FY-3衛星應用和發展

楊忠東，張 鵬，谷松巖，朱愛軍，胡秀清，楊 軍

(中國氣象局 國家衛星氣象中心,北京 100081)

FY-3衛星應用和發展

楊忠東，張 鵬，谷松巖，朱愛軍，胡秀清，楊 軍

(中國氣象局 國家衛星氣象中心,北京 100081)

回顧了風云三號(FY-3)衛星的應用和發展歷程。介紹了FY-3衛星裝載的成像、大氣探測、輻射收支探測、大氣成分監測和空間環境監測器5類儀器包，可實現從紫外、可見光、近紅外、中紅外、熱紅外到微波的多種電磁波譜段的遙感和探測。給出了地面應用系統生成的大氣、陸地、海洋和空間天氣等科學和應用領域的衛星遙感信息產品及其分辨率與精度。列舉了部分典型的FY-3衛星數據在數值天氣預報、臭氧和二氧化碳等大氣成分和氣候監測、生態環境和災害監測等領域的應用結果。展望了未來FY-3衛星的發展，其中包含的4顆衛星，按晨昏、上午、下午近極地太陽同步軌道衛星3顆和傾斜軌道降水測量衛星1顆布局安排，組網完整的FY-3業務衛星的綜合觀測能力將有極大的提高，帶動我國氣象衛星應用進入成熟發展階段。

FY-3衛星； 有效載荷； 遙感信息產品； 數值天氣預報； 大氣成分和氣候監測； 生態環境監測； 災害監測； 組網觀測

0 引言

FY-3衛星是我國第二代極地軌道太陽同步氣象衛星，其主要任務是為數值天氣預報提供全球均勻分辨率的氣象參數；研究全球變化包括氣候變化規律，為氣候預測提供各種氣象及地球物理參數；監測大范圍自然災害和生態環境；為各種專業活動提供全球任一地區的氣象信息，可實現全球、全天候、多光譜、三維、定量的對地氣象與環境綜合探測。FY-3A星于2008年5月27日發射成功。作為我國新一代風云極軌氣象衛星的首發試驗試用衛星，A星裝載了先進探測儀器11種，具有有效載荷多、運動部件多的特點，且大部分儀器屬于首次上星，儀器的定量探測性能要求高、技術復雜、研制難度大，整星研制水平與國際同類氣象衛星相當[1]。2008年11月，A星正式投入業務試運行，標志著我國極軌氣象衛星成功地完成了技術升級換代，實現了新的跨越發展。FY-3B星于2010年11月5日發射成功。FY-3A、B星上、下午星組網探測使我國繼美國之后成為世界上第二個具有此項能力的國家，使全球資料的觀測時效從12 h提高到4.5 h。FY-3C星于2013年9月23日發射成功。作為FY-3系列衛星的首顆業務星，C星成功發射及穩定運行標志著我國第二代極軌氣象衛星實現了從試驗試用型向業務服務型的轉變；衛星設計壽命從3年提高到5年，實現了高時效的全球中高分辨率光學成像觀測能力，預計可使我國全球數值天氣預報精度提高3%，其資料將在天氣預報、氣候及氣候變化研究、自然災害和空間環境監測等領域發揮更大作用，為防災減災、國民經濟建設和國防建設做出更大貢獻。

從20世紀90年代初FY-3衛星的需求論證開始，經過二十多年的發展，FY-3衛星實現了技術升級換代和上、下午星組網觀測，每顆衛星裝載遙感儀器10多臺套，空間分辨率從千米量級提高到百米量級，通過紫外、可見、紅外和微波的全波譜探測，實現了對全球天氣、氣候、生態環境和自然災害的綜合遙感。FY-3衛星實現系列化發展、業務化運行，初步實現了從試驗試用型向業務服務型的轉變。FY-3衛星在臺風、洪澇、干旱等自然災害的監測中發揮了不可或缺的作用。進入21世紀，全國因臺風、洪澇災害死亡或失蹤人數平均比20世紀90年代減少了約70%，直接經濟損失平均減少約40%，氣象衛星功不可沒。據估算，氣象衛星投入產出效益比超過1∶40，是我國民用遙感衛星中應用范圍最廣、效益發揮最好的衛星。本文介紹了FY-3衛星的應用和發展。

1 衛星遙感儀器和信息產品

FY-3衛星是國內搭載遙感探測儀器最多的對地遙感衛星，衛星創新性地采用了先進的綜合對地觀測衛星總體技術、高可靠衛星姿態控制技術、先進的定量遙感技術、天地一體化的數據獲取與預處理技術、全球三維大氣高精度定量反演技術、數值天氣預報衛星資料同化應用技術和地球氣候系統衛星信息提取及應用等多項新技術，實現了從二維遙感成像到三維綜合大氣探測，從單一的光學探測到紫外、可見、紅外和微波的全譜段寬波譜探測，從寬覆蓋公里級觀測提高到百米級觀測，從國內組網接收到全球南北極組網接收等四大技術跨越，其整體探測能力和應用達到當今國際先進水平。

FY-3衛星具有有效載荷多、探測類型多、運動部件多的特點，且大部分儀器屬于首次上星，遙感探測儀器的定量性能要求高、技術復雜、研制難度大。

1.1遙感儀器

FY-3衛星具備對大氣、海洋和地表狀態進行全球、全天候條件下的多光譜和三維精確觀測的能力，能為提高中國及其他亞洲國家，乃至全世界的天氣預報的質量和自然災害與環境的監測水平做出貢獻[2-3]。FY-3A，B，C星均載有五大類(儀器包)十多種成像和探測等儀器，其中成像儀器包有可見光與紅外輻射計(VIRR)，中分辨率光譜成像儀(MERSI)，微波輻射成像儀(MWRI)；大氣探測儀器包有大氣紅外探測儀(IRAS)，微波溫度探測儀(MWTS)，微波濕度探測儀(MWHS)和掩星探測儀(GNOS)；輻射收支探測儀器包有太陽輻射監測儀(SIM)和地球輻射測量儀(ERM)；大氣成分臭氧儀器包有紫外臭氧垂直廓線探測儀(SBUS)和臭氧總量探測裝置(TOU)；空間環境監測儀器包有空間環境監視器(SEM)。相關儀器技術參數見表1。

1.2遙感信息產品

FY-3衛星遙感探測應用信息產品由通常意義上的二級和三級產品組成，即大氣物理參數、云、地表參數和海空環境參數。大氣與地球物理參數是在一級地理定位、輻射定標數據的基礎上應用輻射傳輸原理開發的科學算法計算分析得到。二級產品主要用于天氣分析與預報、災害與環境監測。三級產品是按10 d、1月、1年的時間序列時間空間合成二級產品后得到的統計分析產品，主要用于氣候研究[4-5]。所有產品都是以HDF分層數據格式構建的，便于使用者提取和顯示。大氣和云產品包括溫度和濕度資料、大氣穩定性指數、可降水總量、云檢測、云頂溫度、云的類型和云可見光厚度。陸地與海洋表面產品包括植被指數、陸地覆蓋(植被類型)、雪蓋、地表反射率、地表溫度、洪水指數、全球火災、海平面溫度、海洋水色/葉綠素和海冰覆蓋。空間氣象產品包括太陽質子、太陽離子、太陽電子、潛在輻射量和單一事件觀測。具體見表2。表2中：NDVI為歸一化植被指數；BRDF為雙向反射函數；TBD為待定。FY-3A星的2008年7月19日14軌全球真彩色合成圖像如圖1所示。圖1由地面應用系統業務運行自動生成，圖中白色大氣云團、藍色海面，以及褐色和綠色的陸地真實清晰可見，由于時間是夏季，北極地區極晝明亮，南極地區極夜黑暗。原始數據圖像空間分辨率為250 m。

表1 FY-3衛星遙感探測儀器技術參數

表2 FY-3衛星地面應用系統生成的業務數據產品

圖1 FY-3A星中分辨率光譜成像儀夏季全球影像鑲嵌圖(2008年7月19日)Fig.1 Summer global image by MERSI of FY-3A satellite on July 19, 2008

2 衛星遙感應用

FY-3衛星的三項最主要應用任務為天氣預報、氣候監測和環境災害監測。第一個任務是獲取全球溫度和濕度資料，以及云、輻射和其他氣象參數，以提高天氣預報的精確度，尤其是數值天氣預報產品的精確度。第二個任務是全球氣候監測，包括用于短期氣候預測研究的輻射平衡、雪蓋、海平面溫度、溫室氣體和臭氧層監測。第三個任務是對生態、環境、災害的全球遙感與監測。

從國際發展趨勢來看，極軌氣象衛星采用光學、微波等綜合觀測手段，實行上午星和下午星組網業務觀測；衛星功能先進，綜合觀測能力強，定量精度高。歐美氣象衛星的遙感儀器從光學到微波種類齊全，性能指標先進；光學及微波輻射定標能力、數據產品真實性檢驗能力配套齊全。氣象衛星綜合應用水平較高，衛星資料在數值預報模式資料同化中占有的比例已大于90%。風云衛星在此還需要做更多工作，迎頭趕上。

2.1數值天氣預報模式應用

數值天氣預報是現代天氣預報的支柱。預報產品的影響、精確度的局限性和及時性都取決于大氣物理和化學過程的初始場描述的精準與否。FY-3衛星的遙感數據包括風、溫度、濕度、云、降水、氣溶膠及其他大氣狀態相關信息。這些觀測數據資料對提高數值預報中初始場的精度十分重要。

同化應用氣象衛星觀測數據可極大地改進預報準確度。歐洲中期天氣數值預報中心(ECMWF)于20世紀90年代初率先開展了衛星資料在數值預報中的同化應用研究，之后美國、加拿大和日本相繼開展了資料同化業務。相較而言，ECMWF的數值預報系統是目前氣象衛星資料同化最好的系統，其預報分析場能以分辨儀器0.1 K的觀測系統誤差，對新觀測資料的質量及同化效果給出公認的相對權威、客觀的評價。

文獻[6]用較準確的ECMWF數值預報平臺，對我國FY-3衛星的三個大氣探測儀器和微波成像儀數據進行了同化應用評價研究，并對該儀器觀測數據質量及在數值天氣預報中的應用潛力進行了驗證與評價。結果表明：總體與國際同類先進儀器相當，其中微波溫度計的靈敏度指標高于設計水平，表明我國在這方面的實際研制水平較高；消除觀測系統偏差后，FY-3A星4個儀器的數據質量達到了數值天氣預報同化應用的要求；同化FY-3A星數據對預報準確度有改進，時效有所延長，并得到國際同行的認可。

文獻[7]以WRF-3DVar模式的數值同化模塊作為開發基礎，在變分同化框架中建立FY-3衛星微波溫度儀和微波濕度儀資料的直接變分同化系統，用FY-3衛星微波探測數據進行了臺風莫拉克預報同化實驗，結果表明：FY-3A星顯著增強對地球系統的綜合探測能力，尤其對海上臺風的觀測能力。數值模式對微波垂直探測資料同化試驗表明，同化后，模式初始場能更合理地反映海上臺風環流形勢及溫濕條件，并對臺風路徑預報效果有積極的改善作用。

文獻[8]在WRF3Dvar中擴展了FY-3A星微波探測資料同化功能和RTTOV微波云雨粒子散射RTTOV-SCATT模塊接口，針對FY-3A同化應用、云檢測方案、偏差訂正調整和云雨條件下亮溫模擬的試驗，分析得到結論：研究個例中FY-3A星微波資料的使用對臺風強度預報有明顯改善；對FY-3A星的MWTS，MWHS使用單窗區通道作為云檢測時，選擇合適閥值可得到較好預報效果；用FY-3A星資料導出的偏差訂正系數可改善偏差訂正結果，并提高預報準確率。

2.2氣候監測應用

氣候變化導致了人類生存環境的變化。觀測與研究表明：二氧化碳、甲烷等溫室氣體，以及臭氧和氣溶膠是影響氣候變化的主要因子。FY-3衛星上遙感儀器的使用將是對全球氣候變化的敏感因子進行持續觀測和評估的有效途徑。

文獻[9]根據紅外分光計光譜通道特征，發展了對應的大氣輻射傳輸計算模式以大氣分子吸收光譜數據集為初始譜線輸入資料利用該模式模擬計算紅外分光計在CO2吸收帶的10個通道輻射率測值對CO2濃度變化的響應，并對比了其與大氣溫度和水汽、O3等氣體濃度誤差對輻射率測值的影響，探討了利用FY-3衛星探測大氣CO2濃度的可行性。結果表明：通道4最適于監測大氣CO2濃度的變化。

文獻[10]對FY-3衛星全球臭氧總量反演和真實性檢驗結果的分析表明：FY-3衛星紫外臭氧總量探測儀成功地實現了對全球臭氧總量分布, 特別是廣為關注的南極地區和青藏高原地區臭氧異常變化的連續監測，監測結果與已有的研究成果相符，證實了FY-3衛星紫外臭氧總量探測儀全球臭氧總量的反演精度與國際同類衛星相當。文獻[11]用FY-3B星的臭氧垂直探測儀和NOAA的臭氧探測資料, 監測2011年3月1日～4月5日北極地區臭氧低值事件發生發展全過程，發現臭氧低值區臭氧總量為200～250 DU, 局部極低值約200 DU, 達到臭氧洞水平, 較通常水平低100～200 DU。此次北極臭氧低值事件始于3月1日, 終于4月5日，期間經歷擴展-消亡、圍繞極地自西向東方向旋轉、由極區沿經線向中緯度擴散等多個發展變化過程。這次非常罕見的北極地區臭氧低值事件影響范圍除極區外, 還波及從歐洲到俄羅斯中部的廣大人口密集地區, 導致這些地區地表紫外線強度的急劇增強, 對人類身體健康和環境造成重要影響, 對此需引起高度關注。

2.3生態環境災害監測

我國各種自然災害有廣泛的地理分布和較高的發生率，通常會造成巨大的經濟損失。防災減災的一個主要目標就是建立監測衛星遙感系統并組成一個三維自然災害監測系統。作為監測天氣擾動和其衍生災害的主要手段，FY-3衛星有不可取代的地位，在與臺風、風暴、洪水、干旱、雪、沙塵暴、霧和霾，以及農業、林業、海洋、生態和環境災害相關的宏觀動態的大尺度自然災害領域中尤為重要。植被、干旱和作物生長的監測需要氣象衛星的遙感數據資料[12]。FY-3衛星提供的全球空間分辨率250 m的多光譜數據對全球植被動態、作物生長和世界主要糧食作物的產量估計有重要的作用。

2.4綜合應用

FY-3衛星數據和產品已在天氣預報、氣候預測、自然災害和環境監測、資源開發、科學研究等多個重要領域，以及氣象、海洋、農業、林業、電力、水利、交通、測繪、航空、航天等行業中得到了廣泛應用。目前，世界許多國家和地區都在接收和利用FY-3衛星資料。歐洲氣象衛星組織業務接收FY-3衛星所有軌道的資料，并與中國氣象局建立專線交換衛星資料；美國計劃建立中美氣象通信專線與我國交換FY-3衛星數據；加拿大、芬蘭、英國、澳大利亞、巴西等國均在接收或計劃接收FY-3衛星資料。FY-3衛星的發展，帶動了我國的氣象衛星及衛星應用進入成熟發展階段，逐步形成“業務穩定可靠、產品適用定量、信息充分共享、服務優質高效”的應用格局，使氣象衛星的應用深度和廣度明顯提升，在政府決策、防災減災、經濟社會發展，以及國家安全和國防建設中發揮顯著作用。

3 發展展望

2018年以后，從第五顆衛星開始FY-3系列將進入一個新的發展階段。該階段共包含衛星4顆，按晨昏、上午、下午近極地太陽同步軌道衛星3顆和傾斜軌道降水測量衛星1顆布局安排。

FY-3晨昏衛星在確保極軌氣象衛星全球成像和大氣垂直探測觀測業務的基礎上，側重數值天氣預報的應用目標，對天氣會商、熱帶氣旋和其他極端氣象災害預警、氣候監測、空氣質量監測、太陽和空間天氣觀測具有獨特優勢。

FY-3上午衛星在確保極軌氣象衛星全球成像和大氣垂直探測觀測業務的基礎上，側重地球表面成像觀測，主要應用于天氣預報、生態、環境、災害監測業務及研究。

FY-3下午衛星在確保極軌氣象衛星全球成像和大氣垂直探測觀測業務的基礎上，側重大氣成分定量探測和氣候變化監測，探測數據可用于天氣預報、大氣化學和氣候變化監測業務及研究等。

FY-3降水測量衛星主要用于災害性天氣系統強降水監測，提供全球中低緯度地區降水三維結構信息，對提高降水氣象預報準確率提供支持。

FY-3晨昏星、上午星、下午星和降水測量衛星在滿足現代氣象觀測核心業務的基礎上，側重點不同，功能互補，相互配合，組網形成完整的低軌氣象衛星業務綜合觀測能力。組網觀測后，我國全球數值天氣預報模式中衛星觀測數據的更新時效由現在的6 h提高到4 h，可將預報精度提高約3.0%，預報時效延長約24 h，衛星全球觀測頻次可達4小時/次，將氣象災害監測時效提高近1倍，就能較容易地捕捉到如暴雨、強對流等云團生命周期較短的比較嚴重的災害性天氣過程。

FY-3衛星實現高時效全球百米量級分辨率光學成像觀測、高精度光學微波組合大氣溫濕度垂直分布探測、氣候變化溫室氣體探測、風場精確探測和降水測量五大主要能力，遙感儀器必須通過多星搭配配置，即同時保證核心觀測能力，合理配置氣候、風場探測和降水測量能力。

組網完整的FY-3業務衛星的綜合觀測能力將具有六大特色。第一，高時效的全球百米量級分辨率光學成像觀測能力；第二，高精度光學微波組合大氣溫度濕度垂直分布探測能力；第三，氣候變化溫室氣體探測能力；第四，主動遙感儀器風場精確探測能力；第五，主動遙感儀器降水測量能力；第六，太陽和空間環境綜合探測能力。

總體的應用目標是瞄準氣象衛星國際發展先進水平，按全面推進氣象現代化的發展理念和要求，建成世界一流的風云極軌氣象衛星觀測體系，實現我國第二代極軌氣象衛星的三星組網業務化觀測，帶動我國氣象衛星應用進入成熟發展階段，實現氣象現代化所確定的2020年氣象衛星及應用發展目標。

實現觀測儀器全波段在軌星上絕對輻射定標，其中紅外波段在軌定標誤差0.4 K，微波波段在軌定標誤差0.8 K，可見近紅外波段在軌定標誤差5%，滿足氣象現代化方案中明確提出的定量應用目標需求。實現高光譜儀器在軌星上光譜定標。

實現晨昏、上午、下午星組網觀測，獲取數值預報同化應用需要的全球溫、濕廓線，降水，以及云、輻射等氣象參數，滿足保障氣象領域核心業務，提升天氣預測預報能力的需求。在降水測量衛星上實現主動降水測量，與被動微波和光學成像遙感結合，實現降水和云雨大氣參數遙感探測，獲取融化層高度和厚度信息，為提高降水數值預報的準確率，優化云微物理參數化方案提供支撐。

獲取全球溫室氣體和臭氧分布，監測全球輻射收支、冰雪覆蓋、海面溫度，提供短期氣候預測、氣候變化預估所需的遙感信息，滿足提高應對氣候變化能力和提升國家在國際舞臺的主導權和話語權的需求。監測自然災害、生態與環境，為國家各部門和相關應用領域提供全球及區域的遙感信息，滿足提高天氣氣候災害與突發事件應對能力，提升氣象防災減災綜合能力的需求。開展太陽、空間環境及其效應、極光和電離層監測，提高空間天氣監測預警業務能力，滿足空間天氣預報和保障服務的需求。

FY-3 03批衛星將明顯提升氣象衛星的定量化觀測精度，進一步推動數據和產品的應用深度、廣度和定量化應用，進一步推進遙感信息在政府決策、防災減災、經濟社會發展，以及國家安全和國防建設中發揮更顯著和重要的作用。

4 結束語

本文介紹了FY-3衛星應用及其發展。FY-3衛星作為我國發展最早的遙感衛星，其成功研制與發射，填補了我國在衛星平臺、星載遙感儀器制造等領域的大量技術空白，推動了我國微波遙感、紅外面陣焦平面探測、光學輻射定標等技術的快速發展，極大地推進了我國航天技術及相關技術的發展。FY-3衛星已在我國國民經濟的多個領域中發揮了重要的作用。FY-3衛星的發展，也將不斷提高我國氣象事業的國際地位與影響力。

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ApplicationandDevelopmentofFY-3MeteorologicalSatellite

YANGZhong-dong，ZHANGPeng，GUSong-yan，ZHUAi-jun，HUXiu-qing，YANGJun

(National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing,100081, China)

The application and development of FY-3meteorological satellite were reviewed in this paper. The five kinds of payload packages on FY-3satellite were introduced, which included imaging, atmosphere explore, radiation budget explore, atmospheric composition explore and space environment monitoring. The remote sensing and explore with spectrum band of multiply electromagnetic wave from ultraviolet, visible light, near-infrared, mid-infrared, far-infrared to microwave. The sensing products and their resolution and accuracy of atmosphere, land, ocean and space weather in science and application areas were presented, which were produced by the ground segment system of FY-3satellite. The typical application examples of FY-3satellites in numerical weather forecast, atmospheric monitoring of composition such as ozone and carbon dioxides and climatic monitoring, ecological environment monitoring and disaster monitoring. The future development of FY-3satellite was prospected. In the future, it will form a network of4FY-3satellites which the three are twilight, morning and afternoon polar sun-synchronous satellites and the one is inclined LEO satellite for precipitation measuring. The integrated explore abilities of FY-3networking satellites will be upgraded greatly, which will promote Chinese meteorological application to mature.

FY-3meteorological satellite; payload; sensing product; numerical weather forecast; atmospheric composition and climatic monitoring; ecological environment monitoring; disaster monitoring; networking observation

1006-1630(2017)04-0001-07

2017-07-20；

：2017-07-27

楊忠東(1964—)，男，研究員，FY-3衛星和碳衛星地面應用系統總設計師。曾獲中國氣象學會首屆鄒競蒙氣象科技人才獎，入選中國氣象局首批科技領軍人才，入選國家百千萬人才工程，并被授予“有突出貢獻中青年專家”。主要從事氣象衛星遙感科學研究和應用、地面應用系統工程設計和建設等工作。

P414.4

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.001