“風(fēng)云”應(yīng)用50年：跨越發(fā)展，服務(wù)全球

文|唐世浩 毛凌野

1.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心 2.北京空間科技信息研究所

2020年是風(fēng)云氣象衛(wèi)星事業(yè)50周年。1970年，我國(guó)開始獨(dú)立自主研制氣象衛(wèi)星。50年來(lái)，風(fēng)云氣象衛(wèi)星事業(yè)取得了舉世矚目的成就，高效服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，有效提升了我國(guó)負(fù)責(zé)任大國(guó)的國(guó)際形象。

一、風(fēng)云氣象衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)飛躍發(fā)展

1988年9月7日，風(fēng)云一號(hào)A星搭乘長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭飛上距地800多千米的太空，傳回了第一幅彩色合成圖像（圖1）。

1997年6月10日，風(fēng)云二號(hào)A星發(fā)射升空，標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入地球靜止氣象衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)代，在監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)和海洋天氣、暴雨預(yù)報(bào)、防汛服務(wù)、航空氣象保障等方面發(fā)揮著重要作用。

2008年5月27日，風(fēng)云三號(hào)A星成功發(fā)射，極軌氣象衛(wèi)星邁入“風(fēng)三時(shí)代”，衛(wèi)星載荷數(shù)量從風(fēng)云一號(hào)的1個(gè)增加到11個(gè)，分辨率達(dá)到百米級(jí)，實(shí)現(xiàn)紫外、可見光、紅外和微波的全譜段觀測(cè)，我國(guó)氣象衛(wèi)星技術(shù)邁入世界先進(jìn)行列。

2016年12月11日,風(fēng)云四號(hào)A星發(fā)射成功，全球首次實(shí)現(xiàn)靜止軌道大氣高光譜垂直探測(cè)，揭開了我國(guó)靜止氣象衛(wèi)星升級(jí)換代的序幕。2018年5月8日起，風(fēng)云四號(hào)A星正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。除我國(guó)外，東南亞、東亞和大洋洲多個(gè)國(guó)家都可同步接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，為防災(zāi)減災(zāi)提供重要支撐。

圖1 風(fēng)云一號(hào)A星首幅圖

截至目前，我國(guó)先后成功發(fā)射兩代四型17顆風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星，目前7顆在軌運(yùn)行（圖2）。風(fēng)云衛(wèi)星成為目前世界上種類最全、性能最先進(jìn)的氣象衛(wèi)星星座之一。

圖2 17顆風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星示意圖

與風(fēng)云衛(wèi)星發(fā)展同步，地面應(yīng)用系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，建成了由5個(gè)國(guó)內(nèi)站、2個(gè)海外站組成的全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，可以高時(shí)效地獲取全球衛(wèi)星觀測(cè)資料，研發(fā)了上百種遙感應(yīng)用產(chǎn)品，發(fā)展了高效的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和遙感應(yīng)用平臺(tái)，建成國(guó)省兩級(jí)遙感應(yīng)用體系，促進(jìn)了衛(wèi)星資料的廣泛應(yīng)用。

二、風(fēng)云氣象衛(wèi)星賦能國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展

1.氣象應(yīng)用

氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高時(shí)空分辨率、多光譜以及穩(wěn)定均勻等特性，能夠有效解決數(shù)值天氣預(yù)報(bào)所需的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題。包括中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心在內(nèi)的全球主要數(shù)值預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)，致力于將氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中。風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)在我國(guó)自主研發(fā)的GRAPES模式、歐洲中心（ECMWF）數(shù)值預(yù)報(bào)模式及其他多個(gè)全球主要數(shù)值預(yù)報(bào)模式中實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)應(yīng)用，顯著提升了數(shù)值預(yù)報(bào)的精度和可用時(shí)效。圖3為2019年臺(tái)風(fēng)“利奇馬”數(shù)值預(yù)報(bào)圖。

圖3 2019年臺(tái)風(fēng)“利奇馬”數(shù)值預(yù)報(bào)圖

風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和連續(xù)一致性的不斷提升，提高了在氣候監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)和氣候模式中的應(yīng)用水平。以風(fēng)云氣象衛(wèi)星資料為基礎(chǔ)研發(fā)的積雪和海冰等長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)集，提高了我國(guó)氣候監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的自主性，業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)能力在時(shí)效性和準(zhǔn)確性方面顯著提升，為亞洲季風(fēng)、厄爾尼諾事件等影響我國(guó)的主要?dú)夂蛳到y(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)提供了強(qiáng)有力支撐，為提高氣候預(yù)測(cè)水平發(fā)揮了重要作用。

風(fēng)云氣象衛(wèi)星是氣象服務(wù)的主要數(shù)據(jù)源。風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺(tái)（SWAP2.0）充分利用風(fēng)云四號(hào)A 星高時(shí)效、高頻次、多光譜的特點(diǎn)，為天氣監(jiān)測(cè)、人工影響天氣、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供應(yīng)用工具（圖4）。該平臺(tái)基于“云+端”架構(gòu)，通過(guò)單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版兩個(gè)版本為用戶提供服務(wù)，在國(guó)內(nèi)外氣象服務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。

圖4 風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺(tái)

2.防災(zāi)減災(zāi)

風(fēng)云氣象衛(wèi)星在應(yīng)急管理和防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作中，承擔(dān)著重大災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)任務(wù)，其衛(wèi)星數(shù)據(jù)、產(chǎn)品和應(yīng)用平臺(tái)在臺(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對(duì)流、沙塵暴、積雪、冰凍、高溫等災(zāi)害天氣的應(yīng)急監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用，構(gòu)筑起防災(zāi)減災(zāi)第一道防線。自從有了風(fēng)云氣象衛(wèi)星，登陸或影響我國(guó)的臺(tái)風(fēng)無(wú)一漏網(wǎng)。圖5為風(fēng)云三號(hào)D星于2020年7月14日監(jiān)測(cè)洪澇災(zāi)害中的鄱陽(yáng)湖。此外，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，氣象衛(wèi)星產(chǎn)品如火點(diǎn)、地表溫度、氣溫、降水量、風(fēng)速、氣壓和空氣相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)，是構(gòu)建災(zāi)情演變模型的重要因素，可為火場(chǎng)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)分析提供支持。圖6為風(fēng)云三號(hào)D星于2020年3月31日對(duì)四川木里、西昌森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖5 風(fēng)云三號(hào)D星監(jiān)測(cè)鄱陽(yáng)湖水情

圖6 風(fēng)云三號(hào)D星火情監(jiān)測(cè)圖

3.環(huán)保應(yīng)用

風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星開創(chuàng)了我國(guó)氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)全球大氣成分的里程碑，從風(fēng)云衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)獲取的全球臭氧總量、臭氧廓線、可見光氣溶膠光學(xué)厚度以及紫外氣溶膠指數(shù)等產(chǎn)品，可以對(duì)我國(guó)以及全球大氣臭氧濃度、氣溶膠污染、霾、沙塵、火山灰以及區(qū)域秸稈焚燒煙霾的強(qiáng)度和分布等大氣環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為我國(guó)環(huán)境氣象業(yè)務(wù)的開展提供了衛(wèi)星定量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖7為風(fēng)云三號(hào)D星于2020年2月21日監(jiān)測(cè)京津冀、山東等地霧霾天氣過(guò)程。

4.農(nóng)業(yè)應(yīng)用

土壤水分、地表溫度是兩個(gè)最重要的農(nóng)業(yè)氣象參數(shù)，氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)不僅可以直接反演土壤水分和地表溫度等參數(shù)，還可以提取主要農(nóng)作物葉面積指數(shù)、區(qū)域分布，進(jìn)行農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)和產(chǎn)量估算等。同時(shí)，通過(guò)與高分辨率衛(wèi)星相結(jié)合，由遙感、氣象數(shù)據(jù)耦合形成的氣象參數(shù)產(chǎn)品可以為農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)與預(yù)警提供更為豐富的數(shù)據(jù)源，對(duì)全球和全國(guó)重點(diǎn)區(qū)域的作物病蟲害發(fā)生面積和發(fā)生程度，以及小麥、水稻、玉米等作物的主要病蟲害發(fā)生現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。除此之外，利用氣象衛(wèi)星可以對(duì)全球土地荒漠化以及局部區(qū)域的干旱情況進(jìn)行跟蹤和分析，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，為政府部門決策提供依據(jù)。

圖7 風(fēng)云三號(hào)D星監(jiān)測(cè)京津冀、山東等地霧霾天氣

5.其他應(yīng)用

風(fēng)云衛(wèi)星資料因其觀測(cè)頻次密集、分辨率較高、產(chǎn)品內(nèi)容豐富，在自然資源、生態(tài)文明建設(shè)、交通旅游、水利水電、能源電力、重要活動(dòng)保障等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在水資源調(diào)查的過(guò)程中，風(fēng)云衛(wèi)星搭載的微波輻射計(jì)為反演土壤水提供了比較豐富的數(shù)據(jù)。中國(guó)民用航空局利用風(fēng)云衛(wèi)星資料研發(fā)了強(qiáng)對(duì)流識(shí)別、外推與追蹤產(chǎn)品和沙塵、能見度、火山灰監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，開發(fā)了強(qiáng)風(fēng)暴指數(shù)、最大風(fēng)層高度和溫度、積水指數(shù)、不穩(wěn)定區(qū)、顛簸指數(shù)、對(duì)流層頂高度和溫度等航空氣象指導(dǎo)產(chǎn)品，為提升航空氣象保障能力發(fā)揮了重要作用。風(fēng)云氣象衛(wèi)星還在奧運(yùn)會(huì)、國(guó)慶閱兵、“一帶一路”國(guó)際合作高峰論壇等重大活動(dòng)氣象保障服務(wù)中發(fā)揮了重要作用，為氣象決策提供了強(qiáng)有力的支撐。

三、風(fēng)云氣象衛(wèi)星成為中國(guó)新“名片”

從2018年開始，在上合組織峰會(huì)、中阿合作論壇、中非合作論壇等國(guó)際外交的多個(gè)重要場(chǎng)合，風(fēng)云氣象衛(wèi)星被國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人多次提及。2018年6月10日，中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在上海合作組織青島峰會(huì)上講話時(shí)承諾：“中方愿利用風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星為各方提供氣象服務(wù)?！?018年7月10日，習(xí)近平主席在中阿合作論壇第八屆部長(zhǎng)級(jí)會(huì)議開幕式的講話中提出：“要共建‘一帶一路’空間信息走廊，發(fā)展航天合作，推動(dòng)中國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和氣象遙感衛(wèi)星技術(shù)服務(wù)阿拉伯國(guó)家建設(shè)。”9月4日，中非合作論壇北京峰會(huì)期間通過(guò)的《北京行動(dòng)計(jì)劃（2019——2021年）》再次提出：“中方愿繼續(xù)為非洲國(guó)家提供風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品以及必要的技術(shù)支持，繼續(xù)向非洲國(guó)家提供氣象和遙感應(yīng)用設(shè)施和教育培訓(xùn)援助，支持非洲氣象（天氣和氣候服務(wù)）戰(zhàn)略的實(shí)施，提升非洲國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)對(duì)氣候變化能力?！?/p>

2018年，我國(guó)第一代靜止軌道氣象衛(wèi)星的最后一顆星——風(fēng)云二號(hào)H星的定點(diǎn)位置由原定的東經(jīng)86.5°向西漂移至東經(jīng)79°赤道上空，彌補(bǔ)了全球氣象衛(wèi)星對(duì)印度洋及中亞、西亞等“一帶一路”地區(qū)觀測(cè)的不足。同時(shí)，建立風(fēng)云氣象衛(wèi)星國(guó)際用戶防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急保障機(jī)制（FY_ESM），為國(guó)際用戶提供應(yīng)急減災(zāi)服務(wù)。先后于2018年和2020年發(fā)布了《風(fēng)云氣象衛(wèi)星服務(wù)“一帶一路”行動(dòng)計(jì)劃（2019-2023）》和《風(fēng)云氣象衛(wèi)星國(guó)際服務(wù)計(jì)劃》，開創(chuàng)風(fēng)云氣象衛(wèi)星國(guó)際應(yīng)用推廣的新格局，提升風(fēng)云衛(wèi)星的國(guó)際影響力。

風(fēng)云氣象衛(wèi)星已達(dá)到國(guó)際同類衛(wèi)星先進(jìn)水平，被世界氣象組織列入國(guó)際氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星序列，成為全球綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)的重要成員，同時(shí)也是“空間與重大災(zāi)害國(guó)際憲章”的值班衛(wèi)星，為全球115個(gè)國(guó)家和地區(qū)提供衛(wèi)星資料和產(chǎn)品。風(fēng)云衛(wèi)星已在越南、菲律賓、莫桑比克等國(guó)臺(tái)風(fēng)、洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。圖8為風(fēng)云四號(hào)A星于2018年9月15日對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”進(jìn)行監(jiān)測(cè)，臺(tái)風(fēng)眼清晰可見。

圖8 風(fēng)云四號(hào)A星監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)“山竹”

四、未來(lái)展望

未來(lái)，我國(guó)還將發(fā)射多顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星，深化成果運(yùn)用，加強(qiáng)國(guó)際合作，加快建設(shè)氣象強(qiáng)國(guó)，進(jìn)一步提升防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，為保護(hù)生命安全、服務(wù)生產(chǎn)發(fā)展、促進(jìn)生活富裕、建設(shè)生態(tài)文明提供有力支撐。到2025年，我國(guó)將全面建成第二代天基氣象觀測(cè)系統(tǒng)，包括不同軌道極軌氣象衛(wèi)星和降水測(cè)量專用衛(wèi)星組成的風(fēng)云三號(hào)業(yè)務(wù)觀測(cè)系統(tǒng)，以及由多顆光學(xué)星和微波星組成的風(fēng)云四號(hào)業(yè)務(wù)觀測(cè)系統(tǒng)。從2025年到2035年，我國(guó)將完善第二代并同步發(fā)展第三代風(fēng)云衛(wèi)星綜合觀測(cè)體系，發(fā)展星地協(xié)同智慧觀測(cè)一體化技術(shù)，建立支撐精細(xì)預(yù)報(bào)的“智慧觀測(cè)”業(yè)務(wù)系統(tǒng)。