的事情。GNSS在這方面的應(yīng)用對地球系統(tǒng)科學(xué)真是雪中送炭。

在20世紀(jì)90年代利用GPS（由美國發(fā)射的GNSS衛(wèi)星系統(tǒng)中的類型之一）接收機(jī)接收的經(jīng)過與大氣相互作用的GNSS信號，獲取大氣參數(shù)的工作取得了兩大進(jìn)展。一是利用地基高精度GPS接收機(jī)信號，計(jì)算整個氣柱的水汽總量。這項(xiàng)工作已在多個國家得到推廣使用，中國也在21世紀(jì)的前10年，利用國家和地方的聯(lián)合項(xiàng)目，建成了覆蓋全國的高精度GNSS接收機(jī)網(wǎng)，具有獲取全國范圍高時(shí)間頻次大氣水汽總量分布的能力。二是利用安裝在低軌衛(wèi)星上的高精度GNSS接收機(jī)，利用它在掩星狀態(tài)下獲取的穿過大氣密度分布不均勻的GNSS信號，在掩星狀態(tài)下信號會發(fā)生折射，通過對這種電磁波彎曲率的反演，就可以得到大氣溫度、濕度的垂直分布。

由于無線電掩星探測具有不需要輻射定標(biāo)、垂直分辨率高、性能價(jià)格比高和全天候觀測等突出優(yōu)點(diǎn)，因而受到廣泛重視，得到迅速發(fā)展。國外，在20世紀(jì)90年代開始此項(xiàng)研究，并在21世紀(jì)初投入業(yè)務(wù)。2006年由美國和臺灣聯(lián)合研制與發(fā)射運(yùn)行的COSMIC計(jì)劃，獲取了大量掩星探測資料，在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中發(fā)揮了顯著作用。ECMWF的資料表明，在輸入模式的23種遙感資料中，空間導(dǎo)航衛(wèi)星—掩星探測資料的作用排在第5位（也有人說排在第2或第3位）。目前在美國和歐洲的業(yè)務(wù)極軌氣象衛(wèi)星上均有導(dǎo)航衛(wèi)星—掩星接收機(jī)。我國在21世紀(jì)前10年開始研究，并進(jìn)行了星載試驗(yàn)。2013年9月23日發(fā)射的FY-3 02批衛(wèi)星上安裝有針對GPS和中國北斗兩類導(dǎo)航衛(wèi)星的掩星接收機(jī)，進(jìn)行遙感大氣參數(shù)垂直分布的業(yè)務(wù)試驗(yàn)。初步結(jié)果表明，利用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星掩星信號反演得到的大氣溫、濕度垂直分布的精度與利用GPS衛(wèi)星掩星信號反演的精度大體相當(dāng)。差別在于GPS是全球星座由FY-3得到的掩星事件多，每天全球約有576個。目前的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星是針對我國及周邊地區(qū)的區(qū)域星座，因而獲取全球資料的能力與GPS有差距，每天全球約有184個掩星事件。

表2 A-Train隊(duì)列衛(wèi)星

2.5 全球業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星探測系統(tǒng)

全球業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星探測系統(tǒng)是在WMO協(xié)調(diào)下，在各氣象衛(wèi)星發(fā)射和運(yùn)行國家的共同努力下建成的天基探測系統(tǒng)。

圖2是目前正在運(yùn)行的全球業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星探測系統(tǒng)，由極軌和靜止兩類軌道衛(wèi)星組成。正在業(yè)務(wù)運(yùn)行的極軌氣象衛(wèi)星有美國的NOAA（即圖上的TIROS，下一步將被JPSS替代）、俄羅斯的流星系列氣象衛(wèi)星（METEOR）、中國風(fēng)云系列衛(wèi)星（FY-3），以及歐洲氣象衛(wèi)星組織的極軌氣象衛(wèi)星（Metop）。位于赤道平面上離地面35800km高度的地球靜止氣象衛(wèi)星有中國的風(fēng)云二號D和E星（105°E和86.5°E）、日本的MTSAT（140°E）、美國的地球靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星西（GOES-W，135°W）、美國的地球靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星東（GOES-E，70°W）、歐洲氣象衛(wèi)星組織的METEOSAT（0°E）以及另一顆METEOSAT

（63°E），它是歐洲氣象衛(wèi)星組織為了支持印度洋的季風(fēng)試驗(yàn)而從其備份位置移到印度洋實(shí)施觀測任務(wù)。

圖2 全球業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星探測系統(tǒng)（來自WMO，2009年）

圖2 上的業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的全球探測，其觀測資料已經(jīng)在各國的天氣分析預(yù)報(bào)、數(shù)值預(yù)報(bào)、短期氣候預(yù)測、各種大氣科學(xué)研究項(xiàng)目和世界氣象組織協(xié)調(diào)的大型科學(xué)研究計(jì)劃（如WCRP、IPCC）中發(fā)揮著重大的、基礎(chǔ)性的作用。

3 氣象衛(wèi)星的功能和作用

3.1 氣象衛(wèi)星云圖在天氣分析和預(yù)報(bào)中的作用

衛(wèi)星云圖已經(jīng)成為認(rèn)識、理解和幫助分析天氣尺度系統(tǒng)的重要輔助工具。它是海洋上監(jiān)測熱帶氣旋、確定中心位置、估計(jì)其強(qiáng)度和大風(fēng)范圍的主要手段；是監(jiān)測、分析中尺度天氣系統(tǒng)和對其制作臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警的重要工具。衛(wèi)星云圖揭示出的海上細(xì)胞狀云型的形成和演變，大陸上中尺度對流云團(tuán)的發(fā)展和演變，斜壓葉狀云型向氣旋云系的發(fā)展演變過程等觀測事實(shí)，都豐富和發(fā)展了天氣學(xué)的相關(guān)內(nèi)容[5-7]。

3.2 氣象衛(wèi)星資料對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的作用和影響

長期以來，由于衛(wèi)星反演產(chǎn)品的精度不夠高、衛(wèi)星探測方式與常規(guī)探測不同，直到20世紀(jì)80年代，氣象衛(wèi)星資料對數(shù)值預(yù)報(bào)模式的影響甚微，在一些地區(qū)甚至出現(xiàn)負(fù)效應(yīng)。1989年Eyre[8]率先提出了在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中直接同化衛(wèi)星遙感輻射率問題，使衛(wèi)星資料在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。目前，美國和ECMWF的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)中，輸入的觀測資料有85%來自衛(wèi)星的輻射測值和加工處理出來的各種要素和參數(shù)。圖3是2007年ECMWF業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式同化衛(wèi)星資料后對預(yù)報(bào)結(jié)果的影響圖。它表明，在模式中同化氣象衛(wèi)星遙感資料后，北半球的預(yù)報(bào)時(shí)效延長了3～4天，南半球延長了3天。

隨著衛(wèi)星探測得到的輻射率種類增多、精度提高，數(shù)值預(yù)報(bào)模式對初值的同化技術(shù)不斷發(fā)展，其作用將會更加顯著。

3.3 氣象衛(wèi)星資料在氣候變化監(jiān)測、預(yù)測和研究中的作用

由長時(shí)間序列衛(wèi)星遙感資料生成的多種氣象要素、參數(shù)的時(shí)間序列產(chǎn)品是氣候監(jiān)測、研究、預(yù)測的重要基礎(chǔ)信息。例如：由ISCCP項(xiàng)目得到的各種類型和不同分辨率的云參數(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于氣候監(jiān)測、短期氣候預(yù)測、氣候診斷分析研究和氣候數(shù)值模擬，以及氣候模式檢驗(yàn)等許多方面。又如：全球大氣溫度的長時(shí)間變化是一個非常重要的氣候問題，但利用常規(guī)探測又難以得到可信的結(jié)論。利用經(jīng)過重新標(biāo)定和校準(zhǔn)的NOAA衛(wèi)星長時(shí)間序列的微波探測器（MSU）資料，得到了1979—2001年時(shí)段內(nèi)對流層中部和平流層下部大氣溫度的變化趨勢。圖4[9]清楚地揭露出對流層中部溫度上升和平流層下部溫度下降這一事實(shí)。

3.4 大氣成分的衛(wèi)星遙感監(jiān)測

圖3 2007年ECMWF業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式同化衛(wèi)星資料后對預(yù)報(bào)結(jié)果的影響（a）北半球；（b）南半球

大氣成分的微小變化都會影響人類的生存環(huán)境，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測大氣成分及其變化就成為近年來對地觀測衛(wèi)星發(fā)展的前沿。20世紀(jì)末和21世紀(jì)初各國為此發(fā)射了一系列衛(wèi)星，如：1995年發(fā)射的ERS-2

上的全球臭氧監(jiān)測儀（Global Ozone Monitoring，GOME）[10]；歐洲空間局（ESA）在2002年3月1日發(fā)射的大型環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星（ENVISAT-1）上的“掃描成像吸收光譜大氣制圖儀”（SCIAMACHY）；美國國家航空航天局（NASA）于2004年7月15日發(fā)射的Aura地球觀測系統(tǒng)衛(wèi)星上攜帶的臭氧監(jiān)測儀（Ozone Monitoring Instrument，OMI）；2008年7月25日我國發(fā)射的云三號01試驗(yàn)星上搭載的大氣成分探測儀（TOU/SBUS）；2009年1月23日美國發(fā)射的溫室氣體衛(wèi)星（GOSAT）等。

利用這些衛(wèi)星遙感資料得到的大氣溫室氣體和污染氣體的分布和變化，是環(huán)境和氣候監(jiān)測的重要手段。

3.5 環(huán)境和自然災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

監(jiān)測地球系統(tǒng)五大圈層的現(xiàn)狀和演變是對地觀測衛(wèi)星的職能。過去30多年，已經(jīng)生成了大量由AVHRR加工處理得到的日、候、旬、月平均的SST資料，及其多年平均值和距平。這些資料在El Ni?o等與海洋活動密切相關(guān)的重大氣候事件的監(jiān)測中發(fā)揮了很好的作用，并投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。由AVHRR資料加工處理得到的NDVI是監(jiān)測地球表面植被生長狀況和進(jìn)行作物估產(chǎn)的有效手段。已經(jīng)積累起來的幾十年NDVI數(shù)據(jù)是監(jiān)測全球生物生長狀況，及其季節(jié)變化和年際變化的基本依據(jù)。從氣象衛(wèi)星上天開始，就利用光導(dǎo)攝像云圖監(jiān)測地表積雪和海冰。隨著業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的連續(xù)觀測和衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，不僅積累了長時(shí)間序列的全球積雪覆蓋和海冰資料，了解積雪和海冰的季節(jié)變化和年變化，還能監(jiān)測新雪和舊雪、一年冰和多年冰，以及雪深和雪水當(dāng)量。

氣象衛(wèi)星在高溫?zé)嵩?、城市熱島和大范圍森林火災(zāi)監(jiān)測方面的應(yīng)用已廣為人知。把氣象衛(wèi)星降水估計(jì)與衛(wèi)星對洪澇的監(jiān)測結(jié)合起來，已經(jīng)在抗洪搶險(xiǎn)中發(fā)揮了很好的作用。衛(wèi)星對沙塵暴和氣溶膠的監(jiān)測也是近年來業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)的內(nèi)容之一。

圖4 由三個小組處理的MSU數(shù)據(jù)估計(jì)得到的1979—2001年全球高空大氣溫度變化趨勢（a）對流層中層，（b）平流層低層

4 氣象衛(wèi)星發(fā)展變化的啟示和討論

（1）氣象衛(wèi)星從誕生到現(xiàn)在歷經(jīng)了53年，以美國為代表的極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星已進(jìn)入第五代，靜止氣象衛(wèi)星也已進(jìn)入第四代，大約每10年就進(jìn)行一次更新?lián)Q代。其他國家的情況大體相當(dāng)。氣象衛(wèi)星經(jīng)過這么多年的發(fā)展，目前通過星上遙感探測器波段、探測通道、極化、掃描方式和主、被動遙感等方式的選擇和衛(wèi)星姿態(tài)與軌道等的選擇，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對地球大氣氣象要素的三維探測，大氣成分探測，大氣中云和氣溶膠物理特性探測。對地球系統(tǒng)其余四大圈層的物理、化學(xué)特性也具有相當(dāng)?shù)奶綔y能力。衛(wèi)星遙感器性能大幅度提高，探測資料的種類和精度更加適合氣象業(yè)務(wù)的需求。衛(wèi)星的壽命不斷增加，使更新?lián)Q代的時(shí)間間隔也相應(yīng)延長。保證氣象業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星和滿足各種氣象科學(xué)試驗(yàn)、科學(xué)研究的試驗(yàn)氣象衛(wèi)星并行發(fā)展的勢頭方興未艾。因此，氣象衛(wèi)星正在成為地球大氣探測系統(tǒng)諸多技術(shù)、設(shè)備和手段的核心，它在地球系統(tǒng)科學(xué)中的作用和地位將愈來愈重要和顯著。

（2）氣象衛(wèi)星發(fā)展的特點(diǎn)是以正確的科學(xué)思想（即以在空間的人造地球衛(wèi)星作為觀測平臺，對地球大氣進(jìn)行遙感探測的可行性）為指導(dǎo)，以學(xué)科（大氣科學(xué)、地球系統(tǒng)科學(xué)）發(fā)展和社會、經(jīng)濟(jì)需求為牽引，在高新技術(shù)（空間技術(shù)、遙感技術(shù)、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)）的支撐下發(fā)展起來的。

（3）為什么氣象衛(wèi)星發(fā)展如此之快？大氣科學(xué)、地球系統(tǒng)科學(xué)和氣象業(yè)務(wù)與服務(wù)對氣象衛(wèi)星有巨大的需求；氣象衛(wèi)星的強(qiáng)大探測能力和表現(xiàn)出來的勃勃生機(jī)，使它有能力完成現(xiàn)代大氣科學(xué)和地球系統(tǒng)科學(xué)所賦予它的探測任務(wù)；飛速發(fā)展的空間技術(shù)、遙感技術(shù)和通信計(jì)算機(jī)技術(shù)為氣象衛(wèi)星的更新?lián)Q代提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐；國家的財(cái)力是它能否立項(xiàng)和得到持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。所以，它是需求、能力、技術(shù)水平和財(cái)力之間的平衡和取舍的結(jié)果。

（4）研制、發(fā)射和運(yùn)行兩類不同軌道的業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星序列是一項(xiàng)耗資巨大的事業(yè)，如何充分論證其需求，如何處理好氣象衛(wèi)星與其他對地觀測衛(wèi)星的關(guān)系，切實(shí)做到避免重復(fù)、資源共享。切不要環(huán)境、減災(zāi)、資源、海洋和氣象等衛(wèi)星序列滿天飛。在國外，氣象衛(wèi)星就是環(huán)境衛(wèi)星。如：美國，在ESSA、GOES、NPOESS等氣象衛(wèi)星的命名中均有“環(huán)境”（Environment）一詞包含其中。

（5）大氣科學(xué)、地球系統(tǒng)科學(xué)均有許多未知的領(lǐng)域需要探索。氣象衛(wèi)星本身在發(fā)展成熟進(jìn)入業(yè)務(wù)階段之前，也有一些空間技術(shù)、遙感技術(shù)，甚至一些通信和信息儲存技術(shù)也需要在衛(wèi)星上試驗(yàn)。因此，采用業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星和試驗(yàn)氣象衛(wèi)星同時(shí)發(fā)展；多功能的綜合型大衛(wèi)星和探測功能的任務(wù)相對單一的小衛(wèi)星同時(shí)發(fā)展的策略是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

（6）研制、發(fā)射和運(yùn)行氣象衛(wèi)星必須走“獨(dú)立自主、自力更生”的道路。發(fā)展氣象衛(wèi)星所需要的高新技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)是買不來的。

[1]Rao P K, Holmes S J, Anderson R K, et al. Weather Satellites: Systems, Data, and Environmental Applications. Boston: Amer Meteor Soc, 1990.

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[10]European Space Agency. GOME Global Ozone Measuring Experiment Users Manual. ESA SP-1182. Noordwijk: ESA/ ESTEC, 1995.

The Evolution of Meteorological Satellites and the Insight from It

Fang Zongyi
(National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081)

This paper brief l y recollects the meteorological satellites at home and abroad, especially their development cause as well as renovative and generation replacement changes of the operational meteorological satellites. It gives an elementary introduction to their function, role and position in atmospheric sciences and systematic sciences concerning the earth. Furthermore, proceeding from such a basis, the paper probes into the revelation derived from the fact that operational meteorological satellites have made rapid progress in the past 50 years or more.

operational meteorological satellite, rapid progress, function and role, revelation

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.06.003

2013年8月2日；

2013年12月18日

方宗義（1938—），Email: fangzy@cma.gov.cn