新一代靜止氣象衛(wèi)星成像儀特性研究

何興偉 馮小虎 韓琦 張甲坤 趙現(xiàn)綱

摘要：世界各國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射升空，咸像儀是主要載荷之一。通過對美國、日本、歐洲和中國等新一代靜止氣象衛(wèi)星成像儀特性的研究分析，客觀認(rèn)識我國靜止氣象衛(wèi)星水平的差距和不足，為我國風(fēng)云四號02星咸像儀特性優(yōu)化提供參考。在波段設(shè)置方面，歐美日均為16個(gè)通道，我國的FY-4A為14個(gè)光譜通道;在時(shí)空分辨率方面，各國水平相當(dāng)，略有差異，可見光波段分辨率為O.5-1km，紅外波段2-4km，全圓盤觀測10-15min;在觀測模式方面，F(xiàn)Y-4A的多通道掃描咸像輻射計(jì)和MTG的靈活組合成像儀先進(jìn)行一次全圓盤觀測，再進(jìn)行多次區(qū)域觀測，不同掃描資料時(shí)間間隔不均等。GOES-R的先進(jìn)基線咸像儀和Himawari-8的先進(jìn)葵花咸像儀觀測時(shí)間采用碎片化設(shè)計(jì)，即各種掃描模式交叉進(jìn)行，不同掃描資料時(shí)間間隔均等，非常有利于預(yù)報(bào)員對天氣進(jìn)行系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：靜止氣象衛(wèi)星;觀測模式;成像儀

DOI：10.11907坷dL.191495開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）010-0140-04

0引言

自1975年美國發(fā)射第一顆地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-A以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，世界各國的靜止氣象衛(wèi)星事業(yè)取得了巨大成就。美國第三代地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-R于2016年11月19日發(fā)射升空，與前兩代相比，新一代“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”衛(wèi)星技術(shù)和有效載荷都有重大改進(jìn)，先進(jìn)基線成像儀（ABI）用于取代上一代衛(wèi)星的成像儀和探測儀，獲取地球天氣、氣候和環(huán)境信息，其光譜、空間和時(shí)間分辨率分別提高了3倍、4倍和5倍;日本的Himawari-8于2014年10月7日由H2A火箭搭載發(fā)射成功，Himawari-8最顯著的特點(diǎn)就是裝載了先進(jìn)葵花成像儀（AHI），它和美國地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-R的先進(jìn)基線成像儀（ABI）相似?？ǔ上駜x比日本上一代“多用途運(yùn)輸衛(wèi)星”成像儀大有改進(jìn)，可提供更好的臨近預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測和更高精度的數(shù)字天氣預(yù)報(bào);我國新一代靜止氣象衛(wèi)星FY-4A于2016年12月11日成功發(fā)射，衛(wèi)星設(shè)計(jì)與GOES-R系列相當(dāng)，F(xiàn)Y-4A的主要載荷多通道掃描成像輻射計(jì)（AGRI）性能比目前使用的風(fēng)云二號系列衛(wèi)星在時(shí)空分辨率、光譜通道等方面有顯著提升;MTG是歐洲新一代靜止氣象衛(wèi)星，首顆MTG-I衛(wèi)星將于2021年發(fā)射，計(jì)劃搭載的靈活組合成像儀（FCI）可進(jìn)行多種目的的圖像探測，并從跟蹤云和水汽推導(dǎo)出風(fēng)場。

世界各國靜止氣象衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)新階段，衛(wèi)星姿態(tài)控制方式、衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命、載荷性能等方面都有顯著提高。衛(wèi)星儀器也從單一載荷到多載荷并行工作，其中成像儀是最主要的載荷。本文主要從波段設(shè)置、觀測時(shí)空分辨率、觀測模式等方面，對不同國家靜止氣象衛(wèi)星成像儀特性進(jìn)行對比分析，客觀認(rèn)識我國靜止氣象衛(wèi)星水平的差距和不足，為我國風(fēng)云四號02星成像儀性能優(yōu)化提供參考意見。

1波段設(shè)置

先進(jìn)基線成像儀（ABI）是GOES-R的主要儀器，用于獲取地球天氣、氣候和環(huán)境信息。先進(jìn)基線成像儀采用16個(gè)通道，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0.5km，近紅外分辨率1km，紅外分辨率2km。

先進(jìn)葵花成像儀（AHI）是Himawari-8/9的主要儀器，它與搭載在美國GOES-R上的先進(jìn)基線成像儀（ABI）同為ITT EXELIS公司研制，二者僅有個(gè)別波段在性能指標(biāo)上稍有差異。16通道的多光譜成像儀能夠在可見光和紅外波段進(jìn)行工作，生成全圓盤和區(qū)域影像，生成的圖像可見光分辨率高達(dá)0.5km。

多通道掃描成像輻射計(jì)（AGRI）是搭載在我國新一代靜止氣象衛(wèi)星FY-4A上的全譜段可見光/紅外成像載荷，其主要性能為：14個(gè)探測通道，覆蓋可見光至長波紅外譜段范圍，可見光通道空間分辨率為0.5-1km，紅外通道為2-4km。

歐洲“第三代靜止氣象衛(wèi)星”分為成像衛(wèi)星（MTG-I）和探測衛(wèi)星（MTG-S）兩種，成像衛(wèi)星（MTG-I）裝載的靈活組合成像儀（FCI）有16個(gè)通道，范圍覆蓋了可見光、近紅外、短波紅外、中波紅外和熱紅外，各通道空間分辨率不同，從1km到2km。

表1列出了美國、日本、中國和歐洲新一代靜止氣象衛(wèi)星軌道上的成像儀波段設(shè)置。在通道設(shè)置方面，F(xiàn)Y-4A裝載的AGRI為14個(gè)通道，少于歐美日的16個(gè)通道，ABI和AHI除0.51um和1.37um兩個(gè)波段外，其它波段基本重合;在空間分辨率方面，靈活組合成像儀在0.64um紅光波段的分辨率為1km，低于其它3個(gè)載荷的0.5km;FY-4A在長波紅外波段上空間分辨率為4km，與其它衛(wèi)星相比較低，主要是受制于探測器和制冷器研制水平，預(yù)計(jì)該項(xiàng)技術(shù)可在FY-4第二顆業(yè)務(wù)星上得到全面解決。

2觀測模式

2.1先進(jìn)基線成像儀（ABI）

先進(jìn)基線成像儀（ABI）是掃描型輻射成像儀，具有多種掃描模式，見圖1。地球全盤掃描時(shí)間為15分鐘，美國本土掃描時(shí)間達(dá)到5分鐘，中尺度區(qū)域掃描時(shí)間（1000kmx1000km）達(dá)到30秒。

圖2為GOES-R衛(wèi)星ABI的觀測模式，其觀測時(shí)間采用碎片化設(shè)計(jì)，即全圓盤觀測（粉色）、區(qū)域觀測（藍(lán)色）和中尺度觀測（綠色）交叉進(jìn)行。每15分鐘一次全圓盤觀測，3次美國大陸區(qū)域觀測和30次中尺度小區(qū)域觀測，這3種資料時(shí)間間隔均等，非常有利于預(yù)報(bào)員對天氣系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.2先進(jìn)葵花成像儀（AHI）

先進(jìn)葵花成像儀（AHI）進(jìn)行全圓盤掃描、日本區(qū)域（區(qū)域1和2）、目標(biāo)區(qū)域（區(qū)域3）和兩個(gè)地標(biāo)區(qū)域（區(qū)域4和5）5個(gè)區(qū)域的掃描成像，見圖3。全圓盤和日本區(qū)域掃描范圍固定，目標(biāo)區(qū)域和兩個(gè)地表區(qū)域根據(jù)氣象狀況靈活變動(dòng)。在AHI觀測時(shí)間表中，以10分鐘為一個(gè)單元，稱為時(shí)間軸，時(shí)間軸上的掃描圖像如圖3所示。在每10分鐘內(nèi)AHI將進(jìn)行全圓盤成像1次，日本區(qū)域和目標(biāo)區(qū)域成像4次，兩個(gè)地標(biāo)區(qū)域成像20次，觀察區(qū)域和頻率如表2所示。

圖4為AHI觀測時(shí)間表（UTC00：00-03：00，其它時(shí)間任務(wù)安排一樣，每天的UTC02：40-02：50和14：40-14：50進(jìn)行Housekeeping操作）。與美國的ABI類似，AHI在觀測時(shí)也采用碎片化設(shè)計(jì)。從時(shí)間表中可以看出，全圓盤觀測、兩個(gè)區(qū)域觀測和目標(biāo)觀測穿插進(jìn)行，時(shí)間間隔均等。

2.3多通道掃描成像輻射計(jì)（AGRI）

多通道掃描成像輻射計(jì)（AGRI）是風(fēng)云四號（FY-4A）衛(wèi)星的主要有效載荷，主要有兩種掃描模式。

（1）地球全圓盤常規(guī)成像：把地球全圓盤分割為3個(gè)區(qū)域觀測，見圖5，減少東西兩側(cè)的部分觀測耗時(shí)，從而降低全圓盤觀測總時(shí)長，15分鐘完成對地球全圓盤觀測。

（2）區(qū)域常規(guī)成像：按常規(guī)掃描方式完成對指定區(qū)域的觀測。觀測位置和區(qū)域大小任意可選（如中國區(qū)域、中尺度區(qū)域），區(qū)域觀測重復(fù)次數(shù)可調(diào)，最小觀測區(qū)域1000kmx1000km。

圖6為AGRI的觀測時(shí)間表（UTC00：00-03：00，其它時(shí)間任務(wù)安排一樣），該觀測模式充分考慮了以下因素：滿足現(xiàn)有每3小時(shí)1次的數(shù)值預(yù)報(bào)模式;滿足預(yù)報(bào)員天氣預(yù)測、預(yù)報(bào)時(shí)間要求（具備10～15分鐘的資料獲取能力）;1小時(shí)一次的全圓盤觀測，能夠觀測到對我國有影響的印度洋資料，全球海溫1小時(shí)一次，同時(shí)確保全圓盤歷史資料的完整。具體任務(wù)安排如下：

（1）每3小時(shí)1次測風(fēng)，全天8次，測風(fēng)時(shí)進(jìn)行連續(xù)3次全圓盤觀測，每天第一次測風(fēng)時(shí)間為23：45、00：00、00：15。

（2）以15分鐘為一個(gè)單元，將每小時(shí)劃分為4個(gè)單元。每小時(shí)整點(diǎn)為全圓盤觀測，每個(gè)時(shí)間單元最多可以安排3次5分鐘中國區(qū)域觀測。

2.4靈活組合成像儀（FCI）

歐洲第三代靜止氣象衛(wèi)星MTG目前尚處于設(shè)計(jì)階段，靈活組合成像儀（FCI）定義了兩種掃描模式：10分鐘全圓盤觀測和5分鐘1/4全圓盤快速掃描，見圖7。

3結(jié)語

新一代靜止氣象衛(wèi)星成像儀從波段設(shè)置、時(shí)空分辨率等方面都有顯著提高，世界各國競相發(fā)展，各有優(yōu)勢。在空間分辨率方面，F(xiàn)Y-4A在長波紅外波段上空間分辨率為4km，相比歐美國家較低，在觀測時(shí)間分辨率方面，F(xiàn)Y-4A全圓盤觀測需15分鐘，略遜于AHI的10分鐘全圓盤觀測，但與GOES-R的ABI相當(dāng)，基本達(dá)到了國際靜止氣象衛(wèi)星同期水平。顯然，充分研究和分析新一代成像儀的技術(shù)特點(diǎn)，對客觀認(rèn)識我國靜止系列氣象衛(wèi)星在發(fā)展水平和技術(shù)能力上的優(yōu)勢和不足十分必要，這對于我國后續(xù)成像儀規(guī)劃和研制有著重要的參考意義。