全球氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星發(fā)展動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)述

● 文|1.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院2.中國(guó)氣象局發(fā)展研究中心 王喆 周勇

氣象衛(wèi)星是人類進(jìn)行氣象監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)，以及大氣和海洋科學(xué)研究的重要工具，是對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，也是世界上應(yīng)用最廣的衛(wèi)星種類之一。氣象衛(wèi)星根據(jù)其運(yùn)行軌道的不同，一般分為極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星兩大類，兩種衛(wèi)星各有特點(diǎn)，業(yè)務(wù)應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同組成了當(dāng)今氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星的觀測(cè)格局。隨著空間技術(shù)、遙感技術(shù)、大氣科學(xué)以及氣象業(yè)務(wù)能力的快速發(fā)展，氣象衛(wèi)星也經(jīng)歷著快速的發(fā)展與革新。本文簡(jiǎn)要梳理了全球氣象衛(wèi)星目前的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

一、美國(guó)氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星發(fā)展動(dòng)態(tài)

美國(guó)是世界上第一個(gè)擁有氣象衛(wèi)星的國(guó)家。到目前為止，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）通過其所屬的國(guó)家環(huán)境衛(wèi)星、數(shù)據(jù)和信息局（NESDIS）運(yùn)行管理著聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)（JPSS）系列極軌氣象衛(wèi)星和地球靜止軌道環(huán)境衛(wèi)星（GOES）-R系列靜止氣象衛(wèi)星兩大系列氣象衛(wèi)星。

1.JPSS系列極軌氣象衛(wèi)星

JPSS系列包括4顆極軌氣象衛(wèi)星?，F(xiàn)役的JPSS-1衛(wèi)星于2017年11月18日發(fā)射升空，之后被更名為NOAA-20。NOAA-20衛(wèi)星裝備有微波探測(cè)儀（ATMS）、可見光紅外成像輻射儀套件（VIIRS）、交叉跟蹤紅外探測(cè)器（CrIS）、臭氧監(jiān)測(cè)和廓線探測(cè)套件（OMPS）以及云和地球輻射能量探測(cè)儀（CERES）等，其觀測(cè)能力比上一代NOAA系列衛(wèi)星有了顯著提升(見圖1)。

圖1 NOAA-20極軌氣象衛(wèi)星圖像

圖1（a）為NOAA-20發(fā)回的第一批ATMS科學(xué)數(shù)據(jù)，該圖像展示了2017年11月29日地表至5km高度全球的水汽含量。ATMS可聯(lián)合CrIS對(duì)全球大氣溫、濕廓線進(jìn)行全天候反演，獲取準(zhǔn)確的、高時(shí)空分辨率的大氣溫濕廓線分布，對(duì)改善全球天氣預(yù)報(bào)至關(guān)重要。圖1（b）為VIIRS捕獲的2017年12月加州野火圖像，圖中清晰地顯示了大火的位置及其產(chǎn)生的煙霧和羽流。NOAA-20搭載的VIIRS星下點(diǎn)水平分辨率為400m，可提供22個(gè)觀測(cè)通道。圖1（c）為NOAA-20發(fā)回的第一幅CrIS數(shù)據(jù)圖像，該圖顯示了1598.75cm-1水汽通道的白天全球亮溫分布。圖像中深藍(lán)色代表輻射主要來自液態(tài)水和冰云，而黃色則表示大氣較為干燥。NOAA-20每天提供兩次全球范圍的CrIS高光譜紅外觀測(cè)資料，用于反演大氣溫度和水汽空間分布。CrIS還可以用來反演溫室氣體、地表和云的特性。CrIS包含三個(gè)紅外觀測(cè)波段。圖1（d）為OMPSNadir Mapper 360.8nm云反射率通道輻射圖像，該通道是用于估計(jì)總臭氧濃度的5個(gè)主要通道之一。OMPS用于監(jiān)測(cè)全球臭氧總含量與臭氧垂直分布，是美國(guó)國(guó)家氣象部門發(fā)布空氣質(zhì)量警報(bào)和紫外線指數(shù)的關(guān)鍵參考數(shù)據(jù)。

按照計(jì)劃，另外3顆衛(wèi)星JPSS-2、JPSS-3和JPSS-4將分別于2021年、2026年和2031年發(fā)射。

2.GOES-R系列靜止氣象衛(wèi)星

GOES-R系列包括4顆衛(wèi)星（GOES-R/S/T/U），是美國(guó)最新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星。該系列前2顆衛(wèi)星（GOES-R和GOES-S）分別于2016年11月19日和2017年3月1日發(fā)射，入軌后被更名為GOES-16和GOES-17，定位于75°W和137°W，覆蓋范圍涵蓋西半球的大部分區(qū)域，從非洲西海岸到新西蘭，從北極圈附近到南極圈附近。

GOES-16衛(wèi)星搭載了最新研制的16通道先進(jìn)基線成像儀（ABI），包括2個(gè)可見光通道、4個(gè)近紅外通道和10個(gè)紅外通道，可見光分辨率最高達(dá)0.5km，近紅外1km，紅外2km。地球全盤掃描時(shí)間提高到15min，美國(guó)本土（3000km×5000km）5min。

圖2為GOES-16衛(wèi)星ABI部分光譜通道合成的高分辨率復(fù)合彩色全圓盤可見光圖像。除此之外，還搭載了閃電成像儀、空間環(huán)境探測(cè)組件、遠(yuǎn)紫外/X射線輻射遙感器、太陽紫外成像儀、磁強(qiáng)計(jì)等，可對(duì)颶風(fēng)、龍卷風(fēng)、洪水、火山灰云、野火、雷暴甚至太陽耀斑等進(jìn)行高分辨率觀測(cè)。

圖2 GOES-16靜止氣象衛(wèi)星全圓盤組合色圖像（2017年1月15日）

二、日本氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星發(fā)展動(dòng)態(tài)

日本于2014年10月7日發(fā)射了新一代地球靜止氣象衛(wèi)星——葵花8號(hào)（HIMAWARI-8），并于2016年11月2日發(fā)射了葵花9號(hào)作為備用衛(wèi)星，計(jì)劃2022年接替葵花8號(hào)（見圖3）。新一代葵花衛(wèi)星最顯著的特點(diǎn)是其搭載的最新型的掃描輻射儀AHI，具有16個(gè)觀測(cè)波段（3個(gè)可見光波段，3個(gè)近紅外波段，10個(gè)紅外波段），僅通道數(shù)量上就比上一代的MTSAT衛(wèi)星提高3倍，觀測(cè)時(shí)效也縮短為每10min一次全圓盤圖。同時(shí),葵花8號(hào)/9號(hào)還可高頻觀測(cè)特定地區(qū)，例如，可做到每隔2.5min觀測(cè)一次日本本土范圍，或者跟蹤臺(tái)風(fēng)等中尺度系統(tǒng)。如果將觀測(cè)范圍繼續(xù)縮小，甚至可以每30s觀測(cè)完成一次選定區(qū)域掃描?？?號(hào)/9號(hào)的空間分辨率較高：可見光波段為1km，紅光波段（0.64μm）最高為0.5km，近紅外為1km，其余紅外波段為2km。這些重大改進(jìn)使得監(jiān)測(cè)熱帶氣旋和帶來局地暴雨的云層運(yùn)動(dòng)變得前所未有的精確，同時(shí)還可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到火山灰和氣溶膠的分布。AHI比GOES-R的ABI性能還要突出一些，但是葵花8號(hào)/9號(hào)僅搭載了這一款成像儀器。另外日本沒有發(fā)展其本國(guó)的極軌氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星。

圖3 葵花8號(hào)/9號(hào)衛(wèi)星示意圖

三、歐洲氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星發(fā)展動(dòng)態(tài)

歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織（EUMETSAT）目前運(yùn)行著2顆極軌氣象衛(wèi)星（METOP-A/B）和4顆靜止氣象衛(wèi)星（METEOSAT-8/9/10/11）。

METOP系列包含3顆極軌氣象衛(wèi)星，METOP-A和METOP-B分別于2006年10月和2012年9月發(fā)射。METOP系列衛(wèi)星除了搭載與NOAA-19類似的觀測(cè)儀器（AVHRR/3、HIRS/4、AMSU-A、MHS）外，還搭載了其他高水平的氣象探測(cè)儀器，如邁克爾遜干涉儀（IASI）可進(jìn)行紅外溫度、水汽和臭氧監(jiān)測(cè)，高級(jí)散射儀（ASCAT）可進(jìn)行海表面風(fēng)的觀測(cè)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收儀（GRAS）利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)延遲效應(yīng)進(jìn)行溫度和水汽廓線的觀測(cè)，以及空間環(huán)境監(jiān)測(cè)和紫外臭氧探測(cè)等。

4顆正在運(yùn)行的METEOSAT均屬歐洲第二代靜止氣象衛(wèi)星（MSG）。METEOSAT-11是主要的業(yè)務(wù)運(yùn)行衛(wèi)星，定位于0°的36000km上空，可提供間隔15min的全圓盤圖像。METEOSAT-10定位于9.5°E，提供歐洲、非洲及其鄰近海域5min一次的快速掃描服務(wù)。METEOSAT-9定位于3.5°E，是上述兩顆衛(wèi)星的備份星；而METEOSAT-8則被定位在印度洋地區(qū)（41.5°E）上空進(jìn)行觀測(cè)。METEOSAT衛(wèi)星搭載的自旋式增強(qiáng)可見光紅外成像儀（SEVIRI）共有12個(gè)通道，觀測(cè)空間分辨率為1-3km。

歐洲第三代靜止氣象衛(wèi)星（MTG）預(yù)計(jì)于2021年啟用（圖4）。MTG將包含6顆衛(wèi)星：4個(gè)MTG-I成像衛(wèi)星以及兩個(gè)MTG-S大氣探測(cè)衛(wèi)星。MTG-I將搭載16通道的復(fù)合成像儀（FCI），性能與ABI和AHI相當(dāng)，同時(shí)還會(huì)搭載閃電成像儀（LI）將會(huì)對(duì)臨近預(yù)報(bào)產(chǎn)生幫助。與美國(guó)不同，歐洲將會(huì)發(fā)展搭載紅外大氣垂直探測(cè)儀器（IRS、UVN）的靜止氣象衛(wèi)星MTG-S，用于提供水平、垂直以及時(shí)間序列的四維的大氣溫濕廓線；同時(shí)，搭載的紫外、可見光和近紅外垂直探測(cè)儀也會(huì)對(duì)大氣化學(xué)的研究產(chǎn)生推動(dòng)作用。同時(shí)，歐洲還在發(fā)展其下一代極軌氣象衛(wèi)星（EPS-SG），用于在2020年后替代當(dāng)前的極軌衛(wèi)星系統(tǒng)，同時(shí)呼應(yīng)美國(guó)JPSS計(jì)劃，與其進(jìn)行聯(lián)合組網(wǎng)觀測(cè)。

圖4 歐洲下一代靜止氣象衛(wèi)星MTG示意圖

四、中國(guó)氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星發(fā)展動(dòng)態(tài)

自1988年第一顆風(fēng)云系列衛(wèi)星升空，到2017年風(fēng)云（FY）-3D的發(fā)射，這期間中國(guó)共成功發(fā)射了16顆風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星，包括FY-1A到1D、FY-2A到2G、FY-3A到3D以及FY-4A。風(fēng)云一號(hào)氣象衛(wèi)星是中國(guó)研制的第一代太陽同步軌道氣象衛(wèi)星，衛(wèi)星可以向世界各地云圖接收站發(fā)送實(shí)時(shí)衛(wèi)星云圖，還可對(duì)海洋水色進(jìn)行探測(cè)和對(duì)海溫進(jìn)行遙感研究；衛(wèi)星上攜帶有空間粒子成分探測(cè)器，可對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行研究。FY-1C和1D在性能上較前兩顆星有較大改進(jìn)，取得成功的業(yè)務(wù)應(yīng)用價(jià)值，性能穩(wěn)定，均超期服役。目前，中國(guó)的極軌氣象衛(wèi)星已被風(fēng)云三號(hào)取代。風(fēng)云三號(hào)裝載的探測(cè)儀器有：10通道掃描輻射計(jì)、20通道紅外分光計(jì)、20通道中分辨率成像光譜儀、臭氧垂直探測(cè)儀、臭氧總量探測(cè)儀、太陽輻照度監(jiān)測(cè)儀、4通道微波溫度探測(cè)輻射計(jì)、5通道微波濕度計(jì)、微波成像儀、地球輻射探測(cè)儀和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器，可獲取地球大氣環(huán)境的三維、全球、全天候、定量、高精度資料，滿足我國(guó)乃至全球天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的迫切需求。風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星目前已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，總體性能已經(jīng)接近或達(dá)到歐洲正在研制的下一代極軌氣象衛(wèi)星水平。

中國(guó)目前正在運(yùn)行并提供應(yīng)用服務(wù)的靜止氣象衛(wèi)星是風(fēng)云二號(hào)系列3顆衛(wèi)星FY-2E、FY-2F、FY-2G和最新一代的風(fēng)云四號(hào)系列1顆衛(wèi)星FY-4A，分別于2008年12月23日、2012年1月13日、2014年12月31日和2016年12月11日發(fā)射成功，目前分別定位于86.5°E、112°E、99.5°E和104.7°E。風(fēng)云二號(hào)系列衛(wèi)星搭載的掃描輻射計(jì)具有5個(gè)通道，分辨率5km，全盤掃描30min，汛期雙星觀測(cè)可達(dá)到15min，衛(wèi)星為自旋穩(wěn)定方式。而FY-4A為我國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方案，提高了掃描輻射成像儀性能（圖5），發(fā)展了大氣垂直探測(cè)，加強(qiáng)了空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警。FY-4A搭載的多通道掃描成像輻射計(jì)設(shè)置有14個(gè)成像通道，覆蓋可見光、近紅外、短波紅外、中波紅外和長(zhǎng)波紅外波段，其中可見光最高分辨率可達(dá)到0.5km，近紅外為1—2km，紅外為4km，觀測(cè)能力與美日歐新一代靜止氣象衛(wèi)星基本相當(dāng)。觀測(cè)儀器種類方面，F(xiàn)Y-4A將首次在靜止軌道上同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅外高光譜垂直探測(cè)和閃電探測(cè)，這一點(diǎn)優(yōu)于日本的HIMAWARI-8/9。

圖5 FY-4A多通道掃描成像輻射計(jì)彩色合成圖像（2017年2月20日13∶15）

目前，我國(guó)已形成了“多星在軌、統(tǒng)籌運(yùn)行、互為備份、適時(shí)加密”的氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)布局（表1），也是世界上少數(shù)幾個(gè)同時(shí)擁有極軌和靜止軌道氣象衛(wèi)星的國(guó)家。與此同時(shí)，中國(guó)還將發(fā)展降水雷達(dá)衛(wèi)星、晨昏軌道衛(wèi)星，形成晨昏星、上午星、下午星和降水測(cè)量雷達(dá)星組網(wǎng)，具備全球溫室氣體監(jiān)測(cè)能力和降水測(cè)量能力，提升大氣垂直探測(cè)能力和觀測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)降水、海表風(fēng)場(chǎng)、溫室氣體和氣溶膠全球監(jiān)測(cè)。

表1 在軌中國(guó)風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星基本情況

五、其他地區(qū)氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星發(fā)展動(dòng)態(tài)

俄羅斯第一顆靜止氣象衛(wèi)星GOMS于1994年11月發(fā)射成功，為三軸定向穩(wěn)定方式，定位于76°E。GOMS搭載了3通道掃描輻射計(jì)，可見光分辨率1.25km，紅外和水汽通道6.5km，遺憾的是衛(wèi)星掃描輻射計(jì)可見光通道因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤一直未能獲得圖像，目前只能獲得紅外圖像。而目前GOMS已被最新發(fā)射的Electro-L接替，可以僅用一個(gè)鏡頭拍攝地球高清完整圖片，分辨率達(dá)到1km。俄羅斯極軌氣象衛(wèi)星“流星”(Meteor)系列，類似于美國(guó)的NOAA衛(wèi)星，最近的一顆Meteor-M2氣象衛(wèi)星于2014年8月7日發(fā)射，主要有效載荷包括：低分辨率多光譜掃描儀、星載X頻段合成孔徑雷達(dá)、多光譜成像掃描儀、微波成像儀/探測(cè)輻射計(jì)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

印度的靜止衛(wèi)星印度衛(wèi)星（INSAT），是集成通信、廣播和氣象探測(cè)的多功能衛(wèi)星。INSAT-3DR是目前最新在軌運(yùn)行的專用氣象衛(wèi)星，于2016年9月8日成功發(fā)射。INSAT-3DR衛(wèi)星搭載的先進(jìn)的氣象有效載荷有6信道成像儀和19信道探測(cè)器，可提供溫度與濕度垂直分布情況、大氣運(yùn)動(dòng)矢量、海平面溫度、降雪覆蓋情況以及其他天氣信息的定量數(shù)據(jù)。

六、小結(jié)

隨著全球?qū)庀鬄?zāi)害、氣候與氣候變化、生態(tài)與環(huán)境的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)需求越來越高，氣象衛(wèi)星無疑還將發(fā)揮更大的作用。氣象衛(wèi)星歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，時(shí)間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率、衛(wèi)星穩(wěn)定性、探測(cè)要素與范圍、數(shù)據(jù)質(zhì)量與存儲(chǔ)傳輸能力也越來越高。目前，世界氣象大國(guó)都在瞄準(zhǔn)氣象衛(wèi)星發(fā)展前沿，積極搶占未來科技發(fā)展的制高點(diǎn)。氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用與一國(guó)的空間科技水平、基礎(chǔ)工業(yè)水平、遙感科學(xué)技術(shù)水平等密切相關(guān)，縮小與世界先進(jìn)水平的差距，對(duì)我國(guó)而言機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。因此，要力求突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，積極推進(jìn)科技創(chuàng)新，破除科技發(fā)展的體制機(jī)制障礙，同時(shí)也要秉承開放合作的態(tài)度，積極參與國(guó)際交流，擴(kuò)大和深化同各國(guó)的利益匯合點(diǎn)，尋求共同發(fā)展。