全球氣象業務衛星發展動態簡述

● 文|1.中國氣象局氣象干部培訓學院2.中國氣象局發展研究中心 王喆 周勇

氣象衛星是人類進行氣象監測與預報、環境監測、防災減災，以及大氣和海洋科學研究的重要工具，是對地觀測系統的重要組成部分，也是世界上應用最廣的衛星種類之一。氣象衛星根據其運行軌道的不同，一般分為極軌氣象衛星和靜止氣象衛星兩大類，兩種衛星各有特點，業務應用中優勢互補，共同組成了當今氣象業務衛星的觀測格局。隨著空間技術、遙感技術、大氣科學以及氣象業務能力的快速發展，氣象衛星也經歷著快速的發展與革新。本文簡要梳理了全球氣象衛星目前的發展動態。

一、美國氣象業務衛星發展動態

美國是世界上第一個擁有氣象衛星的國家。到目前為止，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）通過其所屬的國家環境衛星、數據和信息局（NESDIS）運行管理著聯合極軌衛星系統（JPSS）系列極軌氣象衛星和地球靜止軌道環境衛星（GOES）-R系列靜止氣象衛星兩大系列氣象衛星。

1.JPSS系列極軌氣象衛星

JPSS系列包括4顆極軌氣象衛星。現役的JPSS-1衛星于2017年11月18日發射升空，之后被更名為NOAA-20。NOAA-20衛星裝備有微波探測儀（ATMS）、可見光紅外成像輻射儀套件（VIIRS）、交叉跟蹤紅外探測器（CrIS）、臭氧監測和廓線探測套件（OMPS）以及云和地球輻射能量探測儀（CERES）等，其觀測能力比上一代NOAA系列衛星有了顯著提升(見圖1)。

圖1 NOAA-20極軌氣象衛星圖像

圖1（a）為NOAA-20發回的第一批ATMS科學數據，該圖像展示了2017年11月29日地表至5km高度全球的水汽含量。ATMS可聯合CrIS對全球大氣溫、濕廓線進行全天候反演，獲取準確的、高時空分辨率的大氣溫濕廓線分布，對改善全球天氣預報至關重要。圖1（b）為VIIRS捕獲的2017年12月加州野火圖像，圖中清晰地顯示了大火的位置及其產生的煙霧和羽流。NOAA-20搭載的VIIRS星下點水平分辨率為400m，可提供22個觀測通道。圖1（c）為NOAA-20發回的第一幅CrIS數據圖像，該圖顯示了1598.75cm-1水汽通道的白天全球亮溫分布。圖像中深藍色代表輻射主要來自液態水和冰云，而黃色則表示大氣較為干燥。NOAA-20每天提供兩次全球范圍的CrIS高光譜紅外觀測資料，用于反演大氣溫度和水汽空間分布。CrIS還可以用來反演溫室氣體、地表和云的特性。CrIS包含三個紅外觀測波段。圖1（d）為OMPSNadir Mapper 360.8nm云反射率通道輻射圖像，該通道是用于估計總臭氧濃度的5個主要通道之一。OMPS用于監測全球臭氧總含量與臭氧垂直分布，是美國國家氣象部門發布空氣質量警報和紫外線指數的關鍵參考數據。

按照計劃，另外3顆衛星JPSS-2、JPSS-3和JPSS-4將分別于2021年、2026年和2031年發射。

2.GOES-R系列靜止氣象衛星

GOES-R系列包括4顆衛星（GOES-R/S/T/U），是美國最新一代地球靜止軌道氣象衛星。該系列前2顆衛星（GOES-R和GOES-S）分別于2016年11月19日和2017年3月1日發射，入軌后被更名為GOES-16和GOES-17，定位于75°W和137°W，覆蓋范圍涵蓋西半球的大部分區域，從非洲西海岸到新西蘭，從北極圈附近到南極圈附近。

GOES-16衛星搭載了最新研制的16通道先進基線成像儀（ABI），包括2個可見光通道、4個近紅外通道和10個紅外通道，可見光分辨率最高達0.5km，近紅外1km，紅外2km。地球全盤掃描時間提高到15min，美國本土（3000km×5000km）5min。

圖2為GOES-16衛星ABI部分光譜通道合成的高分辨率復合彩色全圓盤可見光圖像。除此之外，還搭載了閃電成像儀、空間環境探測組件、遠紫外/X射線輻射遙感器、太陽紫外成像儀、磁強計等，可對颶風、龍卷風、洪水、火山灰云、野火、雷暴甚至太陽耀斑等進行高分辨率觀測。

圖2 GOES-16靜止氣象衛星全圓盤組合色圖像（2017年1月15日）

二、日本氣象業務衛星發展動態

日本于2014年10月7日發射了新一代地球靜止氣象衛星——葵花8號（HIMAWARI-8），并于2016年11月2日發射了葵花9號作為備用衛星，計劃2022年接替葵花8號（見圖3）。新一代葵花衛星最顯著的特點是其搭載的最新型的掃描輻射儀AHI，具有16個觀測波段（3個可見光波段，3個近紅外波段，10個紅外波段），僅通道數量上就比上一代的MTSAT衛星提高3倍，觀測時效也縮短為每10min一次全圓盤圖。同時,葵花8號/9號還可高頻觀測特定地區，例如，可做到每隔2.5min觀測一次日本本土范圍，或者跟蹤臺風等中尺度系統。如果將觀測范圍繼續縮小，甚至可以每30s觀測完成一次選定區域掃描。葵花8號/9號的空間分辨率較高：可見光波段為1km，紅光波段（0.64μm）最高為0.5km，近紅外為1km，其余紅外波段為2km。這些重大改進使得監測熱帶氣旋和帶來局地暴雨的云層運動變得前所未有的精確，同時還可以非常準確地監測到火山灰和氣溶膠的分布。AHI比GOES-R的ABI性能還要突出一些，但是葵花8號/9號僅搭載了這一款成像儀器。另外日本沒有發展其本國的極軌氣象業務衛星。

圖3 葵花8號/9號衛星示意圖

三、歐洲氣象業務衛星發展動態

歐洲氣象衛星應用組織（EUMETSAT）目前運行著2顆極軌氣象衛星（METOP-A/B）和4顆靜止氣象衛星（METEOSAT-8/9/10/11）。

METOP系列包含3顆極軌氣象衛星，METOP-A和METOP-B分別于2006年10月和2012年9月發射。METOP系列衛星除了搭載與NOAA-19類似的觀測儀器（AVHRR/3、HIRS/4、AMSU-A、MHS）外，還搭載了其他高水平的氣象探測儀器，如邁克爾遜干涉儀（IASI）可進行紅外溫度、水汽和臭氧監測，高級散射儀（ASCAT）可進行海表面風的觀測，全球衛星導航系統接收儀（GRAS）利用衛星導航信號延遲效應進行溫度和水汽廓線的觀測，以及空間環境監測和紫外臭氧探測等。

4顆正在運行的METEOSAT均屬歐洲第二代靜止氣象衛星（MSG）。METEOSAT-11是主要的業務運行衛星，定位于0°的36000km上空，可提供間隔15min的全圓盤圖像。METEOSAT-10定位于9.5°E，提供歐洲、非洲及其鄰近海域5min一次的快速掃描服務。METEOSAT-9定位于3.5°E，是上述兩顆衛星的備份星；而METEOSAT-8則被定位在印度洋地區（41.5°E）上空進行觀測。METEOSAT衛星搭載的自旋式增強可見光紅外成像儀（SEVIRI）共有12個通道，觀測空間分辨率為1-3km。

歐洲第三代靜止氣象衛星（MTG）預計于2021年啟用（圖4）。MTG將包含6顆衛星：4個MTG-I成像衛星以及兩個MTG-S大氣探測衛星。MTG-I將搭載16通道的復合成像儀（FCI），性能與ABI和AHI相當，同時還會搭載閃電成像儀（LI）將會對臨近預報產生幫助。與美國不同，歐洲將會發展搭載紅外大氣垂直探測儀器（IRS、UVN）的靜止氣象衛星MTG-S，用于提供水平、垂直以及時間序列的四維的大氣溫濕廓線；同時，搭載的紫外、可見光和近紅外垂直探測儀也會對大氣化學的研究產生推動作用。同時，歐洲還在發展其下一代極軌氣象衛星（EPS-SG），用于在2020年后替代當前的極軌衛星系統，同時呼應美國JPSS計劃，與其進行聯合組網觀測。

圖4 歐洲下一代靜止氣象衛星MTG示意圖

四、中國氣象業務衛星發展動態

自1988年第一顆風云系列衛星升空，到2017年風云（FY）-3D的發射，這期間中國共成功發射了16顆風云系列氣象衛星，包括FY-1A到1D、FY-2A到2G、FY-3A到3D以及FY-4A。風云一號氣象衛星是中國研制的第一代太陽同步軌道氣象衛星，衛星可以向世界各地云圖接收站發送實時衛星云圖，還可對海洋水色進行探測和對海溫進行遙感研究；衛星上攜帶有空間粒子成分探測器，可對空間環境進行研究。FY-1C和1D在性能上較前兩顆星有較大改進，取得成功的業務應用價值，性能穩定，均超期服役。目前，中國的極軌氣象衛星已被風云三號取代。風云三號裝載的探測儀器有：10通道掃描輻射計、20通道紅外分光計、20通道中分辨率成像光譜儀、臭氧垂直探測儀、臭氧總量探測儀、太陽輻照度監測儀、4通道微波溫度探測輻射計、5通道微波濕度計、微波成像儀、地球輻射探測儀和空間環境監測器，可獲取地球大氣環境的三維、全球、全天候、定量、高精度資料，滿足我國乃至全球天氣預報、氣候預測和環境監測等方面的迫切需求。風云三號衛星目前已經達到世界先進水平，總體性能已經接近或達到歐洲正在研制的下一代極軌氣象衛星水平。

中國目前正在運行并提供應用服務的靜止氣象衛星是風云二號系列3顆衛星FY-2E、FY-2F、FY-2G和最新一代的風云四號系列1顆衛星FY-4A，分別于2008年12月23日、2012年1月13日、2014年12月31日和2016年12月11日發射成功，目前分別定位于86.5°E、112°E、99.5°E和104.7°E。風云二號系列衛星搭載的掃描輻射計具有5個通道，分辨率5km，全盤掃描30min，汛期雙星觀測可達到15min，衛星為自旋穩定方式。而FY-4A為我國新一代靜止氣象衛星，采用三軸穩定姿態控制方案，提高了掃描輻射成像儀性能（圖5），發展了大氣垂直探測，加強了空間天氣監測預警。FY-4A搭載的多通道掃描成像輻射計設置有14個成像通道，覆蓋可見光、近紅外、短波紅外、中波紅外和長波紅外波段，其中可見光最高分辨率可達到0.5km，近紅外為1—2km，紅外為4km，觀測能力與美日歐新一代靜止氣象衛星基本相當。觀測儀器種類方面，FY-4A將首次在靜止軌道上同時實現紅外高光譜垂直探測和閃電探測，這一點優于日本的HIMAWARI-8/9。

圖5 FY-4A多通道掃描成像輻射計彩色合成圖像（2017年2月20日13∶15）

目前，我國已形成了“多星在軌、統籌運行、互為備份、適時加密”的氣象衛星業務布局（表1），也是世界上少數幾個同時擁有極軌和靜止軌道氣象衛星的國家。與此同時，中國還將發展降水雷達衛星、晨昏軌道衛星，形成晨昏星、上午星、下午星和降水測量雷達星組網，具備全球溫室氣體監測能力和降水測量能力，提升大氣垂直探測能力和觀測精度，實現降水、海表風場、溫室氣體和氣溶膠全球監測。

表1 在軌中國風云系列氣象衛星基本情況

五、其他地區氣象業務衛星發展動態

俄羅斯第一顆靜止氣象衛星GOMS于1994年11月發射成功，為三軸定向穩定方式，定位于76°E。GOMS搭載了3通道掃描輻射計，可見光分辨率1.25km，紅外和水汽通道6.5km，遺憾的是衛星掃描輻射計可見光通道因設計錯誤一直未能獲得圖像，目前只能獲得紅外圖像。而目前GOMS已被最新發射的Electro-L接替，可以僅用一個鏡頭拍攝地球高清完整圖片，分辨率達到1km。俄羅斯極軌氣象衛星“流星”(Meteor)系列，類似于美國的NOAA衛星，最近的一顆Meteor-M2氣象衛星于2014年8月7日發射，主要有效載荷包括：低分辨率多光譜掃描儀、星載X頻段合成孔徑雷達、多光譜成像掃描儀、微波成像儀/探測輻射計和數據采集系統等。

印度的靜止衛星印度衛星（INSAT），是集成通信、廣播和氣象探測的多功能衛星。INSAT-3DR是目前最新在軌運行的專用氣象衛星，于2016年9月8日成功發射。INSAT-3DR衛星搭載的先進的氣象有效載荷有6信道成像儀和19信道探測器，可提供溫度與濕度垂直分布情況、大氣運動矢量、海平面溫度、降雪覆蓋情況以及其他天氣信息的定量數據。

六、小結

隨著全球對氣象災害、氣候與氣候變化、生態與環境的監測預測需求越來越高，氣象衛星無疑還將發揮更大的作用。氣象衛星歷經半個多世紀的發展，時間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率、衛星穩定性、探測要素與范圍、數據質量與存儲傳輸能力也越來越高。目前，世界氣象大國都在瞄準氣象衛星發展前沿，積極搶占未來科技發展的制高點。氣象衛星及其應用與一國的空間科技水平、基礎工業水平、遙感科學技術水平等密切相關，縮小與世界先進水平的差距，對我國而言機遇與挑戰并存。因此，要力求突破關鍵技術瓶頸，積極推進科技創新，破除科技發展的體制機制障礙，同時也要秉承開放合作的態度，積極參與國際交流，擴大和深化同各國的利益匯合點，尋求共同發展。