晨昏軌道衛(wèi)星的氣象應(yīng)用需求分析

張鵬 楊磊 谷松巖 胡秀清 吳曉京 吳榮華 畢研盟 劉誠(chéng)（國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，中國(guó)氣象局，北京 100081）

晨昏軌道衛(wèi)星的氣象應(yīng)用需求分析

張鵬 楊磊 谷松巖 胡秀清 吳曉京 吳榮華 畢研盟 劉誠(chéng)
（國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，中國(guó)氣象局，北京 100081）

晨昏衛(wèi)星（晨昏軌道極軌氣象衛(wèi)星，也簡(jiǎn)稱晨昏軌道衛(wèi)星）是指太陽(yáng)同步近極地軌道衛(wèi)星中軌道降交點(diǎn)地方時(shí)間（Equator Cross Time, ETC）在6∶00左右的衛(wèi)星，觀測(cè)地方時(shí)間總在凌晨和傍晚。在介紹晨昏衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，分析了晨昏衛(wèi)星的平臺(tái)特征、觀測(cè)特點(diǎn)和潛在應(yīng)用。對(duì)軌道模擬仿真和多國(guó)觀測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)（observing system experiments，OSE）的分析表明：晨昏衛(wèi)星同上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星共同構(gòu)成極軌氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)觀測(cè)系統(tǒng)，可以每6h提供一次無(wú)縫隙的全球大氣探測(cè)資料，改進(jìn)NWP的初始場(chǎng)，對(duì)南北半球預(yù)報(bào)和行星尺度的區(qū)域預(yù)報(bào)均有積極的貢獻(xiàn)。利用FY-1D衛(wèi)星觀測(cè)資料的分析表明：晨昏衛(wèi)星對(duì)氣候和環(huán)境監(jiān)測(cè)也具有獨(dú)特的作用。根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)云氣象衛(wèi)星的發(fā)展規(guī)劃，還討論了發(fā)展晨昏衛(wèi)星的可能途徑。

晨昏衛(wèi)星，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，氣候監(jiān)測(cè)，環(huán)境監(jiān)測(cè)

0　引言

極軌氣象衛(wèi)星是全球氣象觀測(cè)體系的重要組成部分，它提供多光譜譜段、多探測(cè)通道的全球觀測(cè)資料，用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（Numerical Weather Prediction, NWP）、全球氣候要素和環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)[1]。

根據(jù)觀測(cè)地方時(shí)間，極軌氣象衛(wèi)星主要有上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星兩種類型。上午衛(wèi)星的軌道降交點(diǎn)地方時(shí)間（Equator Cross Time, ETC）在10:00左右，觀測(cè)地方時(shí)間白天在上午、夜間在前半夜；下午衛(wèi)星的軌道升交點(diǎn)地方時(shí)間在14:00左右，觀測(cè)地方時(shí)間白天在下午、夜間在后半夜。目前，氣象業(yè)務(wù)中常用的上午衛(wèi)星主要有我國(guó)的FY-3A衛(wèi)星、歐洲氣象衛(wèi)星組織（European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites，EUMETSAT）的Metop-A和Metop-B衛(wèi)星，下午衛(wèi)星主要有我國(guó)的FY-3B衛(wèi)星、美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的NOAA-15至NOAA-19衛(wèi)星和新一代極軌環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)先導(dǎo)計(jì)劃 （National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project，NPP）中的Suomi NPP衛(wèi)星[2]。此外，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的科學(xué)研究衛(wèi)星EOS系列中的上午衛(wèi)星Terra、下午衛(wèi)星Aqua、Aura、P

ARASOL、CloudSat和CALIPSO等以其先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)、穩(wěn)定的觀測(cè)質(zhì)量和優(yōu)異的測(cè)量精度，在氣象業(yè)務(wù)中也被廣泛使用[3]。

極軌氣象衛(wèi)星的首要任務(wù)是為NWP提供滿足時(shí)間和空間要求的全球觀測(cè)資料，改善初始場(chǎng)，提高NWP的預(yù)報(bào)時(shí)效和精度。目前，歐洲和美國(guó)業(yè)務(wù)極軌氣象衛(wèi)星采用歐洲Metop衛(wèi)星負(fù)責(zé)上午軌道，美國(guó)NOAA和Suomi NPP衛(wèi)星負(fù)責(zé)下午軌道，雙邊全球資料業(yè)務(wù)交換和共享的協(xié)作組網(wǎng)觀測(cè)模式。我國(guó)的FY-3A衛(wèi)星軌道接近歐洲的Metop衛(wèi)星，F(xiàn)Y-3B衛(wèi)星軌道接近美國(guó)的Suomi NPP衛(wèi)星。上述衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間要么集中在10:00左右，要么集中在14:00左右，從NWP同化要求來(lái)看，每6h觀測(cè)同化時(shí)間窗內(nèi)全球總有2～3條軌道的衛(wèi)星觀測(cè)空白區(qū)，無(wú)法提供全球覆蓋的初始觀測(cè)[4-5]。為了滿足NWP觀測(cè)需求，世界氣象組織（WMO）在《2025年全球觀測(cè)系統(tǒng)展望》報(bào)告中提出了建立上午、下午和晨昏軌道三顆衛(wèi)星組網(wǎng)觀測(cè)的概念[6]。

在介紹晨昏衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，本文分析了晨昏軌道衛(wèi)星的平臺(tái)特征和觀測(cè)特點(diǎn)。利用軌道仿真模擬、國(guó)外觀測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)（observing system experiments, OSE）和FY-1D的實(shí)際觀測(cè)資料，本文討論了晨昏衛(wèi)星對(duì)NWP的影響及對(duì)氣候和環(huán)境監(jiān)測(cè)的獨(dú)特作用。最后，根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)云氣象衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃，分析了研發(fā)風(fēng)云晨昏衛(wèi)星的可能性。

1　晨昏衛(wèi)星介紹

晨昏軌道極軌氣象衛(wèi)星，簡(jiǎn)稱晨昏軌道衛(wèi)星或者晨昏衛(wèi)星，是指軌道降交點(diǎn)地方時(shí)間在06:00左右的衛(wèi)星，觀測(cè)地方時(shí)間總在凌晨和傍晚（圖1）。相比上午軌道和下午軌道，晨昏軌道衛(wèi)星的觀測(cè)視場(chǎng)幾何條件、太陽(yáng)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的光照特點(diǎn)不同，因此需要對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)、遙感儀器配置和遙感儀器具體技術(shù)指標(biāo)開展針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

1.1太陽(yáng)對(duì)晨昏衛(wèi)星平臺(tái)的光照特點(diǎn)

晨昏衛(wèi)星沿觀測(cè)地方的晨昏圈運(yùn)行（圖1），衛(wèi)星始終受到太陽(yáng)光的照射并在衛(wèi)星平臺(tái)上形成穩(wěn)定的明暗邊界，衛(wèi)星一側(cè)始終背陽(yáng)，另一側(cè)始終向陽(yáng)，兩側(cè)溫度差異大，造成星上溫度梯度大。為了保障星上遙感儀器的工作狀態(tài)和工作壽命，需要對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行針對(duì)性的熱補(bǔ)償和熱平衡設(shè)計(jì)，消除溫度梯度的影響。此外，還需要對(duì)星上遙感儀器進(jìn)行嚴(yán)格的遮光設(shè)計(jì)，避免觀測(cè)信號(hào)受到太陽(yáng)雜散光的影響，同時(shí)為星上定標(biāo)系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的工作環(huán)境。

晨昏衛(wèi)星軌道平面法線總是指向太陽(yáng)方向，衛(wèi)星太陽(yáng)能帆板電池陣可以固定安裝，其擾動(dòng)性對(duì)星體的影響較小，利于側(cè)擺機(jī)動(dòng)控制和快速穩(wěn)定。此外，太陽(yáng)能帆板電池陣始終朝向太陽(yáng)，衛(wèi)星可以持續(xù)獲得能源補(bǔ)充。相對(duì)上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星，晨昏衛(wèi)星平臺(tái)可以提供更為充足的能源，有利于平臺(tái)上配置大功耗的主動(dòng)和被動(dòng)遙感儀器，如SAR、散射計(jì)和降水雷達(dá)等。

1.2晨昏衛(wèi)星的觀測(cè)視場(chǎng)幾何條件

晨昏衛(wèi)星觀測(cè)地方時(shí)間總在凌晨和傍晚，對(duì)地觀測(cè)時(shí)太陽(yáng)高度角較小。圖2是降交點(diǎn)地方時(shí)06:00，高度830km的太陽(yáng)同步軌道在2012年春分、夏至、秋分和冬至四天的第一條軌道數(shù)據(jù)及星下點(diǎn)太陽(yáng)高度角分布情況。如圖2所示，軌道約有半數(shù)區(qū)域太陽(yáng)高度角為負(fù)，表明晨昏衛(wèi)星觀測(cè)區(qū)域處于夜間，這些區(qū)域不能獲取傳統(tǒng)的可見(jiàn)光圖像。在夏季半球（夏至的北半球、冬至的南半球）的高緯區(qū)域，太陽(yáng)高度角為正，其中，北半球高度角最大值出現(xiàn)在夏至這天，達(dá)到32°，地點(diǎn)在軌道最南端附近；南半球高度角最大值出現(xiàn)在冬至這天，達(dá)到15°，地點(diǎn)在軌道最北端附近。對(duì)于太陽(yáng)高度角為正的區(qū)域，可以獲取可見(jiàn)光圖像，但相對(duì)于上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星，太陽(yáng)高度角依然較低，斜長(zhǎng)的大氣路徑衰減了太陽(yáng)入射能量，光照條件不好。對(duì)于利用反射太陽(yáng)波段能量開展定量遙感的算法要求較高的太陽(yáng)高度角，因此很難利用傳統(tǒng)的反演算法定量處理晨昏衛(wèi)星的可見(jiàn)光觀測(cè)資料。

衛(wèi)星紅外和微波大氣探測(cè)，例如風(fēng)云三號(hào)（FY-3）的紅外分光計(jì)（InfraRed Atmospheric Sounder, IRAS）、微波溫度計(jì)（MicroWave Temperature Sounder, MWTS）和微波濕度計(jì)（MicroWave Humidity Sounder, MWHS），利用地球發(fā)射的紅外和微波輻射反演大氣的溫度和濕度廓線[7]。紅外和微波觀測(cè)不受太陽(yáng)光照條件的影響，因此晨昏衛(wèi)星裝載的氣象遙感儀器首選紅外和微波大氣探測(cè)類儀器、主動(dòng)遙感儀器，其次是具有微光夜視功能的可見(jiàn)光成像儀器。

2　晨昏衛(wèi)星的應(yīng)用需求分析

2.1三星組網(wǎng)在6h同化窗內(nèi)的全球資料覆蓋度分析

圖3a～3e分別給出了上午衛(wèi)星、下午衛(wèi)星、晨昏衛(wèi)星、上午和下午衛(wèi)星雙星組網(wǎng)、三星組網(wǎng)觀測(cè)后，極軌氣象衛(wèi)星在6h同化窗內(nèi)觀測(cè)資料的全球覆蓋度。單星6h可以觀測(cè)全球45%左右的區(qū)域，雙星6h可以觀測(cè)全球85%左右的區(qū)域，三星6h可以觀測(cè)全球的全部區(qū)域。對(duì)比圖3d和3e可以看到，晨昏衛(wèi)星觀測(cè)主要補(bǔ)充了太平洋和大西洋上空的觀測(cè)資料，海洋上空是常規(guī)氣象觀測(cè)缺乏的區(qū)域，這些觀測(cè)資料的補(bǔ)充對(duì)改進(jìn)和提高NWP的預(yù)報(bào)精度和預(yù)報(bào)時(shí)效將產(chǎn)生積極的影響。

2.2三星組網(wǎng)對(duì)NWP預(yù)報(bào)的影響

英國(guó)氣象局Eyre等[8]系統(tǒng)地回顧了已有的OSE和觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)（Observing System Simulation Experiments, OSSE），指出晨昏衛(wèi)星觀測(cè)有效補(bǔ)充了上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星在NWP每6h同化窗內(nèi)衛(wèi)星觀測(cè)資料的空白，對(duì)南北半球預(yù)報(bào)和行星尺度的區(qū)域預(yù)報(bào)均有積極的貢獻(xiàn)。Eyre等[8]使用了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的Jean-Noel Thepaut和Graeme Kelly利用美國(guó)NOAA系列的NOAA-15（07:30 am）、NOAA-16 （13:30 pm）和NOAA-17（10:00 am）三星組網(wǎng)觀測(cè)資料對(duì)NWP預(yù)報(bào)的影響評(píng)估結(jié)果（圖4），試驗(yàn)中，控制試驗(yàn)使用了NOAA-15和NOAA-16兩顆衛(wèi)星的資料，影響試驗(yàn)使用了NOAA-15、NOAA-16和NOAA-17三顆衛(wèi)星的資料。同雙星觀測(cè)資料的預(yù)報(bào)相比，對(duì)南、北半球預(yù)報(bào)，三星組網(wǎng)的觀測(cè)資料對(duì)7d的預(yù)報(bào)（圖4a和4b）有不同程度的改進(jìn)，其中北半球的改進(jìn)程度更為明顯；對(duì)歐洲和北美洲的區(qū)域預(yù)報(bào)，三星組網(wǎng)觀測(cè)資料對(duì)歐洲4d之內(nèi)的預(yù)報(bào)有所改進(jìn)，對(duì)北美洲7d之內(nèi)的預(yù)報(bào)有大幅提升。對(duì)區(qū)域預(yù)報(bào)改進(jìn)的程度主要與資料同化時(shí)間窗內(nèi)觀測(cè)資料的補(bǔ)充區(qū)域和資料質(zhì)量有關(guān)，我國(guó)的天氣系統(tǒng)受印度洋、太平洋上空大氣環(huán)流的影響，同北美洲的天氣預(yù)報(bào)有類似可比之處，因此可以估計(jì)，晨昏衛(wèi)星的資料對(duì)包括中國(guó)在內(nèi)的東亞地區(qū)天氣預(yù)報(bào)會(huì)有較大的提升和改進(jìn)。

2.3晨昏衛(wèi)星的光學(xué)圖像應(yīng)用分析

受凌晨、傍晚光照條件差的影響，晨昏衛(wèi)星的光學(xué)圖像應(yīng)用能力受到限制。盡管如此，高緯度地區(qū)在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下仍然具有一定的光學(xué)成像能力。同上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星相比，晨昏衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)太陽(yáng)高度角低，地形和云頂高度的幾何特征更為明顯，利用晨昏衛(wèi)星光學(xué)圖像的這種特征可以在晨霧、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流的監(jiān)測(cè)和分析中開展獨(dú)特的應(yīng)用。

FY-1D是第一代風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星的最后一顆衛(wèi)星，成功發(fā)射于2002年，隨著衛(wèi)星軌道的飄移，目前的軌道降交點(diǎn)地方時(shí)在5:30左右，盡管受到壽命期內(nèi)儀器性能衰減的影響，其觀測(cè)數(shù)據(jù)仍可較好地展示晨昏衛(wèi)星光學(xué)圖像的一些獨(dú)特應(yīng)用。

圖5是利用FY-1D（晨昏衛(wèi)星）、FY-3A（上午衛(wèi)星）和FY-3B（下午衛(wèi)星）的掃描輻射計(jì)（Visible and Infrared Radiometer, VIRR ）制作的高緯度春季的三通道彩色合成圖，其中紅通道利用通道6（短波紅外1.6μm）、綠通道利用通道2（近紅外）、藍(lán)通道利用通道1（可見(jiàn)光）的數(shù)據(jù)。RGB彩色合成圖中，白色為水云、青灰色為積雪或者冰晶云、綠色為植被，三張RGB彩色合成圖均能提供水云、冰云/積雪、植被的信息。對(duì)比上午圖像5b和下午圖像5c，從圖5a中可以看到云在地球表面投射形成的暗長(zhǎng)陰影區(qū)，利用云的投射陰影可以推導(dǎo)獲得云頂高度。根據(jù)云高信息，可以識(shí)別光學(xué)圖像中的對(duì)流云團(tuán)和對(duì)流活躍區(qū)域，為天氣分析提供參考信息。

由于大霧天氣易出現(xiàn)于凌晨，晨昏軌道衛(wèi)星適合對(duì)大霧等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)。圖6是FY-1D和FY-3A掃描輻射計(jì)VIRR監(jiān)測(cè)的黑龍江北部霧區(qū)效果圖，F(xiàn)Y-1D圖像（圖6a）中大片的灰白色區(qū)域是夜間長(zhǎng)波輻射冷卻作用在地表生成穩(wěn)定逆溫層中所形成的霧，圖中的霧有清晰的地表特征結(jié)構(gòu)，靠近地表水體處，有與地形等高線匹配的枝杈狀結(jié)構(gòu)；FY-3A圖像（圖6b）反映出，10:00以后，由于太陽(yáng)升起地面逆溫層被破壞，霧逐漸消散。所以，晨昏衛(wèi)星能夠有效觀測(cè)到每日凌晨開始形成并于清晨達(dá)到最強(qiáng)狀態(tài)的霧現(xiàn)象。

2.4晨昏衛(wèi)星觀測(cè)的其他可能應(yīng)用

很多國(guó)家和地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)會(huì)在每天上班的開始時(shí)刻進(jìn)行例行的天氣簡(jiǎn)報(bào)，一般是在08:00地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)。晨昏衛(wèi)星觀測(cè)可以使會(huì)商人員拿到時(shí)次最接近、資料最新的衛(wèi)星圖像和產(chǎn)品，對(duì)預(yù)報(bào)員的天氣預(yù)報(bào)提供有益的信息。

對(duì)氣候研究而言，地表溫度、大氣溫度、大氣濕度和降水等要素的日變化完整樣本非常重要。晨昏軌道衛(wèi)星將補(bǔ)充現(xiàn)有的上午和下午軌道系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)全球大部分地區(qū)在紅外和微波波段的每天六次測(cè)量，三星組網(wǎng)后可以顯著提升極軌氣象衛(wèi)星的氣候監(jiān)測(cè)能力。

在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面，由于晨昏衛(wèi)星的太陽(yáng)仰角較低，因此不適宜開展紫外遙感觀測(cè)。但晨昏衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)段，地表溫度和大氣邊界層溫度差異最大，有助于利用紅外發(fā)射原理開展對(duì)大氣中的CO和O3等痕量氣體的遙感觀測(cè)。此外，清晨時(shí)一般云量較少，絕對(duì)濕度較低，這也有利于空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。其他的一些應(yīng)用，可以參見(jiàn)WMO專門為晨昏衛(wèi)星觀測(cè)組織的專家論證報(bào)告[9]。

3　發(fā)展風(fēng)云極軌晨昏衛(wèi)星的可行性

我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星FY-3A和FY-3B已分別于2008年5月和2010年11月成功發(fā)射，在遙感能力上實(shí)現(xiàn)了從單一遙感成像到地球環(huán)境綜合探測(cè)、從光學(xué)遙感到微波遙感、從千米級(jí)分辨率到百米級(jí)分辨率，以及從國(guó)內(nèi)接收到極地接收的四大技術(shù)突破，完成了我國(guó)極軌氣象衛(wèi)星的升級(jí)換代和組網(wǎng)觀測(cè)，并在全球觀測(cè)體系中發(fā)揮著日益重要的作用[10-12]。

FY-3衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量已經(jīng)經(jīng)過(guò)歐美數(shù)值模式檢驗(yàn)并公認(rèn)具有穩(wěn)定優(yōu)良的衛(wèi)星資料質(zhì)量[13-14]，但是由于FY-3A和FY-3B衛(wèi)星同歐洲的Metop衛(wèi)星、美國(guó)的NPP衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間和區(qū)域重復(fù)，在歐美的全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中僅作為業(yè)務(wù)同化資料的備份。與國(guó)外同期衛(wèi)星Metop和NPP相比，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星的全球觀測(cè)資料價(jià)值沒(méi)有得到充分的體現(xiàn)，業(yè)務(wù)地位有必要進(jìn)一步提升。

表1　2011—2020年我國(guó)氣象衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃

在2011—2020年我國(guó)風(fēng)云氣象衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃中[15]，還將發(fā)射五顆FY-3衛(wèi)星，如表1所示。原有規(guī)劃中，F(xiàn)Y-3后續(xù)衛(wèi)星為上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星交替配置，沒(méi)有考慮晨昏衛(wèi)星的設(shè)計(jì)。如需發(fā)展風(fēng)云極軌晨昏衛(wèi)星，需要對(duì)原有的衛(wèi)星規(guī)劃進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)也需對(duì)原有衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)和星上遙感儀器配置進(jìn)行技術(shù)調(diào)整?？紤]到衛(wèi)星的工業(yè)研發(fā)周期，將原定2016年發(fā)射的風(fēng)三上午衛(wèi)星調(diào)整為風(fēng)三晨昏衛(wèi)星，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，工程可實(shí)現(xiàn)性高。

4　結(jié)論

晨昏衛(wèi)星觀測(cè)有效補(bǔ)充了6h同化窗內(nèi)衛(wèi)星觀測(cè)資料的空白，對(duì)南北半球預(yù)報(bào)和行星尺度的區(qū)域預(yù)報(bào)有積極的貢獻(xiàn)。晨昏衛(wèi)星彌補(bǔ)了全球觀測(cè)資料的不足，上午衛(wèi)星（10:00左右）、下午衛(wèi)星（14: 00左右）、晨昏衛(wèi)星三星組網(wǎng)觀測(cè)可以使6h同化窗內(nèi)衛(wèi)星資料100%全球覆蓋，對(duì)4～7d 500hPa位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)半球尺度（北半球）提高2%～3%，區(qū)域尺度（北美洲）提高2%～10%。此外，晨昏衛(wèi)星觀測(cè)將完善極軌氣象衛(wèi)星觀測(cè)體系，對(duì)天氣會(huì)商、氣候監(jiān)測(cè)、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、太陽(yáng)常數(shù)和空間天氣監(jiān)測(cè)等均具有積極的作用。

如果在我國(guó)FY-3后續(xù)衛(wèi)星中發(fā)展晨昏衛(wèi)星，將完善和豐富我國(guó)現(xiàn)有的現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)觀測(cè)體系，并使FY-3極軌衛(wèi)星資料具有自己的特色，在業(yè)務(wù)上形成同歐美衛(wèi)星的等價(jià)互補(bǔ)之勢(shì)。如果將2016年發(fā)射的上午衛(wèi)星FY-3E調(diào)整至晨昏軌道，可能面臨沒(méi)有上午衛(wèi)星觀測(cè)資料的風(fēng)險(xiǎn)，特別影響了原有上午衛(wèi)星的紫外觀測(cè)和光學(xué)成像能力。但權(quán)衡利弊，晨昏衛(wèi)星的應(yīng)用效益和國(guó)際影響大于技術(shù)改動(dòng)引起的風(fēng)險(xiǎn)。

將預(yù)計(jì)2016年發(fā)射的上午衛(wèi)星FY-3E調(diào)整至晨昏軌道，并對(duì)部分有效載荷進(jìn)行技術(shù)調(diào)整，研制風(fēng)險(xiǎn)小，工程可實(shí)現(xiàn)性高。考慮到衛(wèi)星的研制周期，需要及早推動(dòng)和開展風(fēng)云衛(wèi)星規(guī)劃調(diào)整、極軌晨昏軌道衛(wèi)星立項(xiàng)論證和研制工作。

[1]Rao P K, Holmes S J, Anderson P K, et al. 氣象衛(wèi)星——系統(tǒng)、資料及其在環(huán)境中的應(yīng)用. 許健民, 方宗義, 徐建平, 等譯. 北京: 氣象出版社, 1994.

[2]國(guó)家衛(wèi)星氣象中心. 風(fēng)云衛(wèi)星發(fā)展研究年度報(bào)告. 北京: 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心, 2013.

[3]劉玉潔, 楊忠東. MODIS遙感信息處理原理與算法. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

[4]Eyre J R, English S J. Impact studies with satellite data at the Met Office. Proceedings of 4th WMO Workshop on “The impact of various observing systems on NWP”. Geneva: WMO, 2008. http://www.wmo.int/pages/prog/www/OSY/Reports/NWP-4_ Geneva2008_index.html.

[5]Di Tomasi E, Bormann N. Assimilation of ATOVS radiances at ECMWF: EUMETSAT/ECMWF Fellowship Progress Report No.22. Darmstadt: EUMETSAT, 2011.

[6]WMO. The Vision for the GOS in 2025. Geneva: WMO, 2009. http://www.wmo.int /pages/prog/www/OSY/gos-vision.html.

[7]董超華, 李俊, 張鵬. 衛(wèi)星高光譜紅外大氣遙感原理和應(yīng)用. 北京:科學(xué)出版社, 2013.

[8]Eyre J R. Status and results of OSEs: Observing system experiments on the impact of AMSU data from 3 satellites. Geneva: WMO, 2003. https://www.wmo.int/pages/ prog/www/OSY/Meetings/...6/ Doc6-1.doc.

[9]WMO. Assessment of the benefits of a satellite mission in an early morning orbit. Geneva: WMO, 2003. http://www.wmo.int/pages/ prog/sat/documents/CGMS_ LEO- TigerTeam-Final-Report-April-2013.pdf.

[10]楊軍. 我國(guó)“風(fēng)云”氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用的回顧與展望. 航天器工程, 2008, 17(3): 23-28.

[11]楊軍, 董超華. 新一代風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)產(chǎn)品及應(yīng)用. 北京:科學(xué)出版社, 2011.

[12]Yang J, Zhang P, Lu N M, et al. Improvements on global meteorological observations from the current Fengyun 3 satellites and beyond. International Journal of Digital Earth, 2012, 5(3): 251-265.

[13]陸其峰. 風(fēng)云三號(hào) A 星大氣探測(cè)資料數(shù)據(jù)在歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的初步評(píng)價(jià)與同化研究. 中國(guó)科學(xué)（D輯：地球科學(xué)）, 2011, 41(7): 890-894.

[14]Zou, X L, Wang X, Weng F Z, et al. Assessments of Chinese Fengyun Microwave Temperature Sounder (MWTS) Measurements for Weather and Climate Applications. J Atmos Oceanic Technol, 2011, 28, 1206-1227.

[15]國(guó)家衛(wèi)星氣象中心. 2011—2020年我國(guó)氣象衛(wèi)星及應(yīng)用發(fā)展規(guī)劃. 北京: 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心, 2010.

Meteorological Requirements for the Early-Morning-Orbit Satellite

Zhang Peng, Yang Lei, Gu Songyan, Hu Xiuqing, Wu Xiaojing, Wu Ronghua, Bi Yanmeng, Liu Cheng
(National Satellite Meteorological Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081)

The early-morning-orbit satellite is one of the polar orbiting satellites whose local time of the descending node is around 6:00 A.M. The observing time is close to dawn and dusk. After the conceptual introduction, this paper analysed the characteristics of the satellite platform, the observing geometrical conditions of the early-morning-orbit satellite, and its potential applications as well. The results from the orbit simulation and the observing system experiments (OSE) indicate that the early-morning-orbit satellite together with the morning-orbit satellite and the afternoon-orbit satellite can provide the initial meteorological field for the numerical weather prediction (NWP) model without any blank left on the global scale every 6 hours so that the forecast period and the forecast accuracy can be improved for both the hemispheric and the regional scales. The images from FY-1D also show unique applications of the early-morning-orbit satellite on the climate and environmental monitoring. According the existing Fengyun satellite programme, the paper discussed the possible way of developing Chinese Fengyun early-morning-orbit satellite.

early-morning-orbit satellite, numerical weather prediction(NWP), climate monitoring, environmental monitoring

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.02.001

2013年8月28日；

2013年12月13日

張鵬（1970—），Email:zhangp@cma.gov.cn

資助信息：公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)“風(fēng)云三號(hào)晨昏軌道衛(wèi)星資料處理和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究”；風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)工程