FY-4衛星應用和發展

張志清，陸 風，方 翔，唐世浩，張曉虎，許映龍，韓 威，聶肅平，申彥波，周毓荃

(1.中國氣象局 國家衛星氣象中心,北京 100081； 2.中國氣象局 國家氣象中心,北京 100081； 3.中國氣象局 國家氣候中心,北京 100081； 4.中國氣象局 公共氣象服務中心,北京 100081； 5.中國氣象科學研究院,北京 100081)

FY-4衛星應用和發展

張志清1，陸 風1，方 翔1，唐世浩1，張曉虎1，許映龍2，韓 威2，聶肅平3，申彥波4，周毓荃5

(1.中國氣象局 國家衛星氣象中心,北京 100081； 2.中國氣象局 國家氣象中心,北京 100081； 3.中國氣象局 國家氣候中心,北京 100081； 4.中國氣象局 公共氣象服務中心,北京 100081； 5.中國氣象科學研究院,北京 100081)

介紹了我國新一代靜止氣象衛星風云四號(FY-4)衛星應用及其發展。給出了FY-4衛星裝載的先進靜止軌道輻射成像儀、靜止軌道干涉式紅外探測儀、閃電成像儀和空間環境監測儀4種主要觀測儀器，以及衛星的觀測能力和提供的定量化產品，并與我國現有的業務衛星風云二號(FY-2)衛星和國際同期在軌靜止氣象衛星性能進行了比較。FY-4光學衛星系列與美國GOES-R、日本Himawari-8/9衛星和歐洲MTG衛星性能相似，屬于與國際同期發展的先進靜止氣象衛星。給出了FY-4A星獲得的圖像和數據。列出了FY-4A星的基本定量產品，給出了使用的儀器、數據特性、物理意義，以及應用領域、方法和范例。描述FY-4衛星提供的定量化產品及其在數值天氣預報、氣候、生態環境、專業氣象服務、人工影響天氣、空間天氣監測預警等領域的應用，并介紹了FY-4A星在軌測試期間的部分應用。對FY-4后續業務衛星發展進行了展望。

FY-4衛星； 先進靜止軌道輻射成像儀； 靜止軌道干涉式紅外探測儀； 閃電成像儀； 空間環境監測儀； 數值天氣預報； 氣候； 生態環境； 專業氣象服務； 人工影響天氣； 空間天氣監測預警

0 引言

中國是世界上遭受自然災害最嚴重的國家之一。聯合國公布的全球因自然災害造成人員死亡，其中60%以上是由氣象災害造成的，而造成的經濟損失所占比例則更高。作為中國新一代靜止軌道氣象衛星，FY-4衛星承擔地球區域大氣和地表的高頻次觀測，主要應用目標是為提高天氣預報準確率提供監測數據和產品。在現代氣象業務發展中，天氣預報技術和觀測技術既是依賴的關系，又是越來越相互促進的關系。觀測的要素增加、精度提高、更高空間分辨率、更高時間分辨率等，已成為促進和提高中小尺度模式的天氣預報水平的發展動力與支撐條件；數值天氣預報模式的發展和精細化的天氣預報更是對觀測提出了更高的要求。無論是天氣服務、減災防災，還是應對氣候變化，生態文明建設，高精度、高頻次定量化監測和預報準確率是核心與關鍵。

FY-4衛星是中國繼FY-2衛星之后，發展的新一代靜止氣象衛星[1]。按發展規劃分為光學星和微波星兩個系列。2016年12月11日成功發射的是光學衛星系列的科研試驗衛星(FY-4A星)。該衛星采用三軸穩定姿態控制方式的大型遙感平臺攜帶多種觀測儀器，包括先進靜止軌道輻射成像儀、靜止軌道干涉式紅外探測儀、靜止軌道閃電成像儀和空間環境監測儀器等[2]。2016年12月17日，定點于東經99.5°；2016年12月26日，啟動在軌測試，有效載荷開機工作；2017年1月19日，先進靜止軌道輻射成像儀紅外通道加電工作，獲取全部14個通道的原始圖像；2017年2月9日，干涉式大氣垂直探測儀紅外探測通道加電工作，獲取原始干涉數據；2017年2月27日，FY-4光學星系列的科研試驗衛星第一套圖像和數據發布；2017年5月18日至25日，衛星從東經99.5°漂移并定點于東經104.5°，繼續在軌測試。衛星發射和在軌測試情況表明：衛星平臺和觀測儀器工作正常，性能穩定，星地接口匹配，已建立了高時效的星地作業流程，圖像定位與配準精度、輻射定標精度均達到設計指標，實現了全部定量化產品的實時處理和生成。

與國際同期先進的靜止氣象衛星相比，FY-4A星的技術獨特性是：成功解決了多臺帶有光學運動部件的觀測儀器在同一平臺上工作而不產生相互間電磁和動力學干擾的工程技術難題(歐洲采用兩臺主要儀器分置于兩顆衛星上的方案)，對單顆衛星來說，是靜止氣象衛星中裝載儀器數量和種類最多的，提高了衛星的觀測能力和效率；在國際上首次實現了靜止軌道的紅外高光譜大氣探測；掌握了有自主核心知識產權的多臺載荷同步工作的高精度圖像導航和配準技術，在工程中成功實現并為后續發展奠定了堅實的基礎。

FY-4光學系列衛星的主要任務是：獲取地球表面和云的多光譜、高精度定量觀測數據和圖像，特別是高頻次的區域圖像，全面提高對地球表面和大氣物理參數的多光譜、高頻次、定量探測能力；實現大氣三維結構探測，獲得垂直分辨率和精度更高的溫度與濕度參數；實現閃電成像觀測，獲取觀測覆蓋區范圍內的閃電分布圖；利用星載轉發器進行衛星圖像和產品的廣播分發及自然災害警報信息發布；利用數據收集系統自動收集多種地球環境參數資料；監測太陽活動和空間環境，為空間天氣預報業務和研究提供觀測數據[3]。

本文介紹了FY-4衛星的應用及發展。

1 FY-4A星觀測能力和提供的定量化產品

1.1觀測能力

發展新一代靜止氣象衛星，其主要需求包括以下。

a)提高氣象預報預測準確率的需求。提升氣象預報預測準確率的核心是提高數值預報準確率。隨著數值預報模式的不斷完善，對地球大氣系統的初值和邊值的種類、精度和時、空分辨率等提出了更高的要求。

b)應對氣候變化的需求。氣候變化開始顯露出對人類生存條件的威脅，全球氣候變化的影響因素是復雜而多樣的，許多氣候變化的因子有機地結合在一起，并構成一個因子系統，共同影響氣候變化，需要對這些氣候變化的因子進行連續、準確的觀測。

c)防災減災的需求。我國地處亞洲季風活躍地區，幅員廣闊，豐富的氣候資源和復雜多變的地質地貌，使臺風、暴雨、強對流天氣和洪澇、旱災、沙塵暴、泥石流等多種主要重大自然災害在我國頻繁發生。氣象災害往往起源于常規觀測稀少的海洋、山區和高原，靜止氣象衛星是重要監測手段。

d)生態與環境監測的需求。生態文明建設是未來一個時期的重要任務，生態和環境相互依存，密不可分，靜止氣象衛星可對洪澇、干旱、積雪、森林與草原火災等生態環境進行連續監測和提供服務。

f)空間天氣監測預警的需求。靜止氣象衛星不僅是地球大氣的重要監測平臺，而且是空間天氣監測的理想平臺。

在國際上，我國靜止氣象衛星已被納入地球觀測組織的發展規劃，作為靜止氣象衛星星座的主要成員，要求其儀器配置和性能與國際兼容，便于數據的全球交換、共享和應用。

靜止氣象衛星的對地觀測能力，是衛星的綜合性能指標[4]。衛星的觀測能力首先受制于平臺的性能、姿態控制方式和性能、能提供的能源、承載能力、數據傳輸容量、提供儀器工作的熱環境，以及工作壽命等，這些本應為觀測儀器服務的要素，直接決定觀測儀器工作的邊界條件。在衛星平臺具備條件后，儀器的性能則顯得更重要，直接決定觀測數據的質量。尤其是在地球同步軌道上，衛星離地球約35 800 km，所要觀測的目標距離遠(是低軌道衛星儀器觀測與地球目標距離的40倍)，這就導致儀器獲取的目標能量微弱。為獲得滿足定量產品的反演精度的觀測信息，設計的儀器光學結構、掃描機構、制冷裝置等龐大而復雜，相應的儀器和衛星重量也成倍增加，使靜止衛星的技術難度明顯增大。

FY-2衛星采用自旋穩定姿態工作體制，相當于陀螺能提供較高的姿態穩定度，為成像和圖像的定位提供了有利條件[5]。它通過自旋掃描地球，在靜止軌道上觀測，地球視場張角約18°，即衛星在自旋1周的360°中只有18°為有效觀測，其余部分是在掃描太空，觀測效率不足5%。因此，自旋穩定姿態工作體制的衛星無法開展高光譜大氣垂直探測、閃電觀測和對太陽及空間環境的定向觀測。

FY-4A星采用了當今多項先進技術，利用新研發的三軸穩定姿態控制的大型遙感平臺，避免了自旋穩定姿態工作平臺的局限性，衛星裝載多種觀測儀器[6]。

FY-4A星性能與FY-2衛星比較見表1。由表1可知：除新增大氣垂直探測和閃電觀測功能外，FY-4A星裝載的先進靜止軌道輻射成像儀和空間天氣儀器顯著提升了性能。先進靜止軌道輻射成像儀的成像觀測通道從FY-2衛星的5個擴展到14個，全圓盤圖像觀測時間從0.5 h縮短到15 min，最高空間分辨率從1.25 km提高到0.5 km。

FY-4A星性能與國際同類衛星比較見表2。由表2可知：FY-4A星的先進靜止軌道輻射成像儀，其14個成像通道與國際水平相當；靜止軌道干涉式紅外探測儀在世界上首次實現了靜止軌道紅外高光譜探測，可獲取大氣溫濕度三維結構，處于國際領先水平；靜止軌道閃電成像儀首次實現了對亞洲大洋洲區域的靜止軌道閃電持續觀測。國外僅美國新一代靜止軌道氣象衛星GOES-R搭載了靜止軌道閃電成像儀對西半球美洲區域進行觀測[7]。

表1 FY-4A星性能與我國現有業務衛星對比

1.2定量化產品

FY-4A星定點后的在軌測試，建立了利于成像的衛星工作坐標系、星地業務測控流程、數據傳輸及處理流程，以及星地圖像導航與配準流程，攜帶的全部儀器按設計要求進入了工作狀態，連續獲取了圖像和數據。其中：先進靜止軌道輻射成像儀獲取并處理生成的彩色合成圖和14個單通道圖像如圖1所示；靜止軌道干涉式紅外探測儀在國際上首次在靜止軌道上獲取的紅外高光譜大氣垂直結構的光譜圖如圖2所示；閃電分布圖如圖3所示；空間環境監測數據如圖4、5所示。

表2 FY-4A星性能與國際同期在軌靜止氣象衛星對比

圖1 FY-4A星AGRI第一套圖像Fig.1 The first set of images of FY-4A AGRI

圖2 FY-4A星GIIRS獲取的4個不同地區的大氣光譜圖Fig.2 Atmospheric spectrums of 4 different area by FY-4A GIIRS

圖3 2017年4月8日FY-4A星靜止軌道閃電成像儀獲取的我國中東部一次強雷暴過程Fig.3 A strong rainstorm process in middle and east of China by FY-4A GLM on April 8, 2017

圖4 FY-4A星監測到的一次表面充電過程Fig.4 First surface charging monitored by FY-4A satellite

圖5 FY-4A星監測到的高能電子通量變化Fig.5 High energy electron flux change monitored by FY-4A satellite

FY-4A星的原始觀測數據是目前運行的FY-2衛星的80倍，處理生成的產品數據則是其160倍，可反演生成大氣、輻射、云、地表、降水等多種具有大氣物理意義的定量產品。這些遙感產品，可用于天氣分析、數值預報、氣候、生態環境、專業氣象服務、人工影響天氣，以及空間天氣預報預警服務，也可用于二次開發應用。FY-4A星基本定量產品見表3。這些產品在衛星發射前已完成了算法研制和測試，在軌測試根據儀器性能進行調試后即可投入應用。與上一代業務衛星FY-2衛星相比，FY-4衛星能提供的產品種類和覆蓋的應用領域顯著提升。

表3 FY-4A星基本定量產品

FY-4A星不同產品的使用儀器、數據特性、物理意義，以及應用領域、方法和應用范例如下。

云檢測用先進靜止軌道輻射成像儀的可見光、近紅外和紅外波段的高時間、空間分辨率數據自動生成每個像素的云檢測信息，云檢測信息分為云、可能是云、晴空、可能是晴空四種。云檢測信息將廣泛用于需要每個像素云檢測信息的下游L2產品。如地表溫度和海面溫度產品只對晴空區域的像素進行計算。在數值預報同化中，可用云檢測產品確定可同化進入數值預報的成像儀像素信息。

云分類用先進靜止軌道輻射成像儀的多個紅外通道數據經一系列光譜和空間測試獲取6種不同的云類型：水、過冷水、混合(水和冰)、厚冰、薄冰和多層冰。云分類產品包含的多層云和卷云的信息是后續產品(如云頂高度產品)的重要輸入信息。另外，云類型產品也是下游L2云相關的產品(包括云光學特性和霧檢測等)的輸入數據。

降水估計用先進靜止軌道輻射成像儀紅外通道亮溫數據反演生成每個紅外像元的降水率。通過降水估計產品，可了解1/6/24 h內的降水情況，監測降水的強度、范圍、面積、趨勢走向等；降水估計產品可為天氣分析和預報、洪澇監測預報服務；結合其他信息，可為模式模擬、同化提供重要的初始場數據。

大氣運動矢量用一系列先進靜止軌道輻射成像儀紅外通道數據跟蹤云或水汽的運動，并估計云或水汽的高度。產品在地球廣闊地區提供了重要的對流層風信息，包括缺乏探空觀測的海洋和南半球陸地。該產品為數值預報數據同化系統提供關鍵的風的觀測信息，其使用已被證明可改善包括熱帶氣旋在內的數值預報。此外，該產品可為天氣預報員改進預報提供指導。

射出長波輻射是大氣頂部向上的總出射長波輻射的度量，提供了關于地球排放能源和大氣頂部總體能源的重要信息。它是確定大氣頂部的地球輻射收支的三個輻射預算參數之一，另兩個參數是入射的太陽輻射和反射的太陽輻射。射出長波輻射產品直接由多個成像儀通道每個像素的數據計算獲得。該產品連同入射太陽總輻射和反射太陽輻射共同定義了大氣頂的地球輻射收支，了解地球的輻射收支對氣候監測至關重要。

相當黑體亮度溫度是指由氣象衛星紅外窗區通道測得的輻射值，通過應用普朗克函數處理轉換成輻射亮度溫度形成的信息產品。

到達地表的下行短波輻射又常被稱為地表入射太陽輻射，是指地球表面接收到的總太陽輻射能，它位于電磁光譜的短波部分，波長范圍約在0.2～4.0 nm間，包括到達地表的直接太陽輻射、大氣散射太陽輻射，以及經大氣和地表間多次散射后最終到達地表的散射太陽輻射。作為地球表面獲得能量的首要來源，地表收入的太陽輻射控制了整個大氣與陸表、海表間的能量交換，因此對各種天氣、氣候的形成都有決定性的意義，在天氣預報、氣候研究等科研領域有直接的應用。同時，到達地表的太陽輻射能也是驅動蒸散、植物生長、水分循環、材料老化等相關生物、物理過程的主導因子，這使地表入射太陽輻射信息對生態環境監測研究、水文監測、作物生長模型研究、森林草場火險監測預警，以及建筑和國防科技等的發展來說非常關鍵。此外，在當今全球能源短缺的背景下，太陽輻射能作為最重要的一種綠色可再生能源為各國所重視。開發太陽能資源和發展太陽能工業的一個基本前提，就是要對地表入射太陽輻射進行實時估計和短期預測研究，在此基礎上建立和優化太陽能的利用模型，對有效利用太陽能資源有至關重要的作用。在上述應用領域中，需要精確知道到達地表的入射太陽輻射的數值及其在時間、空間上的分布和變化情況。

大氣溫度廓線是用干涉式大氣垂直探測儀高光譜數據反演獲得對流層溫度垂直分布信息的產品。該產品提供的大氣垂直溫度結構信息可被天氣預報員和數值預報模式使用；使用該產品可計算一些表征大氣穩定度的指數產品，為天氣預報員提供有關大氣穩定性的指導，對惡劣天氣預報非常重要。

大氣濕度廓線是用干涉式大氣垂直探測儀高光譜數據反演獲得對流層濕度垂直分布信息的產品。該產品提供的大氣水分垂直分布信息對預測惡劣天氣至關重要。這種垂直濕度信息還用于初始化區域和中尺度數值預報模式中的濕度場。

大氣穩定度指數是指由大氣溫濕度廓線產品衍生出的表征大氣穩定性指標的產品，包括有效位能(CAPE)，抬升指數(LI)，沙氏指數(SI)和K指數(KI)產品。這些指數產品將有助于天氣預報員預測極端天氣，天氣預報員通過使用這些信息監測不同地理位置隨時間的大氣穩定性的快速變化，從而提高極端天氣的監測/預警能力。

大氣臭氧廓線是用干涉式大氣垂直探測儀高光譜數據反演獲得對流層臭氧垂直分布信息的產品；臭氧總量產品反映了從地球表面到大氣層頂的臭氧總含量。總臭氧產品可向天氣預報員提供信息，有助于預測大氣紊流區域，并提供更好的空氣質量預測。

大氣分層水汽是用先進靜止軌道輻射成像儀多個紅外通道數據反演獲得對流層濕度垂直分布信息的產品。該產品提供的大氣水分垂直分布信息對預測惡劣天氣至關重要，這種垂直濕度信息還用于初始化區域和中尺度數值預報模式中的濕度場。

大氣總可降水從大氣分層水汽產品衍生得到，代表大氣層中從地球表面到大氣頂部的總水汽含量。該產品將為天氣預報員和水文學家提供有用的信息，以便在需要預測事件的情況下改善其趨勢預測，如暴雨、山洪和季風等的預測。產品還用于初始化數值天氣預報中的濕度場。

氣溶膠檢測(包含沙塵檢測) 用先進靜止軌道輻射成像儀提供的通道數據，利用不同氣溶膠的已知光譜吸收和散射特性檢測其在大氣中的存在。該產品將使天氣預報員能更好地監測煙塵的區域，這可能是可見度和空氣質量預測的關鍵因素。除短期預測外，該產品還能更好地監測氣溶膠量和分布在整個大氣層的長期趨勢。

海表溫度提供先進靜止軌道輻射成像儀海洋區域每個晴空像素的海表溫度信息。產品有助于大量的業務應用，包括氣候監測/預測、季節預報、天氣預報和海洋預報業務、軍事和國防作戰、海洋和大氣模式，以及旅游和商業漁業管理等。

積雪覆蓋用先進靜止軌道輻射成像儀可見光和近可見光數據反演生成雪覆蓋信息產品。產品將支持大量業務應用，包括數值預報同化、水文預報/預警(包括河流和洪水預報、水資源管理、積雪檢測和分析，以及氣候研究等)。

地表溫度用先進靜止軌道輻射成像儀長波紅外通道數據反演生成陸地表面的溫度信息產品。產品可用于水文、氣象和氣候領域的多種業務應用。氣象預報員可用該產品預測霧和霜的發生；對地表凈輻射收支和監測作物和植被狀況至關重要，也是溫室效應和大氣與地面能量通量間的重要指標；此外，可在氣候、大氣和地表模式中同化使用，以估計顯熱通量和潛熱通量。

云頂溫度/云頂高度/云頂氣壓用先進靜止軌道輻射成像儀紅外通道數據反演獲取每個有云像素點的云頂的溫度、高度和氣壓信息。這些云產品是生成其他下游產品的先決條件，包括云光學/微物理產品等。天氣預報員可使用這些云產品確定云的增長/消亡和降水的可能性。產品的其他業務應用包括機場天氣預報、為地面觀測系統補充高層云信息、為數值天氣預報提供云的初始化信息。

云粒子半徑與云光學厚度用相同的算法，白天使用先進靜止軌道輻射成像儀的可見光和近紅外通道數據，夜間使用紅外通道數據，云光學和微物理特性算法將同時生成云光學厚度產品和云粒子半徑產品。兩個產品共同提供有關云輻射性質的有價值信息；這兩個屬性將為全球氣候模式提供有關地球能源和輻射收支的高質量數據，從而提高氣候預測能力。

云相態用先進靜止軌道輻射成像儀紅外通道數據生成4種不同的云相態：暖液態水(>0 ℃)、過冷液態水、混合和冰。產品是生成其他下游產品的先決條件，包括云頂高度、云光學屬性、霧檢測等產品；可使氣象學家更好地監測和跟蹤云內水汽成分的變化，提高航空氣象中的結冰預測能力，并改善極端天氣預警；也可用于如極端天氣預報和熱帶氣旋強度估計等氣象業務應用。

地表下行長波輻射提供地球表面熱紅外輻射通量向下的分量，該產品僅在先進靜止軌道輻射成像儀晴空像素進行計算；地表上行長波輻射產品提供地球表面熱紅外輻射通量向上的分量，該產品僅在先進靜止軌道輻射成像儀晴空像素進行計算。該產品是確定地表溫度場的重要要素，并對海洋和大氣環流產生極大影響；地表下行長波輻射產品與地表上行長波輻射、地表入射太陽輻射和反射短波輻射共同構成了描述地球表面能量收支的四個關鍵要素。產品也可為氣候預測模式提供更準確的數據。

反射短波輻射用先進靜止軌道輻射成像儀多個可見光和紅外通道數據計算通過大氣頂部離開地球的短波輻射的總量。產品可在氣候模式和預測中使用。

氣溶膠光學厚度用先進靜止軌道輻射成像儀多個通道數據測量大氣頂部晴空像素的反射特性，然后將這些反射特性作為氣溶膠模型的輸入，計算表面反射率和氣溶膠性質。產品提供的信息可在空氣質量、能見度和航空預測等應用領域使用，此外可為氣候模式提供有價值的數據，有助于檢測和預測氣候變化。

對流初生采用目標識別和跟蹤技術追蹤移動的云團，利用多光譜閾值監測云團的發展。產品將使天氣預報員能識別出哪里正在發生對流、哪里可能發生對流、哪里已經發生對流；天氣預報員可用該產品提供的信息制作潛在極端天氣的預測和預警。

火點/熱源點檢測用先進靜止軌道輻射成像儀數據識別火點位置并獲取亞像元火焰特征。預報員能用該產品監控大火，更重要的是可監控火的快速變化趨勢。產品在消防工作中可為預測應用提供重要信息。

低云/霧檢測用先進靜止軌道輻射成像儀空間和光譜信息識別霧或低層云。天氣預報員可用該產品制作和發布與交通和航空相關的霧預測和預警信息，有助于減少因霧造成的汽車交通事故和飛機事故。

地表比輻射率是地表輻射的能量與黑體在相同溫度情況下輻射的能量的比值。地表比輻射率產品僅在先進靜止軌道輻射成像儀晴空區域的地面像素進行計算，通過檢測地表溫度的變化估計地表發射率。產品是數值天氣預報模式中同化紅外輻射的重要輸入。

地表反照率結合大氣校正和表面雙向反射分布函數(BRDF)建模，生成地表反照率和地表反射率。該產品是能源收支的關鍵參數，氣象學家通過該產品的變化趨勢制作地表性質變化(如雪或冰蓋以及植被的變化)預測預警；氣候研究者可由該產品獲得與地球總輻射收支相關的寶貴的高分辨率數據。

對流層頂折疊在對流層高層高空急流附近有一個極地、副熱帶與平流層空氣非地轉輻合區，在該區域常會有氣流擾動，這種擾動稱為對流層頂折疊。這些特征在衛星觀測的水汽云圖中非常明顯，常表現為大尺度的亮溫梯度分布。對流層頂折疊區是指由該邊界延伸一定距離至濕空氣團的區域。對流層頂折疊檢測產品用于指示這些區域在大氣中的位置，并識別出最可能給飛行帶來擾動的區域。用對流層高層水汽通道數據計算對流層頂折疊的水平分布，另外用數值天氣模式作為輔助計算對流層頂折疊在大氣中垂直方向的分布特征。產品的四個關鍵輸出是對流層頂折疊高低空邊界，以及兩個危險飛行方向，即最易遭遇中等-強擾動的方向。

閃電探測用FY-4衛星閃電探測儀數據監測閃電，生成閃電監測產品。閃電探測產品有助于天氣預報員識別極端天氣，如識別迅速加劇的雷暴，并能準確及時地發出雷暴和龍卷風警報。

2 FY-4A星應用前景

2.1天氣

氣象衛星作為天氣觀測的重要技術手段，由于其全天時的觀測特點，在天氣預報中的作用已越來越重要和不可替代。FY-4A星兼具高頻次、高分辨率、垂直探測和機動加密探測能力，可極大提升暴雨、臺風、強對流等災害性天氣的監測分析預報能力[8]。其高頻次和高分辨率的探測能力可更準確地把握暴雨/暴雪云團、臺風云團、強對流云團的發生發展消亡演變過程，尤其有助于提高臺風定位、定強精度和閃電監測能力。其云識別分類產品、降雨估計、閃電監測、霧檢測、沙塵檢測、海表溫度、云導風等定量反演產品，可極大增強暴雨、暴雪、臺風、強對流、海霧、沙塵暴等災害性天氣預報的客觀定量監測分析預報能力。其垂直探測能力可提供高時空分辨率的大氣三維溫度和濕度結構分析，彌補常規探空資料的不足，延伸大氣探測能力至人煙稀少地區和廣闊海洋，從而改進數值預報初始場，提高數值預報模式精度和天氣預報的精細化能力；同時利用其反演獲得的大氣不穩定指數等產品，可提前數小時發現暴雨和強對流等中小尺度天氣系統發生前環境條件的變化，分析極端天氣可能出現的蛛絲馬跡，直接服務于短臨天氣預報預警。其機動加密監測能力則有助于加強對高影響或關鍵區域災害性天氣事件的高頻次持續監測能力，提升高影響或關鍵區域重大災害性天氣事件的預警響應處置能力，為及時滾動發布相關重大災害性天氣事件的預警信息提供基礎監測信息和重要技術保障。

2.2數值預報

衛星紅外高光譜探測資料在數值天氣預報中已得到廣泛應用，同時被證明是對預報效果有重要影響的一類衛星遙感資料，包括高光譜紅外大氣探測儀(AIRS)、干涉式超高光譜紅外大氣探測儀(IASI)、穿軌跡紅外探測器(CrIS)等紅外高光譜探測儀器均搭載于極軌氣象衛星，其時間分辨率為12 h左右。世界上首次在靜止衛星上裝載的干涉式紅外大氣探測儀將實現對我國及周邊地區高頻次、間隔僅16 km的高空間分辨率、高光譜分辨率的大氣溫濕探測，彌補陸地探空站間隔約200 km、每天探測2次的嚴重不足，將極大改進數值預報初始場，從而提高數值天氣預報精度。實現FY-4A星干涉式大氣垂直探測儀輻射率資料、成像儀晴空水汽輻射率資料，以及云導風產品、云量等產品在全球和區域同化和預報系統(GRAPES)中的應用，對特別是強對流、颮線、雷暴等短生命史、影響大的災害性天氣預報，以及臺風等海上系統發生和發展的預報有重要應用價值。

2.3氣候

與已在我國氣候業務中應用的極軌衛星產品相比，FY-4A星產品具空間分辨率精細和時間觀測頻率密集的顯著特點，將在氣候和氣候變化應用的諸多領域發揮重要支撐作用。

a)關鍵氣候要素監測服務

基于FY-4A星數據建立亞洲季風系統監測業務產品，開展以海表溫度、大氣水汽含量、大氣水汽輸送、大氣射出長波輻射產品為主的亞洲季風爆發與結束，以及我國主要季風雨帶進程等關鍵現象的多層面、立體化氣候監測應用服務。

b)氣候模式定量化應用

通過開展基于FY-4A星陸表溫度、土壤濕度、積雪覆蓋、海表溫度等數據產品為主的陸面和海洋關鍵要素的同化應用，實現FY-4A星產品在我國業務氣候模式中的定量化應用，提升業務氣候模式關鍵下墊面變量和參數的模擬準確性和精度，從而提升我國業務氣候模式對東亞地區乃至全球次季節以上尺度短期氣候預測業務水平。

c)氣候災害監測評估服務

針對高溫、干旱、洪澇、雪災、海冰變化、冰川消融等關鍵氣候災害，基于高分辨率FY-4A星數據可開展重大氣候災害的持續性監測與風險評估，結合臺站監測，定量分析各類氣候災害近期和長遠影響。

d)生態脆弱區監測評估服務

在我國北方典型荒漠化區域、農牧交錯帶、三江源、石漠化等生態環境脆弱區，基于FY-4A星產品進行氣候和氣候變化影響評估分析，開展不同生態典型區植被現狀、距平、歷史曲線分析，定量評估生態環境質量，分析全球氣候變化對我國典型生態脆弱區的綜合影響。

e)氣候資源監測評估服務

基于FY-4A星，可建立高時空分辨率的大氣風速和凈入射短波輻射產品的精細化時空分布數據集，從而為我國氣候尺度的風能和太陽能資源監測和評估提供高時空分辨率的核心基礎數據。進一步結合業務氣候模式模擬和預報，一方面提升中國區域現有氣候資源數據產品的精度，另一方面通過為模式預報提供基礎數據信息，可有效改善對風能、太陽能資源的預測能力，為國家可再生能源政策制定及精細化能源規劃和布局提供合理的氣候依據。

2.4生態環境

隨著我國社會經濟的快速發展，出現了如水土流失、土地沙化、草地退化、全球氣候變暖背景下氣象災害增多等諸多生態問題，嚴重制約經濟社會的可持續發展。衛星遙感是開展生態監測與評估的主要數據源，新一代靜止氣象衛星FY-4衛星也將依托其高時空分辨率的優勢在生態監測領域發揮重要的作用。

與FY-2衛星相比，FY-4A星的先進靜止軌道輻射成像儀空間分辨率有6倍的提升，可動態獲取較高精度的陸地生態環境相關參數和信息，為開展草原、森林、內陸水體和濕地、荒漠、城市等典型生態系統監測與評估提供數據支撐。基于FY-4A星的先進靜止軌道輻射成像儀數據，能監測植被變化，提取草原及荒漠面積、植被覆蓋度的信息，提供高精度的積雪覆蓋信息及雪災監測和評估、森林與草原火情監測、大型湖泊水體范圍提取、干旱監測、內陸湖泊藍藻水華分布與強度變化動態監測、城市熱環境的時空分布和動態變化監測等。

FY-4A星資料在大氣環境監測評估中也將發揮積極作用，利用FY-4A星可定量反演氣溶膠光學厚度，動態監測沙塵范圍和強度、大霧范圍和霧區光學厚度、霾的分布等信息等，與風云三號(FY-3)衛星、地基觀測等多源數據結合，為開展大氣環境的實時監測與評估提供觀測支撐。

2.5專業氣象服務

FY-4A星產品在新能源、電力、交通、航空等國民經濟重點領域的應用，將很大程度拓寬專業氣象服務基礎數據來源，實現“天基、空基、地基”立體式氣象監測數據在專業氣象服務領域的綜合應用，提高專業氣象服務技術水平。

在新能源領域，基于FY-4A星產品可將太陽能資源評價數據的空間分辨率由原來的氣象臺站插值提高到4 km乃至1 km，改善太陽能資源分布圖譜和總量計算的精細化程度，有助于國家制定太陽能開發利用政策和發展規劃，利于發電企業更科學合理地進行太陽能電站的選址、設計和管理，提高太陽能資源利用率。在交通領域，基于FY-4A星產品可推算道路路面溫度，進行路面極端高低溫的實況分析，以及低能見度等不利天氣狀況的監測，為道路行車安全和管理提供技術支撐。在航空領域，基于FY-4A星產品通過多源數據融合系統可開發出反映真實大氣的高分辨率實況格點產品，基于此產品可進一步開發出飛機航線上的對流有效位能、抬升指數、積冰層、飛機顛簸指數、抬升凝結高度等，為通用航空、航空調度、飛行安全等提供重要參考。在電力領域，基于FY-4A星產品可監測雷擊、火險等災害性天氣，并實現短時臨近預警，為電力檢修和安全生產提供參考。

2.6人工影響天氣

FY-4A星監測及云特性反演產品在人工影響天氣領域有廣闊的應用價值。主要有：將高時空分辨率、多光譜的觀測資料，結合全國實時探空和地面觀測，可開發滿足人工影響天氣業務需求的FY-4A星云結構特征和云降水物理過程反演產品，形成對云結構特征及其演變規律的實時監測能力，這些監測和反演產品對建立我國各類云系人工影響天氣作業概念模型和作業指標判據將發揮關鍵作用；將在云模式預報檢驗、大氣水循環和云水資源、人工增雨開發潛力評估等研究中得到應用；將在人工影響作業條件預報檢驗、作業條件監測識別預警、作業方案設計、作業跟蹤指揮，以及作業效果檢驗等人工影響天氣實時業務的各業務環節發揮重要作用；將在各地人工增雨、人工防雹，以及人工消減雨等各類人工影響天氣服務實踐中發揮關鍵作用。

2.7空間天氣

FY-4A星空間環境探測器數據可用于災害性空間天氣事件的監測，并對太陽活動、地磁環境、電離層和高層大氣環境，以及衛星運行環境開展預報服務。高能粒子探測數據可直接用于預警一些潛在空間天氣威脅，太陽高能質子(大于10 MeV)事件實時監測預警；高能電子(大于2 MeV)流量數據可用于計算衛星儀器發生充放電現象的概率，為衛星儀器正常運行監測提供服務；粒子的投擲角分布則有助于進一步了解同步軌道粒子的動力學過程，提高對輻射帶環境的理解和認識；同步軌道的磁場探測數據不僅可驗證全球磁場模型，同化到磁場模型中支持高精度磁場模型構建，還能用于評估地磁活動水平，估算衛星是否穿越磁層頂和舷激波，或為一些空間天氣數值預報模型提供輸入，促進對太陽風-磁層相互作用過程的科學理解；可獲得衛星充電、單粒子事件、輻射劑量和碎片等預警和預報指數，并在衛星或載荷狀態異常時進行綜合分析，甄別是否由空間天氣事件引起，為衛星在軌安全運行提供保障等。FY-4A星空間天氣監測和預報預警將為能源、通信、航空、航天等多領域提供服務。

3 FY-4A星在軌測試期間應用

FY-4A星及其地面應用系統測試計劃持續1年。為盡快發揮效益，采取了邊調試邊試用的測試方式。在軌測試期間，正值春夏轉換，天氣形勢復雜，沙塵、暴雨強對流、臺風等災害天氣輪番登場。FY-4衛星地面應用系統利用FY-4A星獲取的測試資料，生成測試產品，針對性地開展了試驗應用。目前應用FY-4A星監測到的典型災害天氣過程包括：2017年5月3日至7日北方地區最嚴重沙塵過程、6月20日至24日華北特大暴雨、6月底至7月初南方持續降水、1 702號臺風苗柏和1 703號臺風南瑪都；同時FY-4A星還對“一帶一路”國際合作高峰論壇專項氣象服務保障開展了專項觀測支持。

FY-4A星應用中顯示出多通道掃描成像輻射計具識別沙塵細節紋理更清晰、臺風內部中小尺度云系結構更明顯、能解析暴雨天氣不同層次水汽輸送等新增能力；閃電成像儀觀測到的國內外閃電資料，也對強天氣的監測應用有很好的指示作用。在上述天氣過程和氣象服務保障中，FY-4A星體現出公眾認可度高、用戶期待值大的特點，預示未來投入業務應用后的明顯應用前景，在2017年下半年，將重點開展產品測試和試驗使用，FY-4A星新儀器、新產品的巨大應用潛力，將隨著測試過程的進一步展開，得到更加充分的發揮。預計衛星和地面應用系統將于2017年底具備投入業務使用能力。

FY-4A星三通道可見光彩色合成圖像如圖6所示。該圖像由于利用了FY-4A星500 m高分辨率的可見光通道，其分辨率較現有FY-2衛星提高6倍，時間頻次提高1倍。2017年5月4日凌晨對該圖像產品的判識發現明顯的沙塵暴信息，隨著氣旋云系向東移動，沙塵影響范圍明顯向東擴展，華北大部、內蒙古大部、陜西北部、甘肅東部、寧夏大部、黑龍江北部與內蒙古北部交界處、黑龍江西南部等地有明顯沙塵分布，東北西部沙塵區有云覆蓋。經估算，衛星可視的沙塵監測面積約19.2萬km2。

FY-4衛星可見光近紅外通道偽彩色合成圖像，利用了FY-4衛星新增的卷云通道，可清晰地識別區域水云和冰云，這對航空氣象、強天氣分析，以及云團發生發展的跟蹤有重要的應用價值。2017年6月25日15：45的FY-4A星合成圖像如圖7所示。該時間段西南地區東部至長江中下游維持一條梅雨鋒雨帶(圖中藍色調和白色調云團)，在雨帶南側的湖南南部、浙江南部和福建北部有強對流云團發展，上述地區出現了強降水。圖7中：強降水區域與對流旺盛發展到出現冰云(圖中藍色調云團)的區域非常一致。

圖6 FY-4A星三通道彩色合成圖像Fig.6 Color synthesis picture of three channels by FY-4A satellite

圖7 FY-4A星偽彩色合成圖像Fig.7 Pseudo-color synthesis picture by FY-4A satellite

4 FY-4衛星發展

FY-4光學星在總體技術上與國際同期靜止氣象衛星處于同等水平，并在大氣垂直探測方面具先行發展的優勢。FY-4A星作為科學實驗衛星，主要用途是驗證新技術，發展新應用[9]。與MTG和GOES-R系列衛星等相比，該星的成像儀器的空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率尚有一定差距[10]。為更好地滿足我國氣象事業對靜止氣象衛星觀測資料的需求，并與國際接軌建立具有觀測數據兼容的衛星星座，FY-4后續光學系列業務衛星的紅外成像空間分辨率將逐步達到2 km，全圓盤觀測時間分辨率達到1 min；攜帶快速成像儀，可獲取真彩色圖像，最高可見光分辨率250 m，2 000 km×2 000 km區域成像時間為1 min；進一步提高探測儀的空間分辨率，保持中國在靜止軌道紅外高光譜大氣垂直探測的先行優勢，并不斷提高應用效益；靜止軌道閃電成像儀的性能將與MTG，GOES-R基本一致。預計在2020年前后，FY-4光學系列衛星的性能將全面達到和部分超越國際先進水平。

5 結束語

我國FY-4光學星系列的科研實驗衛星的成功發射，在軌測試所取得的成果表明，星地總體方案正確，實現了全部功能，主要技術指標達到或優于設計值，將在2018年全面投入試用，特別是在臺風、暴雨、洪澇、干旱等自然災害的監測中發揮重要作用，提高天氣監測和預報水平，為減少人民生命財產損失和社會發展做出更大的貢獻。隨著后續衛星的發射，尤其是微波探測衛星的發展，FY-4衛星將處于國際領先水平[9]。為農業、林業、水利、海洋、環境、交通、能源、航空航天、國防建設、科研等各領域，為我國小康社會建設、生態文明建設和“一帶一路”戰略提供更堅實的支撐和保障服務。

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ApplicationandDevelopmentofFY-4MeteorologicalSatellite

ZHANGZhi-qing1，LUFeng1，FANGXiang1，TANGShi-hao1，ZHANGXiao-hu1，XUYing-long2，HANWei2，NIESu-ping3，SHENYan-bo4，ZHOUYu-quan5

(1. National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China;2. National Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China;3. National Satellite Climate Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China;4. Public Meteorological Service Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China;5. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing100081, China)

The application and its development of FY-4meteorological satellite was introduced in this paper, which was the new generation geostationary meteorological satellite in China. The four main instruments were presented, which were Advanced Geosynchronous Radiation Imager (AGRI), Geosynchronous Interferometric Infrared Sounder (GIIRS), Geostationary Lightning Mapping (GLM) and Space Environment Monitor. And so were the satellite’s observation and quantified products. The performances of FY-4satellite were compared with Chinese FY-2meteorological satellite and other geostationary meteorological satellites on orbit in the world. FY-4optical satellite series are similar to GOES-16of the United States, Himawari-8/9of Japan and MTG of European Meteorological Satellite Organization, which belong to the same period advanced meteorological satellite. The images and data obtained by FY-4A satellite were given. The basic quantified products of FY-4A satellite were listed. The using instrument, data characteristic, physical meaning, and application field, method and samples were also presented. The quantified products applications based on FY-4satellite in numerical weather predication, climate, eco-environment, specialized meteorological service, weather modification, space weather monitoring and warning were given. Some applications of FY-4A satellite during the test were given. The development of follow-up FY-4satellite series were prospected at last.

FY-4meteorological satellite; Advanced Geosynchronous Radiation Imager (AGRI); Geosynchronous Interferometric Infrared Sounder (GIIRS); Geostationary Lightning Mapping (GLM); Space Environment Monitor; numerical weather predication; climate; eco-environment; professional meteorological service; weather modification; space weather monitoring and warning

1006-1630(2017)04-0008-12

2017-06-13；

：2017-08-08

國家高技術研究發展計劃資助(2009AA12Z50)；國家自然科學基金資助(41575048，61527805，41175023)

張志清(1964—)，男，二級研究員，風云二號和風云四號氣象衛星地面應用系統總設計師，主要研究方向為氣象衛星遙感。

P13

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.002