風云系列氣象衛星最新進展及應用

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一、引言

我國幅員遼闊，氣象災害頻發，臺風、暴雨洪澇、干旱、霧霾等氣象災害每年均給我國帶來巨大的經濟財產損失和人員傷亡。氣象衛星作為綜合氣象觀測網絡的重要組成部分，是雷達、地面觀測站和高空觀測的重要補充，具有觀測廣、時效快、不受自然條件和國界限制的優勢，可以在防災減災和科學研究中發揮重要的作用。

1969年周恩來總理高瞻遠矚地提出“應該搞我們自己的氣象衛星”，并于1970年親自批準下達了研制氣象衛星的任務。自此我國氣象衛星事業走上了自主發展的道路。隨著1988年風云一號A星（FY-1A）的成功發射，結束了我國沒有氣象衛星的歷史，自此我國氣象衛星走上了發展的快車道。截至2018年，我國已成功發射了17顆風云（FY）系列氣象衛星（圖1），包括8顆極軌氣象衛星和9顆靜止氣象衛星，成為世界上少數幾個同時具有極軌和靜止兩個系列業務氣象衛星的國家和地區之一。風云氣象衛星從整體上實現了業務化、系列化發展，實現了從“試驗應用型”向“業務服務型”轉變的目標，實現了世界氣象衛星領域“中、美、歐”三強鼎立的國際格局，在生態文明建設、服務防災減災和應對氣候變化領域為我國的經濟社會發展作出了積極貢獻。同時，風云衛星在服務“一帶一路”建設，服務“共建人類命運共同體”等工作中發揮著積極作用。后續將研制和發射風云四號02批和風云三號03批新一代靜止和極軌氣象衛星，建立風云四號衛星雙星運行、在軌備份的業務格局，建立風云三號上午、下午、降水、晨昏四星組網觀測的能力，進一步完善全球覆蓋的氣象遙感業務體系，氣象衛星及應用將達到同期國際一流水平。

圖1 截至2018年，我國已成功發射17顆風云系列氣象衛星

近年來，我國非常重視氣象衛星在國際服務中的作用。2018年6月10日，中國國家主席習近平在上海合作組織青島峰會上講話時鄭重承諾：“中方愿利用風云二號氣象衛星為各方提供氣象服務”。2018年7月10日，習近平主席在中阿合作論壇第八屆部長級會議開幕式的講話中提出：“要共建‘一帶一路’空間信息走廊，發展航天合作，推動中國北斗導航系統和氣象遙感衛星技術服務阿拉伯國家建設”。2018年9月4日，我國在中非合作論壇—北京行動計劃（2019—2021）中明確承諾“愿繼續為非洲國家提供風云氣象衛星數據和產品及必要的技術支持，繼續向非洲國家提供氣象和遙感應用設施和教育培訓援助，支持非洲氣象（天氣和氣候服務）戰略的實施，提升非洲國家防災減災和應對氣候變化的能力”。

二、風云氣象衛星最新進展

近年來，風云系列氣象衛星業務組網布局日臻成熟，衛星在觀測范圍、探測能力上均有較大提升，地面應用系統在數據處理、傳輸、存儲和共享服務能力上也有跨越式發展。

1.風云衛星業務組網布局

風云衛星在靜止和極軌系列均成功升級換代的基礎上，極軌氣象衛星實現了“上、下午星業務組網觀測”，靜止氣象衛星實現了“多星觀測、在軌備份、適時加密”的業務布局，在觀測范圍和探測能力上均較上一代衛星有較大提升。目前共有8顆風云衛星在軌運行，其中5顆靜止軌道氣象衛星，分別定點于東經79°（FY-2H）、東經86.5°（FY-2E）、東經99.5°（FY-2G）、東經104.7°（FY-4A）、東經112°（FY-2F），極軌氣象衛星3顆，分別為FY-3B（下午星）、FY-3C（上午星）、FY-3D（下午星）。

2. 衛星探測能力增強

風云三號D星（FY-3D）上裝載了10臺套先進的遙感儀器，除了微波溫度計、微波濕度計、微波成像儀、空間環境監測儀器包和全球導航衛星掩星探測儀等5臺繼承性儀器之外，紅外高光譜大氣探測儀、近紅外高光譜溫室氣體監測儀、廣角極光成像儀、電離層光度計為全新研制、首次上星搭載。核心儀器中分辨率光譜成像儀進行了大幅升級改進，性能顯著提升。250m分辨率通道增加至6個，包括兩個250m紅外分裂窗通道，可在生態環境監測服務中發揮重要作用。紅外高光譜大氣垂直探測儀采用了國際上最先進的傅里葉干涉探測技術，可以提高大氣溫度和大氣濕度廓線反演精度1倍以上，極大提升了對我國中長期數值天氣預報的支撐能力。廣角極光成像儀為FY-3D帶來了一項新技能——對兩極極光強度和范圍進行監測。而極光與電場、磁場密切相關，觀測極光活動可以了解高層大氣高能粒子、電場、磁場變化情況。電離層光度計則側重于監測電離層電場狀態，它能反演高層大氣電子濃度的垂直分布，測量氧氣原子和氮氣分子的極紫外波段氣輝輻射強度。FY-3D衛星遙感探測儀器技術參數如表1所示。

表1 FY-3D 衛星遙感探測儀器技術參數

我國靜止軌道衛星遙感儀器的探測能力已經與國際水平相當，部分探測能力已經趕超歐洲和美國。2016年12月11日，我國新一代靜止軌道氣象衛星風云四號衛星的首顆星FY-4A成功發射，將接替第一代靜止軌道氣象衛星——風云二號，確保我國靜止軌道氣象衛星觀測業務的連續、穩定。FY-4A配備的掃描成像輻射計通道數量增加了2.8倍，達到14個。其觀測時間分辨率提高1倍，最快可以每1min生成一次區域觀測圖像。最高空間分辨率較之前提高了6倍，達到500m。這些新能力，將讓FY-4A以全新的方式來揭示臺風、暴雨、洪澇、森林火災、沙塵暴和空間天氣的變化規律。FY-4A還搭載了世界上首個靜止軌道干涉式大氣垂直探測儀，其在垂直光譜探測通道達到1700個，可對大氣結構實現高精度定量探測，相當于對大氣進行CT掃描。這也是國際上靜止軌道氣象衛星的首次裝載，將首次實現靜止軌道大氣高精度溫度、濕度廓線探測，獲取的高光譜大氣數據，可進一步提高天氣預報的準確性。FY-4A的觀測能力是現有觀測系統的上千倍，將極大提高天氣預報準確率和精細化水平。FY-4A閃電成像儀，1s可以拍攝500張閃電圖，探測區域范圍內的閃電頻次和強度，這可以用來實現對強對流天氣的監測與跟蹤，提供閃電災害預警，也是國內首次應用。FY-4A衛星遙感儀器技術參數如表2所示。

表2 FY-4A衛星遙感儀器技術參數

3. 衛星觀測范圍向西擴展

“一帶一路”沿線國家氣象資料匱乏，自然災害嚴重。世界氣象組織及亞太空間合作組織希望中國能將新發射的風云二號H星（FY-2H）定點位置向西布局，更廣泛惠及成員國。2018年4月23日，中國氣象局、國防科工局和亞太空間合作組織簽署風云氣象衛星應用合作意向書，確定將FY-2H定點位置從原定的東經86.5°移至東經79°，使我國靜止軌道氣象衛星觀測范圍向西擴展到東經4°附近。監測范圍包括亞洲50個國家、非洲41個國家、歐洲39個國家、大洋洲9個國家，“一帶一路”沿線64個國家（圖2）。2018年6月5日，風云二號氣象衛星的最后一顆業務衛星FY-2H成功發射，7月28日，FY-2H順利到達東經79°赤道上空，于7月30日開始傳回該地區圖像，圖像質量較前序風云二號氣象衛星有較大提升。在軌測試結束后，FY-2H將正式投入業務運行，可以實現最快半小時一次的全圓盤觀測，實現每日28次對“一帶一路”地區的觀測，生成針對“一帶一路”地區的精細化服務產品。此外，其他風云二號氣象衛星運行模式逐步成熟，FY-2E和FY-2G運行雙星觀測模式，FY-2G在每小時整點獲取全圓盤觀測數據，FY-2E在每小時半點獲取全圓盤觀測數據。FY-2F運行按需區域掃描模式，根據用戶需求針對指定區域進行最快6min間隔的觀測。

圖2 目前在軌的4顆風云二號靜止氣象衛星覆蓋范圍示意圖

4. 衛星數據獲取時效有較大提高

為了提高風云衛星獲取全國以及全球數據的時效，國家衛星氣象中心已經建成了一套“1+5+2”地面站網體系，即1個數據處理中心（位于北京）、5個境內數據接收站（分別位于北京、廣州、佳木斯、烏魯木齊、喀什）和2個境外數據接收站（分別位于瑞典基律納和東南極洲毛德皇后地）。2017年新建成的喀什氣象衛星接收地面站使FY-3D的國內接收數據范圍向西延伸了12°，提高了中國境內資料接收的時效性。兩個境外數據接收地面站的啟用，使全球風云三號衛星數據獲取時效從原來的3h提高到2h以內。

5. 衛星數據服務能力大幅提升

依托強大的數據傳輸、數據處理和存儲能力，借助“天地一體化”的氣象衛星數據共享服務系統建設，風云系列氣象衛星數據通過多種渠道為各類用戶提供高時效的數據服務。風云衛星數據用戶覆蓋范圍十分廣泛，國內用戶覆蓋包括31個省市自治區和港澳臺地區，國際用戶覆蓋84個國家，其中包括40個“一帶一路”國家。針對用戶對風云衛星數據的需求，可通過衛星直收站、中國氣象局廣播系統（CMACast）、全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）、地面專線、網站訂購、綠色網絡通道以及協議人工服務等多種服務方式和渠道獲取風云衛星數據。風云衛星遙感數據服務網（http://data.nsmc.org.cn）的注冊人數已經超過6萬人，年數據服務量已經超過3PB（圖3）。

圖3 風云衛星共享服務成果 （左：2008—2017年服務數據量；右：2005—2017年網站注冊人數）

6. 衛星定量產品種類更加豐富

風云氣象衛星目前可通過數十個遙感儀器從太空獲取陸表、海表、大氣以及近地空間的輻射值和遙感數據，經過數據預處理生成1級數據，在此基礎上，研發出數百種氣象衛星產品，產品種類更加豐富，覆蓋云和大氣、陸表、海表、冰雪、輻射、閃電和空間天氣等多種類型，可直接應用于多個領域，風云衛星產品表如表3所示。

表3 風云氣象衛星產品表

續表3

三、風云衛星應用進展

1. 風云衛星在氣象方面的應用

氣象衛星最主要的應用就是氣象領域，氣象衛星資料在天氣預報、數值模式、氣候分析等工作中已經不可或缺。

數值天氣預報。衛星資料已經成為全球數值天氣預報所依賴的最重要的觀測系統。目前，中國氣象局正大力開展衛星資料在數值預報中的應用研究，這是提高天氣預報準確率的重要手段，將衛星探測資料加入到數值預報的三維同化系統中，能顯著提高數值天氣預報的精度和時效。風云二號衛星的一些產品，如衛星導風、水汽晴空輻射等，經過同化試驗后表明有顯著的應用潛力。由于第一代風云極軌氣象衛星只有成像儀器，難以對數值天氣預報提供強有力的支持，因此，我國在發展第二代極軌氣象衛星風云三號時，將紅外和被動微波垂直探測技術作為優先考慮的對象。風云三號衛星大氣探測儀器資料，是數值預報模式直接輻射同化的重要資料源，已陸續應用到業務模式中。同時，由于海面氣象臺站稀少，風云氣象衛星已成為臺風觀測最主要的手段。云圖和其他氣象衛星定量觀測資料用于分析和預報臺風的位置、強度和天氣，做到了一個不漏，大大減小了臺風所造成的損失。

氣候分析。以衛星遙感為主的空基觀測是近四十年發展起來的一項新型探測技術，它具有覆蓋范圍廣、信息量大、重復頻率高、信息源可靠等諸多優勢，是其他任何常規觀測都無法替代的重要信息源。未來十到二十年，以遙感手段特別是基于空間的衛星遙感技術將逐步成為主要探測手段，以遙測手段特別是基于地基的遙測系統將作為綜合探測的基準系統。我國大范圍降水和溫度的異常分布與厄爾尼諾、拉尼娜事件為代表的太平洋海表水溫異常、陸地上的植被分布、極地和青藏高原上的積雪分布等大范圍陸地表面狀態異常有關系。氣象衛星提供了這些大范圍海洋和陸地表面狀態異常的信息，為短期氣候預測提供了支撐。

2. 風云衛星在環保領域的應用

我國是環境和自然災害種類較多、發生頻繁的國家之一，風云系列氣象衛星在洪澇、森林草原火情、沙塵暴、雪災、水環境和海冰等監測中發揮了重要作用。風云三號氣象衛星建立了我國氣象衛星監測大氣成分的里程碑，在國內首次實現了從衛星遙感監測獲取全球的臭氧總量、臭氧廓線、可見光氣溶膠光學厚度以及紫外氣溶膠指數產品，可以實現對我國以及全球大氣臭氧濃度、氣溶膠污染、霾、沙塵、火山灰以及區域秸稈焚燒煙霾的強度和分布等大氣環境狀況進行實時監測。可為我國環境氣象業務的開展提供衛星定量監測數據。

3. 風云衛星在農業領域的應用

農業領域是氣象衛星資料應用的傳統領域，可以為農業提供諸如日照、降水、氣溫、陸表溫度、植被分布、蒸散、土壤濕度、地面反照率、地面輻射及地面熱通量等氣象參數和陸面參數。隨著風云三號氣象衛星全球數據獲取能力的提升，可以提供全球主要農作物區域分布以及產量估算等產品。同時，通過與高分辨率衛星相結合，由遙感、氣象數據耦合形成的面狀氣象參數產品可以為農業病蟲害監測與預警提供更為豐富的數據源，對全球和全國重點區域的作物病蟲害發生面積和發生程度，以及小麥、水稻、玉米等作物的主要病蟲害發生現狀和趨勢進行預測預報。衛星遙感農作物長勢和產量預估對農作物期貨市場亦有指導意義。除此之外，利用氣象衛星可以對全球土地荒漠化以及局部區域的干旱情況進行跟蹤和分析，結合氣象數據進行趨勢預測，為政府部門決策提供依據。

4. 風云衛星在重大服務保障、防災減災中的應用

多年來，風云衛星在決策、公共氣象服務、重大氣象災害和重大事件活動氣象服務保障工作中發揮了重要作用。風云四號衛星在天氣監測分析中的初步應用取得顯著效果。FY-4A衛星資料開展了沙塵暴、臺風、強對流等災害天氣領域的應用，在“十九大”氣象服務保障、“一帶一路”國際合作高峰論壇、第13屆全運會（天津）、金磚國家領導人第9次會晤（廈門）、內蒙古自治區成立70周年慶祝活動、G20峰會、2018年青島上合組織峰會等重大活動氣象保障服務中發揮了重要作用，為氣象決策提供了強有力的支撐，顯著提升了遙感應用服務效果。

除了以上幾個主要應用領域，風云衛星在醫學、交通、航空、金融等領域也有廣闊的應用空間。利用風云衛星生成氣候學變量可用于傳染病流行研究。利用風云四號氣象衛星生成的對流層頂折疊和閃電產品，可用于民航航路規劃和實時監測，大霧產品可用于交通指揮中心、高速公路管控以及大型物流公司的陸路運輸。

四、展望

風云系列氣象衛星已經成功完成了靜止、極軌兩個系列氣象衛星的更新換代，進入了新的發展階段。風云三號后續衛星計劃共4顆，包括3顆近極地太陽同步軌道衛星（按照晨昏、上午、下午各1顆布局）和1顆傾斜軌道降水測量衛星，增強全球觀測能力，尤其是對數值預報應用的支持。風云四號后續光學系列業務衛星的分辨率將提高到2km（紅外），全圓盤觀測時間分辨率達到1min，新增快速成像儀可獲取1min間隔的區域圖像，最高分辨率達到250m。后續風云衛星的性能將全面達到和部分超越國際先進水平，可以為我國農業、林業、水利、海洋、環保、交通、航空航天、教育以及公眾服務等領域提供有力支撐，為全球尤其是“一帶一路”沿線國家提供優質的氣象服務。