WMO空間計劃與風(fēng)云氣象衛(wèi)星的國際化發(fā)展趨勢

張鵬 楊軍 關(guān)敏 徐喆 王勁松

（1 中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點開放實驗室/國家衛(wèi)星氣象中心（國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心），北京 100081；2 許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心，北京 100081）

0 引言

1957年10月，前蘇聯(lián)發(fā)射了人類歷史上首顆人造衛(wèi)星Sputnik。兩年半之后，美國將人造衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用于氣象觀測。1960年4月，人類歷史上首顆氣象衛(wèi)星泰羅斯一號（TIROS-1）成功發(fā)射，揭開了從空間進(jìn)行氣象觀測的新紀(jì)元[1]。隨后，美國開展了密集的氣象衛(wèi)星研制、發(fā)射、科學(xué)試驗和業(yè)務(wù)應(yīng)用，1960—1965年發(fā)射了10顆試驗性泰羅斯衛(wèi)星，1966—1969年發(fā)射了9顆泰羅斯業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星TOS，1964—1978年發(fā)射了8顆雨云科學(xué)試驗衛(wèi)星Nimbus，奠定了全球觀測系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。1966年，美國又成功發(fā)射了首顆地球靜止應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星ATS-1，形成了當(dāng)前太陽準(zhǔn)同步極地軌道衛(wèi)星（簡稱極軌氣象衛(wèi)星）和地球同步靜止軌道衛(wèi)星（簡稱靜止氣象衛(wèi)星）兩個業(yè)務(wù)系列的氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星發(fā)展的大格局[2]。

美國極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的發(fā)展經(jīng)歷了5 代，1970—1978年共發(fā)射了第二代5顆衛(wèi)星，1978—1998年共發(fā)射了第三代10顆衛(wèi)星，衛(wèi)星觀測能力從可見光云圖拓展到微波大氣探測，氣象衛(wèi)星應(yīng)用從定性走向定量。1998—2009年發(fā)了第四代5顆衛(wèi)星，增加了夜間觀測并提升了大氣探測能力。2011年發(fā)射的SNPP衛(wèi)星開啟了美國新一代聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)（JPSS），實現(xiàn)了地球大氣全天候多要素的三維綜合探測。2019年發(fā)射的JPSS-1（重新命名為NOAA-20）是目前美國極軌主業(yè)務(wù)衛(wèi)星。美國靜止業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星發(fā)展了4代。1975—1978年發(fā)射了第一代3顆靜止氣象衛(wèi)星（GOSE-1—GOSE-3），實現(xiàn)了可見光及紅外成像；1980年，第二代靜止氣象衛(wèi)星首發(fā)星（GOSE-4）升空，其大氣探測系統(tǒng)實現(xiàn)了靜止軌道大氣探測；1994—2001年，第三代靜止軌道業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星投入使用（GOSE-8—GOSE-12），衛(wèi)星觀測時間分辨率極大提升；2006年，第四代靜止氣象衛(wèi)星首發(fā)星發(fā)射，目前GOES-16和GOES-17作為東西業(yè)務(wù)衛(wèi)星在軌業(yè)務(wù)運行，2022年3月發(fā)射的GOES-18計劃于2023年初替代GOES-17。

歐洲氣象衛(wèi)星的發(fā)展始于靜止氣象衛(wèi)星。1977年歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）發(fā)射了第一顆靜止氣象衛(wèi)星Meteosat-1，成功獲取到全球第一幅水汽圖像，Meteosat-1～Meteosat-7組成歐洲第一代靜止氣象衛(wèi)星MFG；歐洲第二代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星MSG（Meteosat-8～Meteosat-11）從2002年開始使用，自2018年2月起，Meteosat-11在0°赤道上空業(yè)務(wù)運行，Meteosat-10在9.5°E提供5分鐘快速掃描服務(wù)。歐洲極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星起步雖晚，但技術(shù)起點高，2006年歐洲氣象衛(wèi)星組織發(fā)射了第一顆極軌氣象衛(wèi)星METOP-A，METOP系列衛(wèi)星獨具特色的紅外大氣干涉探測器（IASI），以及GPS掩星探測器（GPS-S）和散射計（ASCAT），在全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)中發(fā)揮了很好的作用[3]。

20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初，我國業(yè)務(wù)和科研中使用較多的還有日本氣象廳（JMA）發(fā)展的葵花系列（Himawari）通信和氣象靜止衛(wèi)星。1977—1995年發(fā)射了5顆第一代葵花衛(wèi)星，一直運行到2003年；2005—2006年，2顆第二代葵花衛(wèi)星（也稱MTSAT-1R、MTSAT-2）連續(xù)發(fā)射，姿態(tài)控制改進(jìn)為三軸穩(wěn)定，云圖成像時間大幅縮短，圖像品質(zhì)提高。2014年和2016年發(fā)射的葵花8號、9號（Himawari-8/-9），其先進(jìn)成像儀（AHI）掃描全圓盤圖時間小于10 min，可見光分辨率最高可達(dá)0.5 km。

前蘇聯(lián)和俄羅斯水文氣象局（RosHydroMet）從1969年開始發(fā)射流星系列（Meteor）極軌氣象衛(wèi)星，至今已發(fā)展了3代，共計59顆；目前在軌業(yè)務(wù)運行2顆靜止氣象衛(wèi)星電子系列（Electro）；2021年發(fā)射了第一顆高橢圓軌道北極系列（Arctica-M N1）氣象衛(wèi)星。此外，印度氣象局（IMD）發(fā)展的靜止通信和氣象衛(wèi)星（INSAT），以及韓國氣象局（KMA）2010年開始發(fā)展的靜止通信、海洋和氣象衛(wèi)星（COMS）也是世界氣象組織（WMO）全球觀測業(yè)務(wù)衛(wèi)星的組成部分。除了歐美的氣象衛(wèi)星，其他國家的氣象衛(wèi)星在某些方面具有各自的特點和優(yōu)勢，但是從星座的完備性、觀測的多樣性、業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)的可獲取性等綜合評估而言，同風(fēng)云衛(wèi)星尚存在不同程度的差距。

自TIROS-1開始，氣象衛(wèi)星云圖就開始在臺風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對流等高影響天氣監(jiān)測和預(yù)報中發(fā)揮獨特和不可替代的作用。到20世紀(jì)80年代初，衛(wèi)星遙感的科學(xué)家們已經(jīng)初步發(fā)展了覆蓋大氣、陸地、海洋等多種產(chǎn)品的反演算法和定量遙感產(chǎn)品，在氣候、環(huán)境、自然災(zāi)害的監(jiān)測和評估中發(fā)揮了重要的作用。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，英國科學(xué)家Eyer率先在變分同化的框架內(nèi)，對氣象衛(wèi)星輻射觀測資料進(jìn)行了直接同化，成為氣象衛(wèi)星資料定量應(yīng)用的重要里程碑[4-5]。截至目前，歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）所使用的衛(wèi)星資料的數(shù)量已經(jīng)超過資料總量的95%，能業(yè)務(wù)同化的衛(wèi)星種類接近100種，把氣象衛(wèi)星遙感的大氣信息作為初值輸入數(shù)值預(yù)報模式彌補(bǔ)常規(guī)觀測的不足，成為提高模式預(yù)報精度和延長預(yù)報時效的重要手段。除氣象領(lǐng)域外，氣象衛(wèi)星圖像資料和產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)、國防等多個領(lǐng)域為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)[6-9]。

1 風(fēng)云衛(wèi)星發(fā)展的國際化道路

1969年，為了改變我國在氣象防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的落后面貌，周恩來總理提出“一定要搞我們自己的氣象衛(wèi)星”。從1970年開始獨立自主研制風(fēng)云衛(wèi)星，到1988年9月7日第一顆氣象衛(wèi)星成功發(fā)射，歷經(jīng)衛(wèi)星研制、在軌試驗、業(yè)務(wù)化穩(wěn)定運行、業(yè)務(wù)升級換代四個階段，目前我國已經(jīng)成功研制和發(fā)射了兩代四型19顆風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星、7顆在軌運行。我國成為世界上少數(shù)幾個同時擁有極軌和靜止軌道氣象衛(wèi)星的國家；風(fēng)云衛(wèi)星還開放共享數(shù)據(jù)，成為WMO空間觀測系統(tǒng)的重要組成部分[10]。

由于用極地軌道獲取全球資料和用靜止軌道獲取高頻次資料對于天氣觀測的互補(bǔ)優(yōu)勢，我國在氣象衛(wèi)星發(fā)展初期即提出同時發(fā)展極軌和靜止兩個系列的氣象衛(wèi)星。1999年5月發(fā)射的風(fēng)云一號C衛(wèi)星FY-1C和2004年10月發(fā)射的風(fēng)云二號C衛(wèi)星FY-2C分別實現(xiàn)了我國極軌和靜止兩個系列氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)化穩(wěn)定運行，2008年5月風(fēng)云三號A衛(wèi)星FY-3A和2016年12月風(fēng)云四號A衛(wèi)星FY-4A成功發(fā)射，我國全面完成了第二代極軌和靜止氣象衛(wèi)星的升級換代[11]。

2009年，WMO發(fā)布了全球觀測系統(tǒng)（GOS）2025年遠(yuǎn)景規(guī)劃，根據(jù)全球數(shù)值天氣預(yù)報發(fā)展的需求，提出了極軌氣象衛(wèi)星上午、下午、黎明三星組網(wǎng)（圖1）和靜止氣象衛(wèi)星等60經(jīng)度均勻布局六星組網(wǎng)（圖2）的全球空基觀測系統(tǒng)基本框架[12]。在充分考慮我國氣象業(yè)務(wù)和大氣科學(xué)研究需求基礎(chǔ)上，根據(jù)國際氣象衛(wèi)星發(fā)展大格局，中國氣象局提出我國第二個氣象衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃，即《我國氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》。在該規(guī)劃支持下，2018年6月風(fēng)云二號H衛(wèi)星FY-2H（即“一帶一路星”）和2021年7月風(fēng)云三號E衛(wèi)星FY-3E（即“黎明星”）先后成功發(fā)射，完成了靜止衛(wèi)星印度洋上空觀測和極軌衛(wèi)星黎明時刻觀測的業(yè)務(wù)布局，不僅改進(jìn)完善了我國風(fēng)云氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)布局，還豐富補(bǔ)充了全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)的業(yè)務(wù)框架。

圖1 WMO提出的極軌衛(wèi)星上午、下午、黎明衛(wèi)星三星組網(wǎng)布局示意圖（來源：WMO）Fig.1 Schematic layout of the network of polar-orbiting satellites AM,PM and EM proposed by WMO (quoted from WMO)

圖2 WMO提出的靜止衛(wèi)星等60經(jīng)度均勻布局六星組網(wǎng)布局示意圖（來源：WMO）Fig.2 Network layout of six geostationary satellites proposed by WMO (quoted from WMO)

2 風(fēng)云衛(wèi)星的現(xiàn)狀與水平

2.1 風(fēng)云衛(wèi)星的現(xiàn)狀

我國風(fēng)云氣象衛(wèi)星發(fā)展歷經(jīng)五十余年，在我國民用遙感衛(wèi)星領(lǐng)域成為重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，是氣象現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，取得了舉世矚目的成就。風(fēng)云衛(wèi)星發(fā)展歷經(jīng)了衛(wèi)星研制、在軌試驗、業(yè)務(wù)化穩(wěn)定運行、業(yè)務(wù)升級換代四個階段。衛(wèi)星研制階段，重點突破衛(wèi)星和遙感儀器的研制技術(shù)，1977年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制出了兩通道（可見光和紅外）掃描輻射計樣機(jī)，并進(jìn)行了航空校飛試驗。在軌試驗階段，對衛(wèi)星、運載、發(fā)射場、測控和地面五大系統(tǒng)進(jìn)行全面測試驗證，重點解決有無問題，受到當(dāng)時研制技術(shù)和經(jīng)驗的制約，我國第一和二顆極軌衛(wèi)星FY-1A和FY-1B由于三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方面的問題分別僅運行了39 d和158 d。第一顆靜止衛(wèi)星FY-2A由于消旋天線故障僅運行了6個月，第二顆靜止衛(wèi)星FY-2B解決了天線消旋失鎖問題，但衛(wèi)星在軌運行8個月時，由于上變頻本振源雙機(jī)故障，衛(wèi)星失去了云圖傳輸功能。雖然這些衛(wèi)星沒有達(dá)到設(shè)計壽命，但對這些故障的分析和解決為我國氣象衛(wèi)星長壽命發(fā)展和長期運行管理積累了有益經(jīng)驗。第三階段聚焦衛(wèi)星的業(yè)務(wù)化穩(wěn)定運行，自1999年發(fā)射的FY-1C和2004年發(fā)射的FY-2C，風(fēng)云衛(wèi)星突破了長壽命穩(wěn)定運行的技術(shù)瓶頸，開始提供長期連續(xù)的業(yè)務(wù)觀測資料。第四階段聚焦衛(wèi)星的升級換代，自2008年發(fā)射的FY-3A和2016年發(fā)射的FY-4A，我國逐步完成了極軌和靜止衛(wèi)星的升級換代，星上裝載了光學(xué)成像、大氣探測、微波成像、高光譜痕量氣體探測和全波段地球能量收支測量等多種類型的遙感儀器，揭開了風(fēng)云衛(wèi)星地球觀測的新篇章。表1給出了截止到2022年6月已經(jīng)發(fā)射的風(fēng)云氣象衛(wèi)星情況，表2給出了已經(jīng)發(fā)射的遙感儀器列表，表3和表4分別給出了當(dāng)前在軌風(fēng)云極軌、靜止氣象衛(wèi)星和遙感儀器工作狀態(tài)。

表1 截止到2022年6月已經(jīng)發(fā)射的風(fēng)云氣象衛(wèi)星Table 1 FengYun satellites launched by June 2022

表2 截止到2022年6月已經(jīng)發(fā)射的遙感儀器列表及其研制單位Table 2 List of remote sensing instruments in orbit and their manufacturers by June 2022

表3 截止到2022年6月在軌風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星和遙感儀器工作狀態(tài)Table 3 Operating status of FengYun polar orbiting meteorological satellites and their remote sensing instruments in orbit by June 2022

表4 截止到2022年6月在軌風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星和遙感儀器工作狀態(tài)Table 4 Operating status of FengYun geostationary meteorological satellites and their remote sensing instruments in orbit by June 2022

風(fēng)云氣象衛(wèi)星正在進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展的階段，新階段一是更加注重遙感儀器定量觀測品質(zhì)，特別在圖像導(dǎo)航定位和輻射測量定標(biāo)方面不斷取得新的進(jìn)展，風(fēng)云衛(wèi)星要成為精密監(jiān)測的標(biāo)桿，全面支撐定量遙感和衛(wèi)星資料同化應(yīng)用；二是更加注重定量遙感應(yīng)用，要在遙感應(yīng)用體系框架下推進(jìn)國省兩級遙感應(yīng)用的廣度和在氣象預(yù)報預(yù)測核心業(yè)務(wù)應(yīng)用的深度，同時也要充分利用高校、科研院所、國際社會力量，不斷提升風(fēng)云衛(wèi)星遙感應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)水平。

2.2 風(fēng)云衛(wèi)星的水平

進(jìn)入21世紀(jì)以來，風(fēng)云氣象衛(wèi)星進(jìn)入快速發(fā)展階段。隨著《“九五”后兩年至2010年我國氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用發(fā)展計劃》和《我國氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用發(fā)展規(guī)劃（2011－2020年）》的先后實施，我國在2000—2018年共計成功發(fā)射了15顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星（表1）。表5給出了我國氣象衛(wèi)星同美國首顆同類氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)化程度的比較，整體來看，我國首顆極軌、靜止氣象衛(wèi)星分別比美國晚了28 a和31 a，約有30 a的差距；我國首顆業(yè)務(wù)極軌、業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星分別比美國晚了21 a和29 a，約有20 a的差距；我國新一代極軌、靜止氣象衛(wèi)星均與美國同期發(fā)射。

表5 風(fēng)云衛(wèi)星同美國衛(wèi)星業(yè)務(wù)化時間比較Table 5 Comparison of operational time between FengYun satellites and American meteorological satellites

表6給出了在軌風(fēng)云衛(wèi)星同國際同類衛(wèi)星在探測能力、探測精度和探測產(chǎn)品等功能和性能指標(biāo)的綜合比較。隨著2008年成功發(fā)射的FY-3A衛(wèi)星實現(xiàn)了極軌衛(wèi)星的升級換代，星上裝載了10臺遙感儀器，光譜覆蓋紫外、可見近紅外、紅外和微波波段，同時完成光學(xué)成像、紅外－微波聯(lián)合大氣探測、微波成像、窄光譜大氣成分探測、全譜段地球能量監(jiān)測等5大類功能，實現(xiàn)了全球、三維、定量和多光譜的全天候綜合觀測[13]。2016年成功發(fā)射的FY-4A衛(wèi)星裝載了三臺先進(jìn)的對地遙感儀器，其中光學(xué)成像儀AGRI和閃電成像儀LMI功能指標(biāo)達(dá)到同期美國新一代靜止衛(wèi)星GOES-R的水平，干涉式紅外大氣探測儀GIIRS是目前國際上唯一一臺在靜止軌道開展高光譜大氣垂直探測的儀器[14-15]。

表6 在軌風(fēng)云衛(wèi)星同國際同類衛(wèi)星性能比較Table 6 Performance comparison between FengYun satellites and similar international satellites

在衛(wèi)星觀測能力大幅提升的同時，風(fēng)云衛(wèi)星的資料接收和處理的核心關(guān)鍵技術(shù)也得到了極大的提升。2010年建成瑞典基律納北極接收站并投入使用，2018年租用挪威Troll南極接收站并投入使用，確保風(fēng)云衛(wèi)星在全球任意地方的觀測資料均可在2小時內(nèi)完成接收、回傳、處理和服務(wù)。在實現(xiàn)了衛(wèi)星連續(xù)穩(wěn)定觀測的同時，衛(wèi)星資料的定位定標(biāo)處理技術(shù)也獲得了長足的進(jìn)步[8,10]。經(jīng)過風(fēng)云一號系列、風(fēng)云二號系列、風(fēng)云三號A星和B星、風(fēng)云四號A星等多顆衛(wèi)星的實踐，通過分析衛(wèi)星從空間觀測地球的幾何原理和輻射從觀測目標(biāo)發(fā)出到被衛(wèi)星傳感器接收的傳遞過程，用嚴(yán)格的物理概念和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行圖像定位、數(shù)據(jù)定標(biāo)，衛(wèi)星的遙感儀器級（即1級）產(chǎn)品處理技術(shù)已經(jīng)有了大幅提高和改進(jìn)。精確軌道計算和儀器觀測幾何求解使定位精度在全球任一區(qū)域均達(dá)到像元級，中國遙感輻射校正場CRCS、全球偽不變定標(biāo)場PICS、深對流卷云DCC、月亮等不同亮度自然穩(wěn)定目標(biāo)的聯(lián)合使用可以有效訂正在軌遙感儀器的非線性效應(yīng)，目前風(fēng)云衛(wèi)星遙感儀器的輻射定標(biāo)精度可見近紅外可以達(dá)到5%、紅外達(dá)到0.4 K、微波達(dá)到0.8 K，全面同化進(jìn)入我國和歐洲的數(shù)值天氣預(yù)報模式[16-17]。

在我國，風(fēng)云衛(wèi)星為2500多家用戶提供100多種衛(wèi)星資料和產(chǎn)品[18]。在國際上，風(fēng)云衛(wèi)星已被WMO納入全球業(yè)務(wù)應(yīng)用氣象衛(wèi)星序列，同時也是空間與重大災(zāi)害國際憲章機(jī)制下的值班衛(wèi)星，為超過120個國家和地區(qū)提供服務(wù)。風(fēng)云衛(wèi)星提供用戶直收、CMACast廣播轉(zhuǎn)發(fā)、門戶網(wǎng)站注冊下載、人工定制等多種方式的數(shù)據(jù)服務(wù)，科學(xué)用戶可以在線訪問（http://satellite.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx）和下載數(shù)據(jù)。

3 WIGOS 2025年發(fā)展遠(yuǎn)景下的風(fēng)云衛(wèi)星發(fā)展

2009年6月，WMO執(zhí)行理事會第61屆會議（EC-61）正式批準(zhǔn)了全球觀測系統(tǒng)（GOS）2025年遠(yuǎn)景規(guī)劃。該遠(yuǎn)景規(guī)劃提供了指導(dǎo)全球觀測系統(tǒng)至2025年發(fā)展的目標(biāo)[12]。在全球綜合觀測系統(tǒng)WIGOS框架下，GOS作為WIGOS的核心組成部分，包括空基觀測系統(tǒng)和地基觀測系統(tǒng)，提供全面而綜合的觀測資料，滿足WMO所有成員國對觀測不斷提升的需求，并追求可靠、穩(wěn)定、持續(xù)和符合成本效益的發(fā)展方式。其中空基觀測系統(tǒng)依賴于有衛(wèi)星計劃的成員國及其航天團(tuán)體的發(fā)展計劃，以及衛(wèi)星運行國和航天伙伴機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)合作，如氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織（CGMS）、衛(wèi)星對地觀測委員會（CEOS）來實現(xiàn)。

GOS 2025年遠(yuǎn)景規(guī)劃中明確提出極地太陽同步軌道衛(wèi)星要運行在晨昏、上午、下午三個軌道面內(nèi)，且給出了靜止軌道、極地軌道和高傾角大橢圓軌道衛(wèi)星上儀器配置建議。其空基觀測系統(tǒng)需滿足的具體要求如下：

1）業(yè)務(wù)運行的靜止軌道衛(wèi)星至少6顆，相隔經(jīng)度不超過70°。遙感儀器包括高分辨率多光譜可見光/紅外成像儀、紅外高光譜探測儀和閃電成像儀。

2）極地太陽同步軌道衛(wèi)星運行在三個軌道平面內(nèi)，交點地方時分別為13：30、17：30、21：30 左右。遙感儀器包括紅外高光譜探測儀、微波探測儀、高分辨率多光譜可見光/紅外成像儀。

3）適當(dāng)軌道上的其他業(yè)務(wù)任務(wù)（經(jīng)典極地軌道、地球靜止軌道等）。遙感儀器包括微波成像儀、散射計、無線電掩星探測儀、測高計、紅外雙角度成像儀、窄波段高光譜可見近紅外成像儀、高分辨率多光譜可見光/紅外成像儀、降水測量雷達(dá)、地球輻射收支探測儀、太陽輻射監(jiān)測儀、大氣成分儀器、合成孔徑雷達(dá)。

4）業(yè)務(wù)探索和技術(shù)示范的儀器，包括極地軌道衛(wèi)星上的多普勒測風(fēng)雷達(dá)、低頻微波輻射計，靜止軌道衛(wèi)星上的微波成像儀/探測儀、高分辨率多光譜窄帶可見近紅外CCD成像儀，高傾角大橢圓軌道衛(wèi)星上的可見光/紅外成像儀，重力測量任務(wù)。

5）極地軌道和靜止軌道衛(wèi)星上的空間天氣儀器，包括太陽成像儀、粒子探測器、電子密度探測器。

2012年12月，《我國氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》（以下簡稱2020年規(guī)劃）由中國氣象局正式發(fā)布[19]。該規(guī)劃明確了2011—2020年我國氣象衛(wèi)星及應(yīng)用的發(fā)展目標(biāo)和任務(wù)。2020年規(guī)劃中風(fēng)云三號極軌氣象衛(wèi)星按照上午星、下午星和降水測量雷達(dá)星三星組網(wǎng)運行。風(fēng)云三號上午星，降交點地方時為10：00，升交點地方時為22：00，以地球表面成像觀測和大氣物理參量定量遙感為主，探測數(shù)據(jù)主要用于天氣預(yù)報、生態(tài)、環(huán)境、災(zāi)害監(jiān)測業(yè)務(wù)及研究。遙感儀器主要包括中分辨率光譜成像儀、微波溫度計、微波濕度計、紅外高光譜大氣探測儀、風(fēng)場散射計、全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀、地球輻射收支儀和空間環(huán)境探測器等。衛(wèi)星計劃發(fā)射3顆。風(fēng)云三號下午星，升交點地方時為14：00，以大氣物理參量定量探測和氣候變化監(jiān)測為主，探測數(shù)據(jù)主要用于天氣預(yù)報、大氣化學(xué)和氣候變化監(jiān)測業(yè)務(wù)及研究等方面。遙感儀器主要包括中分辨率光譜成像儀、微波成像儀、微波溫度計、微波濕度計、紅外高光譜大氣探測儀、近紅外高光譜溫室氣體監(jiān)測儀、紫外可見高光譜探測儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀和空間環(huán)境監(jiān)測器等。衛(wèi)星計劃發(fā)射2顆。降水測量雷達(dá)衛(wèi)星，以全球降水分布及強(qiáng)度監(jiān)測為主，探測數(shù)據(jù)主要用于強(qiáng)降水等災(zāi)害性天氣監(jiān)測，以及全球水汽分布監(jiān)測。遙感儀器包括降水測量雷達(dá)、可見光紅外掃描輻射計和微波輻射計等[20]。降水測量衛(wèi)星計劃發(fā)射1顆。風(fēng)云四號靜止氣象衛(wèi)星光學(xué)星配置多通道掃描輻射計、干涉式大氣垂直探測儀、閃電成像儀和太陽X射線成像儀，按照東、西軌道位置布局，采用雙星業(yè)務(wù)運行模式，計劃發(fā)射2顆。2020年規(guī)劃在保證我國氣象應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，積極響應(yīng)和支撐了GOS 2025年遠(yuǎn)景規(guī)劃。

2011年氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織CGMS在分析了各國衛(wèi)星計劃后，指出極軌衛(wèi)星晨昏軌道觀測、靜止衛(wèi)星印度洋上空觀測依然是全球觀測布局的空白和薄弱環(huán)節(jié)。為了響應(yīng)WMO優(yōu)化當(dāng)前極軌衛(wèi)星觀測系統(tǒng)的要求，發(fā)展和完善GOS 2025年遠(yuǎn)景規(guī)劃中極軌衛(wèi)星三星組網(wǎng)的業(yè)務(wù)設(shè)計，2012年在CGMS第40屆大會上，中國氣象局報告了風(fēng)云三號極軌衛(wèi)星從上午軌道轉(zhuǎn)移到晨昏軌道的可行性，表示將繼續(xù)探索在風(fēng)云三號后續(xù)計劃上發(fā)展晨昏軌道的可能性。2013年4月25—26日，WMO和中國氣象局在北京主持召開了晨昏軌道虎組（Tiger Team）工作會議，對晨昏軌道衛(wèi)星應(yīng)用效益進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析研究，形成了應(yīng)用效益評估報告，結(jié)果表明：晨昏軌道衛(wèi)星觀測對全球數(shù)值天氣預(yù)報有積極貢獻(xiàn)[21]。2013年6月在WMO理事會上，中國氣象局明確了發(fā)展晨昏軌道衛(wèi)星的態(tài)度。

此后，中國氣象局經(jīng)過多次論證，確定了將2020年規(guī)劃中的一顆風(fēng)云三號上午星調(diào)整為晨昏軌道衛(wèi)星的方案，并初步確定了風(fēng)云三號晨昏軌道衛(wèi)星的優(yōu)先配置儀器。2014年1月7日，國家衛(wèi)星氣象中心在北京組織召開了風(fēng)云三號晨昏軌道衛(wèi)星技術(shù)討論會，確定了晨昏軌道衛(wèi)星的載荷最終配置，包括中分辨率光譜成像儀（微光型）、微波溫度計、微波濕度計、風(fēng)場測量雷達(dá)、紅外高光譜大氣探測儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀、太陽輻射監(jiān)測儀、太陽輻照度光譜儀、太陽XEUV成像儀、廣角極光成像儀和空間環(huán)境儀器包。在《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025年）》論證中，中國氣象局積極將晨昏軌道衛(wèi)星納入規(guī)劃。

在2015年10月發(fā)布的《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025年）》中，大氣觀測衛(wèi)星系列中明確提出了天氣觀測衛(wèi)星星座通過光學(xué)、微波衛(wèi)星組網(wǎng)，氣候觀測衛(wèi)星星座由上午、下午和晨昏軌道衛(wèi)星組成。

至此，我國2011—2025年氣象衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃進(jìn)一步滿足了GOS 2025年遠(yuǎn)景規(guī)劃，通過在風(fēng)云三號任務(wù)中部署晨昏軌道衛(wèi)星來使全球極地軌道衛(wèi)星配置更加平衡，為全球觀測系統(tǒng)做出了貢獻(xiàn)。風(fēng)云三號晨昏軌道衛(wèi)星能大大提高和改進(jìn)全球數(shù)值天氣預(yù)報精度和時效，WMO理事會認(rèn)為“中國的這一決定是全球天基觀測系統(tǒng)的一項重大成就”。

2011年至今，我國先后于2013年、2017年成功發(fā)射了風(fēng)云三號C上午星和風(fēng)云三號D下午星。2021年7月5日，全球首顆民用晨昏軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號E星成功發(fā)射，其降交點地方時為05：40，升交點地方時為17：40。它與風(fēng)云三號C星和D星實現(xiàn)了晨昏、上午、下午軌道衛(wèi)星組網(wǎng)觀測，4小時獲取全球氣象觀測數(shù)據(jù)，為全球數(shù)值天氣預(yù)報提供有力支撐[22]。2016年和2021年發(fā)射的靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號A星和B星，分別定點于105°E和133°E，首次在靜止軌道衛(wèi)星上裝載了干涉式大氣垂直探測儀。風(fēng)云四號A星和計劃于2024年發(fā)射的風(fēng)云四號C星上均配有閃電成像儀。風(fēng)云四號微波星也已立項。這些任務(wù)的實施，既是對我國氣象衛(wèi)星規(guī)劃的有利執(zhí)行，也極大限度滿足了GOS 2025年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃，為全球觀測系統(tǒng)做出了重要貢獻(xiàn)（圖3）。

圖3 風(fēng)云衛(wèi)星2025年規(guī)劃布局Fig.3 Layout of FengYun Satellites 2025 Planning

4 WIGOS 2040 年發(fā)展遠(yuǎn)景與風(fēng)云衛(wèi)星未來發(fā)展規(guī)劃

2019 年，WMO 發(fā)布了全球綜合觀測系統(tǒng)（WIGOS）2040年遠(yuǎn)景規(guī)劃。該規(guī)劃是WMO的綱領(lǐng)性指導(dǎo)文件，預(yù)測了WMO在天氣、氣候、水和其他與環(huán)境相關(guān)的各項計劃和活動中的氣象服務(wù)領(lǐng)域發(fā)展需求、氣象衛(wèi)星觀測需求、空間技術(shù)發(fā)展趨勢，以及WMO全球綜合觀測系統(tǒng)在未來幾十年的發(fā)展格局。WIGOS 2040年空間系統(tǒng)遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃提出了4層體系結(jié)構(gòu)，包括布局明確的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星系統(tǒng)、開放包容的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星觀測支撐系統(tǒng)、業(yè)務(wù)開拓和科學(xué)技術(shù)示范系統(tǒng)、其他補(bǔ)充觀測系統(tǒng)[23]。其中，布局明確的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星系統(tǒng)，是最基本的業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)，具有確定的全球軌道布局和儀器配置，給出了在地球靜止軌道圈、低軌道太陽同步極地軌道3個軌道平面（晨昏/上午/下午）基本儀器配置，以及對其他基本觀測要素和任務(wù)要求的儀器配置；開放包容的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星觀測支撐系統(tǒng)，是業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的重要支撐，以一種更開放的方式來定義，即并不預(yù)先確定采用什么觀測技術(shù)和軌道配置，以便及時囊括最新技術(shù)使其融入到骨干系統(tǒng)中；業(yè)務(wù)開拓和科學(xué)技術(shù)示范系統(tǒng)主要為2040年以后的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展演進(jìn)開拓道路，可以依托多元化平臺，如使用小衛(wèi)星驗證和示范有關(guān)科學(xué)儀器或完成特定的科學(xué)任務(wù)，也可以作為衛(wèi)星應(yīng)急計劃補(bǔ)充某個衛(wèi)星儀器失效產(chǎn)生的空白；其他補(bǔ)充觀測系統(tǒng)將鼓勵和充分吸納由WMO其他會員國和第三方貢獻(xiàn)的衛(wèi)星，以促進(jìn)此類衛(wèi)星系統(tǒng)對WMO會員國提供有價值的數(shù)據(jù)，并對骨干系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和增強(qiáng)。WIGOS 2040年遠(yuǎn)景規(guī)劃是我國未來風(fēng)云氣象衛(wèi)星規(guī)劃的重要參考文件之一。

風(fēng)云衛(wèi)星未來規(guī)劃從衛(wèi)星和地面應(yīng)用方面進(jìn)行了統(tǒng)籌設(shè)計。在氣象衛(wèi)星發(fā)展上，響應(yīng)WIGOS 2040年空間系統(tǒng)遠(yuǎn)景規(guī)劃，繼續(xù)發(fā)展以地球靜止軌道氣象衛(wèi)星和極地軌道氣象衛(wèi)星為主業(yè)務(wù)衛(wèi)星的骨干業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)，并實現(xiàn)風(fēng)云衛(wèi)星升級換代；發(fā)展開放包容的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星觀測支撐系統(tǒng)，與業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星協(xié)同觀測，形成組網(wǎng)觀測和面向某種要素的特定觀測能力，為業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星提供必要補(bǔ)充。在應(yīng)用能力上，強(qiáng)化應(yīng)用基礎(chǔ)支撐，進(jìn)一步提升風(fēng)云衛(wèi)星在天氣和數(shù)值預(yù)報、氣候與氣候變化、農(nóng)業(yè)和生態(tài)氣象、空間天氣、行業(yè)氣象、全球監(jiān)測、數(shù)據(jù)共享等方面的能力。

風(fēng)云衛(wèi)星未來發(fā)展規(guī)劃在考慮我國氣象業(yè)務(wù)和科研發(fā)展需求的基礎(chǔ)上，充分借鑒和吸收了WIGOS 2040年遠(yuǎn)景規(guī)劃，在衛(wèi)星規(guī)劃、遙感儀器配置等方面均對WIGOS 2040年愿景做出響應(yīng)，而WMO WIGOS 2040年愿景也為我國風(fēng)云衛(wèi)星未來遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃提供了戰(zhàn)略指導(dǎo)。

5 結(jié)語

對標(biāo)WIGOS 2040年遠(yuǎn)景規(guī)劃，風(fēng)云衛(wèi)星未來規(guī)劃積極響應(yīng)并有效支撐了業(yè)務(wù)骨干系統(tǒng)、業(yè)務(wù)骨干支撐系統(tǒng)兩個層級的布局設(shè)計。風(fēng)云衛(wèi)星未來規(guī)劃主要目標(biāo)是確保長期、連續(xù)、穩(wěn)定的全球觀測能力，因此主要采用綜合大衛(wèi)星業(yè)務(wù)平臺設(shè)計，這種設(shè)計優(yōu)勢主要有兩點，一是平臺綜合性強(qiáng)，可以同時攜帶多臺遙感儀器開展地球系統(tǒng)的綜合觀測；二是平臺穩(wěn)定可靠，可以確保業(yè)務(wù)衛(wèi)星長期穩(wěn)定開展高精度的定量觀測。衛(wèi)星的劣勢是衛(wèi)星的研發(fā)周期長，例如我國的風(fēng)云三號A衛(wèi)星、風(fēng)云四號A衛(wèi)星均經(jīng)歷了超過十年的技術(shù)研發(fā)，不能快速響應(yīng)新的業(yè)務(wù)和研究需求，缺乏靈敏、機(jī)動、快速部署的能力。發(fā)展空間輻射測量技術(shù)，提高衛(wèi)星定量觀測的精度和穩(wěn)定性是業(yè)務(wù)骨干系統(tǒng)、業(yè)務(wù)骨干支撐系統(tǒng)未來發(fā)展的技術(shù)趨勢[24-25]。

氣象衛(wèi)星的出現(xiàn)改變了氣象學(xué)觀測的方式，20世紀(jì)60年代出現(xiàn)并發(fā)展成熟的數(shù)值天氣預(yù)報模式正在向地球系統(tǒng)模式發(fā)展，風(fēng)云衛(wèi)星未來規(guī)劃缺少WIGOS 2040年遠(yuǎn)景規(guī)劃第三層級業(yè)務(wù)開拓和科學(xué)技術(shù)示范系統(tǒng)和第四層級其他補(bǔ)充觀測系統(tǒng)的支撐，不能全方位滿足地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展研究的需要。21世紀(jì)我國的航天事業(yè)快速發(fā)展，在已有氣象衛(wèi)星系列的基礎(chǔ)上，形成了資源、海洋、環(huán)境、高分等多個系列衛(wèi)星的快速發(fā)展[26]，這些為風(fēng)云衛(wèi)星的業(yè)務(wù)開拓和科學(xué)技術(shù)示范系統(tǒng)提供了廣闊深厚的技術(shù)儲備。在其他補(bǔ)充觀測系統(tǒng)方面，未來空基對地觀測的一個重要方向是將先進(jìn)探測儀搭載在微小衛(wèi)星（Cubesat）上，微小衛(wèi)星成本低、研制周期短，利用此類衛(wèi)星組網(wǎng)是對未來風(fēng)云衛(wèi)星觀測系統(tǒng)的有力補(bǔ)充。

新一代衛(wèi)星觀測系統(tǒng)設(shè)計和規(guī)劃需要貫通觀測需求、衛(wèi)星和儀器指標(biāo)任務(wù)要求、航天工業(yè)研制、天地一體化資料接收處理加工、資料應(yīng)用的全部鏈條，是一項綜合性強(qiáng)、復(fù)雜性高、涉及人員廣的系統(tǒng)性工作。在全鏈條的設(shè)計規(guī)劃任務(wù)中，觀測系統(tǒng)模擬和評估[27]是優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，最大化發(fā)揮衛(wèi)星應(yīng)用效益的重要環(huán)節(jié)，是我國新一代衛(wèi)星觀測系統(tǒng)設(shè)計和規(guī)劃需要加強(qiáng)的一項工作。

在新一輪的風(fēng)云衛(wèi)星規(guī)劃中，衛(wèi)星資料應(yīng)用設(shè)計必需與衛(wèi)星研制同步開展，這是我國遙感衛(wèi)星規(guī)劃的短板。在衛(wèi)星資料應(yīng)用層面，我國氣象衛(wèi)星的遙感應(yīng)用體系初步建立，國產(chǎn)衛(wèi)星資料同化技術(shù)進(jìn)步顯著，風(fēng)云衛(wèi)星在國產(chǎn)數(shù)值天氣預(yù)報模式中的資料同化量不斷提高，風(fēng)云衛(wèi)星在天氣分析、氣候與氣候變化，生態(tài)環(huán)境和自然災(zāi)害監(jiān)測等方面正在從廣度向深度發(fā)展[28-29]。其中，天氣分析是氣象衛(wèi)星的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，氣象衛(wèi)星的出現(xiàn)在20世紀(jì)極大提高了預(yù)報員對天氣尺度的監(jiān)測和分析能力，但到目前為止對于百千米及其以下中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測和分析能力有限，中小尺度天氣系統(tǒng)生命周期短、發(fā)展演變快、局地致災(zāi)危害強(qiáng)，是新一輪風(fēng)云衛(wèi)星應(yīng)用規(guī)劃中需要重點關(guān)注的方向。高低軌衛(wèi)星協(xié)同觀測能力，云和氣溶膠、大氣成分、大氣動力參數(shù)獲取等也是新一輪風(fēng)云衛(wèi)星規(guī)劃的重點。

自主可控的國產(chǎn)化道路和開放合作的國際化道路是風(fēng)云衛(wèi)星高質(zhì)量發(fā)展的雙翼，風(fēng)云衛(wèi)星已被納入了全球業(yè)務(wù)應(yīng)用氣象衛(wèi)星序列。未來風(fēng)云衛(wèi)星仍需積極參與全球氣象觀測體系建設(shè)，展示我國對地球大氣、海洋、地表環(huán)境觀測能力，鞏固提升全球?qū)Φ赜^測能力。堅持?jǐn)?shù)據(jù)共享的開放政策，秉承義利相兼、以義為先的原則，務(wù)實推進(jìn)氣象衛(wèi)星國際合作，并與“一帶一路”等廣大發(fā)展中國家開展多層面、多領(lǐng)域合作，為促進(jìn)全球防災(zāi)減災(zāi)和氣象事業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)中國智慧。

致謝：國家衛(wèi)星氣象中心許健民院士對本文給予細(xì)致審閱，提出重要修改意見和建議，在此表示衷心感謝！