揭秘氣象觀測(cè)重器
——我國(guó)新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)01星技術(shù)與應(yīng)用解讀

□ 倪偉/文 顧元翔/攝

揭秘氣象觀測(cè)重器
——我國(guó)新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)01星技術(shù)與應(yīng)用解讀

□ 倪偉/文 顧元翔/攝

2016年12月11日凌晨，我國(guó)新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)首發(fā)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空。風(fēng)云四號(hào)不僅是我國(guó)風(fēng)云衛(wèi)星中最先進(jìn)的一顆星，也代表著世界同類衛(wèi)星最高水平。可以說(shuō)，在氣象衛(wèi)星領(lǐng)域，風(fēng)云四號(hào)使我國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)躍進(jìn)了一步。

將四項(xiàng)蘊(yùn)含全球頂尖技術(shù)的關(guān)鍵載荷集于一身的風(fēng)云四號(hào)，在提高我國(guó)氣象監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)能力的同時(shí)，也為東半球帶來(lái)了福音。

風(fēng)云衛(wèi)星：千年未有之變局

新中國(guó)成立以后，對(duì)我國(guó)重創(chuàng)最嚴(yán)重的20個(gè)臺(tái)風(fēng)中，近3/4發(fā)生于1988年之前。而從登陸時(shí)中心氣壓和最大風(fēng)速等數(shù)據(jù)來(lái)看，1949年以來(lái)登陸我國(guó)最強(qiáng)的8個(gè)臺(tái)風(fēng)，有一半產(chǎn)生于1988年以后。

可見(jiàn)，近30年來(lái)登陸我國(guó)的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)并沒(méi)有減少，但每一次造成的損失都不及前30年的那些臺(tái)風(fēng)災(zāi)難，甚至不及其一個(gè)零頭。建國(guó)之初，一次臺(tái)風(fēng)動(dòng)輒導(dǎo)致數(shù)千人遇難，而到了2014年，新中國(guó)歷史上的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)——在海南登陸的威馬遜——造成的遇難人數(shù)為56人。

臺(tái)風(fēng)依然可怕，但不再如幾十年前那樣讓人恐怖。這樣的感受，同樣適用于洪澇、干旱、暴雨、沙塵暴等自然災(zāi)害事件。引起這種變化的多種原因中，最重要的或許是氣象衛(wèi)星的應(yīng)用。

我國(guó)氣象衛(wèi)星就是風(fēng)云衛(wèi)星，此前，從1988年風(fēng)云一號(hào)第一顆衛(wèi)星發(fā)射起，我國(guó)共發(fā)射了14顆風(fēng)云衛(wèi)星，分為風(fēng)云一號(hào)、風(fēng)云二號(hào)、風(fēng)云三號(hào)3個(gè)系列，均由上海航天技術(shù)研究院抓總研制。

風(fēng)云衛(wèi)星為我國(guó)開(kāi)了追風(fēng)觀云的“天眼”，讓中國(guó)人開(kāi)始擺脫數(shù)千年來(lái)對(duì)“天有不測(cè)風(fēng)云”的無(wú)助。風(fēng)調(diào)雨順不再只是一個(gè)美好的愿望，而是可以依靠科技去預(yù)測(cè)甚至改造的結(jié)果。以臺(tái)風(fēng)為例，從1998年風(fēng)云二號(hào)投入運(yùn)行以來(lái)，截至目前，西太平洋生成過(guò)444個(gè)臺(tái)風(fēng)（包括登陸或影響我國(guó)的168個(gè)），全部都被置于衛(wèi)星監(jiān)測(cè)之下，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率連年提升。風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星上崗后，預(yù)報(bào)了我國(guó)每一次沙塵暴發(fā)生、發(fā)展、演變和消亡的整個(gè)生命史。自從有了風(fēng)云衛(wèi)星，我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)、氣候變化應(yīng)對(duì)的面貌為之一變。

對(duì)氣象的觀測(cè)需求是無(wú)止境的。我國(guó)自然災(zāi)害頻發(fā)，各類氣象災(zāi)害嚴(yán)重威脅著國(guó)民人身和財(cái)產(chǎn)安全，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失以千億元計(jì)。中央氣象臺(tái)此前發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，受超強(qiáng)厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象的影響，2016年1-10月，氣象災(zāi)害共造成我國(guó)直接經(jīng)濟(jì)損失近5000億元人民幣。

無(wú)論技術(shù)多先進(jìn)，面對(duì)波詭云譎的大自然，氣象衛(wèi)星都顯得不夠。因此，風(fēng)云衛(wèi)星的演進(jìn)也是無(wú)止境的。2008年登場(chǎng)的風(fēng)云三號(hào)是風(fēng)云一號(hào)的增強(qiáng)版，已經(jīng)全面替代風(fēng)云一號(hào)。1997年風(fēng)云二號(hào)首次發(fā)射，服務(wù)了近20年后，如今其替代星——風(fēng)云四號(hào)——也正式上場(chǎng)。

長(zhǎng)三乙托舉風(fēng)云四號(hào)進(jìn)入太空 張文軍 攝

風(fēng)云四號(hào)：慧眼凝視東半球

國(guó)際主流氣象衛(wèi)星分為兩類，一類是風(fēng)云一號(hào)、風(fēng)云三號(hào)這樣的極軌氣象衛(wèi)星，另一類是以風(fēng)云二號(hào)、風(fēng)云四號(hào)為代表的靜止軌道氣象衛(wèi)星。

極軌衛(wèi)星運(yùn)行于距地球500千米～1000千米高度的太陽(yáng)同步軌道上，始終繞地球旋轉(zhuǎn)；靜止軌道衛(wèi)星定位于3.6萬(wàn)千米地球同步軌道上空，與地球相對(duì)靜止。前者掃視地球全局，后者則凝視著以中國(guó)為中心的東半球。

靜止軌道氣象衛(wèi)星是短期天氣預(yù)報(bào)的主導(dǎo)力量。當(dāng)前中央電視臺(tái)天氣預(yù)報(bào)的衛(wèi)星云圖，基本來(lái)自于風(fēng)云二號(hào)E、F、G三顆星。而風(fēng)云三號(hào)這樣的極軌衛(wèi)星，則為更大時(shí)間和空間尺度的全球氣候變化和環(huán)境監(jiān)測(cè)收集著數(shù)據(jù)，它可以看見(jiàn)亞馬遜熱帶雨林一只蝴蝶扇動(dòng)翅膀，是如何在美國(guó)得克薩斯州引發(fā)一場(chǎng)龍卷風(fēng)的。

天氣預(yù)報(bào)是否準(zhǔn)確，不僅要看氣象衛(wèi)星本身夠不夠先進(jìn)，也取決于這兩種氣象衛(wèi)星能否密切配合。如今，全球同時(shí)擁有這兩種氣象衛(wèi)星的，只有中國(guó)、美國(guó)和歐洲，氣象衛(wèi)星領(lǐng)域因此形成三足鼎立局面。

2016年10月，美國(guó)發(fā)射了GOES-R氣象衛(wèi)星，日本發(fā)射了葵花九號(hào)衛(wèi)星（關(guān)鍵技術(shù)來(lái)自于美國(guó)），歐洲MTG衛(wèi)星正在研制中，這標(biāo)志著新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星集體登場(chǎng)。此時(shí)，風(fēng)云四號(hào)發(fā)射升空，共同推動(dòng)了靜止軌道氣象衛(wèi)星新時(shí)代的到來(lái)。

之所以能擔(dān)起“新一代”之名，風(fēng)云四號(hào)的技術(shù)堪稱革命性。

與國(guó)外相比，風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星工程總師李卿稱，風(fēng)云四號(hào)與GOES-R長(zhǎng)波紅外等波段；成像時(shí)間分辨率提高一倍，單星即可完成風(fēng)云二號(hào)雙星組網(wǎng)才能實(shí)現(xiàn)的15分鐘全圓盤(pán)成像，僅需1分鐘就能為1000平方千米區(qū)域成像……

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星投入業(yè)務(wù)運(yùn)行之后，將逐步接替風(fēng)云二號(hào)，進(jìn)一步提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。同時(shí)，它還將實(shí)現(xiàn)一些以往從未有過(guò)的新功能，比如大氣垂直觀測(cè)，以及捕捉閃電等。

在風(fēng)云四號(hào)發(fā)射以前，我國(guó)發(fā)射的風(fēng)云一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)衛(wèi)星示意圖

上圖：臺(tái)風(fēng)來(lái)襲右圖：2014年7月7日風(fēng)云二號(hào)E星所拍攝的臺(tái)風(fēng)“浣熊”衛(wèi)星云圖

全球靜止軌道氣象衛(wèi)星在軌示意圖

2014年7月7日，風(fēng)云二號(hào)E星所拍攝的臺(tái)風(fēng)“浣熊”衛(wèi)星云圖

“黑科技”（一）：感知0.1度冷暖 克服0.1毫克振動(dòng)

話不多說(shuō)，直接看東西。和MTG成像觀測(cè)能力相當(dāng)。然而，只有風(fēng)云四號(hào)實(shí)現(xiàn)了把成像輻射計(jì)和干涉式垂直大氣探測(cè)儀裝于同一臺(tái)衛(wèi)星上，既能進(jìn)行二維掃描式觀測(cè)，也能對(duì)大氣進(jìn)行垂直方向的三維分層分析。

由此看來(lái)，風(fēng)云四號(hào)不僅穩(wěn)居世界一流氣象衛(wèi)星之列，而且很可能是最先進(jìn)的一顆。

與前輩風(fēng)云二號(hào)相比，風(fēng)云四號(hào)從單一載荷變?yōu)?項(xiàng)主要載荷，承擔(dān)了4項(xiàng)不同功能。掃描成像輻射計(jì)的通道從5個(gè)增加到14個(gè)，覆蓋3個(gè)可見(jiàn)光和11個(gè)短波紅外、中波紅外和

這顆或許是世界上最厲害的氣象衛(wèi)星自帶了一些令人驚嘆的“黑科技”，這些“黑科技”主要依靠4個(gè)關(guān)鍵載荷實(shí)現(xiàn)。

首先是多通道掃描成像輻射計(jì)。氣象衛(wèi)星觀測(cè)地表狀況，主要通過(guò)不同溫度的輻射來(lái)辨識(shí)。

風(fēng)云四號(hào)成像并不是一次性掃描完整個(gè)半球，而是一行一行掃描，再拼出整個(gè)圖像，就像多個(gè)柵條合成一個(gè)百葉窗。相鄰“柵條”之間既不能有縫隙，又不能大面積重合，這要求衛(wèi)星鏡頭定位極其準(zhǔn)確——不超過(guò)1千米。地面誤差不超過(guò)1千米，在3.6萬(wàn)千米之遙的衛(wèi)星上，鏡頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度就要控制在5角秒之內(nèi)。5角秒是多少呢？相當(dāng)于秒鐘“滴答”轉(zhuǎn)動(dòng)一格角度的1/4320。

所以，衛(wèi)星拍攝圖像時(shí)，既要“瞄得準(zhǔn)”——相機(jī)準(zhǔn)確定位，也要“對(duì)得上”——相鄰圖像配準(zhǔn)精確。這就是氣象衛(wèi)星領(lǐng)域的世界性難題：圖像定位與配準(zhǔn)。美國(guó)從1994年開(kāi)始研究，通過(guò)數(shù)顆衛(wèi)星持續(xù)改進(jìn)，直到2006年才有所改善，最新的GOES-R衛(wèi)星達(dá)到了1千米的定位精度。如果在軌運(yùn)行良好，風(fēng)云四號(hào)將一步達(dá)到這個(gè)水平。

氣象衛(wèi)星屬于定量遙感衛(wèi)星的一種，需要獲取準(zhǔn)確的、定量化的大氣和地表觀測(cè)信息。從3.6萬(wàn)千米高空看地表某處，風(fēng)云四號(hào)感應(yīng)出的溫度與實(shí)測(cè)溫度不超過(guò)1攝氏度。而每當(dāng)觀測(cè)區(qū)域升溫或降溫0.1攝氏度，風(fēng)云四號(hào)立刻就能感知。

風(fēng)云四號(hào)在發(fā)射場(chǎng)廠房出包裝箱后翻身

極少數(shù)的人能聽(tīng)出“絕對(duì)音高”，風(fēng)云衛(wèi)星則需要感知“絕對(duì)輻射值”。然而，輻射計(jì)往往受到干擾，感知的輻射值與真實(shí)值產(chǎn)生偏差，因此需要為衛(wèi)星尋找一個(gè)準(zhǔn)確的輻射值作為標(biāo)準(zhǔn)（“定標(biāo)”）。準(zhǔn)確的輻射值來(lái)自于保持確定溫度的定標(biāo)物。衛(wèi)星一邊對(duì)著定標(biāo)物掃描，校正“標(biāo)尺”，一邊利用這個(gè)“標(biāo)尺”測(cè)定觀測(cè)區(qū)域的數(shù)值。研制人員為風(fēng)云四號(hào)選擇的定標(biāo)物包括月亮、宇宙空間內(nèi)4開(kāi)（接近絕對(duì)零度）冷背景、控溫在300開(kāi)的一個(gè)星上黑體以及多個(gè)地面靶標(biāo)等等。

第二項(xiàng)關(guān)鍵載荷是干涉式大氣垂直探測(cè)儀。底層云與高層云之間存在著溫差，從而產(chǎn)生對(duì)流，發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣。當(dāng)我們對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的研究不斷深入時(shí)，就必須對(duì)不同高度的大氣進(jìn)行一層層切片分析。用風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師董瑤海的話說(shuō)，就像對(duì)大氣環(huán)境作CT掃描，對(duì)暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣的觀測(cè)將更細(xì)致、更準(zhǔn)確。

然而，干涉式垂直探測(cè)儀對(duì)振動(dòng)干擾極其敏感，些微振動(dòng)就會(huì)誘發(fā)動(dòng)鏡發(fā)生角秒級(jí)的傾斜，使得光譜性能退化。其最敏感的一段，微振動(dòng)量級(jí)必須小于0.1毫克（手輕擊桌面的振動(dòng)量級(jí)約為300毫克，說(shuō)話聲擾動(dòng)空氣的振動(dòng)量級(jí)約為1毫克）。微振動(dòng)測(cè)量與抑制難題的攻克，在我國(guó)衛(wèi)星研制史上也是開(kāi)創(chuàng)性的。

風(fēng)云四號(hào)將掃描成像輻射計(jì)與干涉式大氣垂直探測(cè)儀集于一身，這不僅是全球首創(chuàng)，也挑戰(zhàn)了行業(yè)慣例。因?yàn)閮膳_(tái)載荷均裝有運(yùn)動(dòng)部件，同時(shí)工作會(huì)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)產(chǎn)生擾動(dòng)。歐美均未實(shí)現(xiàn)“合體”，歐洲計(jì)劃用兩顆衛(wèi)星分別實(shí)現(xiàn)成像觀測(cè)和垂直探測(cè)，后者最快2022年才能發(fā)射。風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)則通過(guò)圖像配準(zhǔn)與導(dǎo)航和整星隔振等技術(shù)，第一個(gè)登上了珠穆朗瑪峰。

這不是“炫技”之舉，不僅可以節(jié)約成本，對(duì)于氣象觀測(cè)效果也大有裨益。風(fēng)云四號(hào)副總設(shè)計(jì)師沈毅力解釋，這兩臺(tái)儀器以同一個(gè)角度觀測(cè)同一個(gè)目標(biāo)，綜合水平與垂直方向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，會(huì)進(jìn)一步提高觀測(cè)精度。

“黑科技”（二）：捕捉閃電之光 預(yù)報(bào)宇宙晴雨

第三項(xiàng)載荷閃電成像儀，將使我國(guó)開(kāi)始在高空抓拍閃電。成像儀以每秒500張照片的速度高速抓怕，并且在星上進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，篩選出有閃電的圖片立即傳回地面。閃電的光譜非常窄，波長(zhǎng)只在777納米這個(gè)點(diǎn)上，因此成像儀必須過(guò)濾掉其他波長(zhǎng)，只接收777±1納米的光，這對(duì)成像儀提出了極高的光學(xué)要求。

雷電往往伴隨著暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣，閃電監(jiān)測(cè)將成為強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)和跟蹤的一個(gè)新手段。

第四項(xiàng)重要載荷空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器包有些特殊，它并非用于觀測(cè)地球上的風(fēng)霜雨雪，而是用來(lái)觀測(cè)宇宙空間的“天氣”。地面上的人需要了解天氣、應(yīng)對(duì)氣象災(zāi)害，宇宙中的航天器和航天員同樣需要了解宇宙“天氣”。

空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器包包括高能粒子探測(cè)器、三軸磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)、衛(wèi)星輻照計(jì)量?jī)x與充電電位測(cè)量?jī)x，可用于災(zāi)害性空間天氣事件的監(jiān)測(cè)，對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)、地磁環(huán)境、電離層和高層大氣環(huán)境及衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行預(yù)報(bào)。例如，空間電磁風(fēng)暴會(huì)干擾通信衛(wèi)星的運(yùn)行，空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器可以監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)太陽(yáng)風(fēng)暴的發(fā)生，為航天器和航天員提供環(huán)境預(yù)警。

將如此多精密載荷集于一身的風(fēng)云四號(hào)，并非獨(dú)自漂浮在宇宙中，它乘坐在一個(gè)平穩(wěn)可靠的座椅上——SAST5000衛(wèi)星平臺(tái)。SAST5000是具有角秒級(jí)測(cè)量和控制精度的高軌三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺(tái)，采用了六面柱體構(gòu)型，優(yōu)點(diǎn)包括承載能力大、質(zhì)心低、力學(xué)響應(yīng)小、對(duì)地面大等等，國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的高精度圖像定位與配準(zhǔn)技術(shù)和微振動(dòng)抑制測(cè)量技術(shù)等均依靠平臺(tái)才能實(shí)現(xiàn)。

SAST5000伴隨風(fēng)云四號(hào)首次登場(chǎng)，也一舉收獲我國(guó)“最強(qiáng)定量遙感衛(wèi)星平臺(tái)”的榮譽(yù)。

風(fēng)云四號(hào)效果圖

測(cè)試風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星電池帆板

造福人類：普天之下共安寧

幾十年來(lái)，風(fēng)云衛(wèi)星因?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)被人們熟知，但其作用其實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)天氣預(yù)報(bào)。長(zhǎng)周期氣象資料的收集，對(duì)于氣候觀測(cè)和預(yù)報(bào)起到了重要作用，大到厄爾尼諾、拉尼娜現(xiàn)象的預(yù)判，小到暖冬、冷冬、季節(jié)降水量的預(yù)測(cè)。利用大氣觀測(cè)，風(fēng)云衛(wèi)星可以追蹤全球?qū)α魈鞖猓瑢?duì)海面溫度的觀測(cè)，則可以分析洋流形勢(shì)。風(fēng)云衛(wèi)星還密切關(guān)注全球氣候變化，全方位對(duì)南北極冰蓋融化現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)觀察，并監(jiān)控、分析南極圈臭氧層的變化。

定位在東半球上空的風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星，已經(jīng)成為東半球共同的氣象守護(hù)神，東亞、東南亞、南亞、大洋洲等國(guó)家與地區(qū)，均使用風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象監(jiān)測(cè)。俯瞰全球的風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星，則是全人類共同的財(cái)富，2015年風(fēng)云三號(hào)C星被列入了空間與重大災(zāi)害憲章。

風(fēng)云衛(wèi)星已經(jīng)被世界氣象組織（WMO）納入國(guó)際氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星序列，為全球用戶提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務(wù)。目前接受和應(yīng)用風(fēng)云衛(wèi)星資料的國(guó)家和地區(qū)多達(dá)70多個(gè)，確立了我國(guó)在氣象觀測(cè)領(lǐng)域的國(guó)際重要地位。

2005 年 1 月 ，時(shí)任國(guó)務(wù)院總理溫家寶在出席印度洋海嘯高峰領(lǐng)導(dǎo)人會(huì)議時(shí)，向各國(guó)表示，中國(guó)愿意與受災(zāi)國(guó)家分享風(fēng)云衛(wèi)星的有關(guān)資料和產(chǎn)品，為區(qū)域各國(guó)氣候預(yù)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害評(píng)估提供信息和技術(shù)支持。后來(lái)，中國(guó)政府又向孟加拉國(guó)、印尼、伊朗、蒙古、巴基斯坦、秘魯和泰國(guó)等國(guó)贈(zèng)送風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以接收利用風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)，還可接收利用美國(guó)和歐洲同類遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，保護(hù)一方氣象安全。

在風(fēng)云四號(hào)升空之前，其全球首個(gè)干涉式大氣垂直探測(cè)儀已經(jīng)為世界矚目，國(guó)外已有科研機(jī)構(gòu)提出申請(qǐng)，希望中國(guó)能開(kāi)放相關(guān)探測(cè)數(shù)據(jù)，共同開(kāi)發(fā)其學(xué)術(shù)價(jià)值。

氣象衛(wèi)星國(guó)際合作之路將隨著風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星繼續(xù)延伸。國(guó)家國(guó)防科工局表示，風(fēng)云四號(hào)將進(jìn)一步拓展國(guó)際合作，促進(jìn)開(kāi)放共享，為“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施提供有力支持。

航天是一項(xiàng)在競(jìng)爭(zhēng)中不斷發(fā)展的事業(yè)，尤其在各航天強(qiáng)國(guó)、航天大國(guó)之間，存在著激烈的角逐。然而，在氣象衛(wèi)星的應(yīng)用上，卻呈現(xiàn)出難得的和諧。因?yàn)闅庀笈c全人類生存與發(fā)展息息相關(guān)，各國(guó)發(fā)展氣象衛(wèi)星的目的一致，都是造福人類。氣象衛(wèi)星技術(shù)的每一次進(jìn)步，都增強(qiáng)著人類全體面對(duì)氣象變化的力量，人類就是這樣，永遠(yuǎn)鍥而不舍地以獨(dú)有的智慧驅(qū)散著無(wú)助與脆弱。★