國際氣象衛星協調組織（CGMS）統籌氣象衛星系統建設的重要計劃

■ 王富 陸其峰 倪卓婭

CGMS的長期協調努力已取得了一系重要成果：編制了全球氣象衛星系統基線，構建覆蓋全球的靜止軌道觀測，制定全球氣象衛星應急備份方案，推動GSICS交叉定標，建成覆蓋全球的數據分發系統，建成虛擬實驗室（VLab）向更多用戶普及了衛星數據應用技術。

1960年首顆氣象衛星“泰羅斯1號”的成功發射開啟了人類從太空觀測地球的時代，并促使聯合國大會通過了關于和平利用外層空間的決議，更推動世界氣象組織（WMO）將氣象衛星納入全球觀測系統（GOS）。隨著氣象衛星全球觀測的特點日益凸顯，很多國家陸續啟動了氣象衛星系統建設，而國際氣象衛星協調組織（CGMS）作為全球氣象衛星系統技術資料交流平臺也應運而生。

在航天遙感技術進步和人類生存發展需求的共同牽引下，氣象衛星系統經過數十年發展，已形成了覆蓋高軌低軌、觀測譜段眾多、兼顧成像探測的綜合地球觀測能力，并在天氣預報、氣候預測、環境監測、防災減災和資源可持續開發等多個領域得到了廣泛應用。CGMS通過提供國際交流合作平臺協調氣象衛星系統發展，為加強全球整體觀測能力、實現效益最大化和長期可持續發展做出了重要貢獻。隨著新一代載荷和觀測投入使用，CGMS將通過推動全球協調合作以滿足世界氣象組織綜合觀測系統（WIGOS）2040年遠景規劃的需求 。

1 CGMS組織機構及協調成果

CGMS目前共有22個成員（表1），下設5個工作組，指導WMO全球空間交叉定標系統（GSICS）及其他5個國際科學工作組（表2）。同時，CGMS與地球觀測組織（GEO）、對地觀測衛星委員會（CEOS）等密切合作。CGMS秘書處設在歐洲衛星氣象開發組織，中國氣象局早在1986年就作為觀察員參與CGMS會議，并于1989年成為正式成員。

表1 CGMS成員和觀察員機構列表

表2 CGMS下設工作組及科學工作組列表

CGMS的長期協調努力已取得了一系重要成果：包括編制了全球氣象衛星系統基線，構建覆蓋全球的靜止軌道觀測，制定了全球氣象衛星的應急備份方案；推動GSICS交叉定標、改進產品算法和推廣數據應用；建成了覆蓋全球的數據分發系統；建成虛擬實驗室（VLab）向更多用戶普及了衛星數據應用技術。

2 CGMS天氣氣候觀測計劃

2.1 全球氣象衛星基線

編制全球氣象衛星基線是CGMS最主要的成果之一，CGMS通過綜合全球不同氣象衛星系統的天基觀測能力，對照WIGOS 2040遠景規劃，推動各成員以此作為未來氣象衛星計劃的重要輸入。基線每4年更新一次，修訂流程見圖1。基線除了由CGMS各成員現有及計劃中的觀測能力整合成的全球觀測體系外，還包括數據傳輸保障，數據質量控制等。

圖1 CGMS極限修訂流程圖

觀測能力按傳感器被分為23類（表3），主要分布在太陽同步軌道（LEO）、地球靜止軌道（GEO）上，而橢圓軌道（HEO）和拉格朗日點L1也在計劃中。LEO軌道衛星每天以大致相同的時間經過同一地區2次，按過境時間可分為晨昏軌道（EO）、上午軌道（MO）和下午軌道（AO）三類，在以上三類LEO軌道上布置3顆大幅寬載荷衛星即可實現4 h一次全球觀測。GEO軌道衛星可對以星下點為中心約三分之一地球表面進行高時間分辨率觀測，而實現靜止軌道高時間分辨率的全球拼圖需要布置6顆衛星。HEO軌道衛星能提供高緯地區的高頻次重訪，而拉格朗日點L1的衛星能在太陽風粒子到達磁層和地球前幾分鐘對其進行探測，這兩個軌道尚無在軌衛星，但已有CGMS成員在實施相關計劃。

表3 CGMS基線計劃觀測能力

數據傳輸包括同時保障直接廣播和地面分發服務，為天氣預警預報提供實時觀測資料的同時通過地面分發系統共享更完整的數據資料。CGMS制定了符合實時性和經濟性原則的數據分發服務標準，并研究探索利用直接廣播系統收集和分發海上浮標等觀測平臺的數據資料，以及提供應急信息服務。

數據質量是氣象衛星整體應用效能提升的重要前提，包括通過GSICS協助各成員定期對各氣象衛星系統的參考載荷或者定標場進行交叉定標，通過與國際科學工作組合作推動不同衛星數據產品之間的交叉檢驗，保證數據的長期穩定和質量可靠，以支撐全球天氣和氣候預報。

值得一提的是，風云氣象衛星作為CGMS基線的重要組成部分，不僅組成了GEO全球拼圖，更將為基線補充重要的LEO晨昏軌道以實現氣象衛星觀測每隔4 h覆蓋全球一次的目標。中國氣象局的衛星數據廣播系統CMACast及數據網站等地面分發系統還是基線實時數據共享服務的重要渠道之一。風云系列氣象衛星也參與了GSICS框架下的交叉定標等工作，并依托國家重點研發計劃“國產多系列遙感衛星歷史資料再定標技術”項目重點解決國產衛星歷史資料輻射基準統一和數據長期一致性的問題。

2.2 氣候監測框架戰略

氣候變化引起地球生存條件的變化，已不再僅是一個科學問題，更是世界各國政府需要共同面對的政治問題、經濟問題和外交問題。氣候觀測是深化對氣候變化客觀規律的科學認識，推進氣候變化綜合影響評估的基礎，也是減少氣候變化不確定性的重要前提。氣象衛星觀測特有的大范圍區域周期性觀測能具有獨特的優勢，能從全球尺度對其他長時間序列觀測數據的區域差異進行分析。

CGMS與CEOS組成的聯合工作組，通過《空基氣候監測框架戰略》的制定和實施來推動氣象衛星數據在氣候監測領域的應用。為滿足氣候觀測長期穩定的要求，需要研究解決不同衛星系統不同載荷之間的一致可比性，以及衛星觀測的長期一致性，以提升氣象衛星氣候數據集的可用性。聯合工作組通過梳理衛星能力、編制氣候數據集目錄，建立結構化數據視圖，已經取得了階段性成果。大氣方面已建立了大氣物理、大氣動力和大氣成分的衛星數據框架，構建了用于監測溫室氣體、降水、大氣廓線等的虛擬衛星星座，制定了對應氣候數據集的生產方案。陸地方面湖泊溫度、冰川變化、陸地火點等產品工作進展較快，通過星地真實性檢驗及衛星數據時空分辨率的提高可達到氣候應用的要求。海洋方面氣候數據集生產進展較快，未來以長時間序列LEO觀測與日變化GEO觀測結合、維持海面熱通量、海面動力環境和海綿反射率等監測、補充海面溫度和海冰的被動微波觀測，加強海面高度和海平面的真實性檢驗、浮游植物生物量估算氣候變量、整合多個全球海鹽監測計劃等。

未來CGMS將繼續致力于提高現有觀測數據的長期穩定性推動氣象衛星數據向氣候數據集升級，通過差距分析加強長期規劃實現縮小氣象衛星觀測能力和氣候數據集目標之間的差距。

3 高優先級計劃

高優先級計劃（HLPP）是CGMS滾動更新的行動計劃，共包括6個方面：

業務基線能力保障是CGMS協調工作的核心內容之一，也是HLPP重點任務，包括：維持被動微波和晨昏軌道的延續性，推動成像儀、閃電成像儀和紅外（紫外）載荷的更新換代，發展測高儀、掩星星座，和加強空間天氣觀測。

數據收集分發協調是CGMS協調工作的重要支點，包括：建設高速數據收集平臺（DCP），擴充直接廣播系統帶寬，保護氣象衛星頻段。

對終端用戶的支撐是CGMS協調工作的重點內容，包括：維持并新增數據高速大容量分發渠道，向用戶介紹新一代靜止和極軌氣象衛星數據和業務產品，協調美洲、非洲、歐洲和亞太地區的數字視頻廣播，加強海洋數據產品業務化，以及空間天氣觀測的實時獲取與交換，利用氣象衛星基礎設施加強防災減災能力等。

提高數據產品質量是提高氣象衛星應用效能的關鍵，包括：通過GSICS建設完善高度一致的衛星儀器校準平臺，開發火山灰、云參數、大氣運動矢量（Atmospheric Motion Vector，AMV）等共性產品，改進降水，追蹤溫度、水汽、降水和風等的誤差，改進雪、沙漠等復雜表面和水凝物等散射大氣成分在微波輻射傳輸模型中的表達，以及研究未來被動探測儀發展方向。

培訓分享提升效能是推廣氣象衛星數據應用的有效手段，包括：完善虛擬實驗室（Virtual Laboratory，VLab）的培訓資料，組織區域用戶培訓會議，促進衛星用戶經驗分享，鼓勵青年人參與，通過各種渠道宣傳氣象衛星的社會經濟效益，發展相應的社會經濟效益評估方法等。

解決跨領域難題主要集中在氣候觀測領域，包括：利用氣象衛星數據生產氣候數據集尤其是溫室氣體監測，以及氣候變化聯合工作組中的任務協調、交叉定標、產品原型、數據分發、交換、格式化、培訓和推廣等具體工作。

4 結論和展望

不論是統籌全球氣象衛星系統的現有天氣和氣候觀測能力、保障高時效的數據分發服務，還是分析差距制定未來發展計劃，都需要通過CGMS這樣的國際合作平臺，借由廣泛交流和溝通合作，凝練出具體措施，專注于融合新技術新儀器、改進觀測數據質量和提高數據傳輸及時性，通過互利合作實現“全球觀測”系統的螺旋上升發展，讓氣象科技進步能夠真正造福于人類社會。

風云氣象衛星經過五十年的發展，已成為世界上少數幾個同時擁有靜止和極軌兩個系列的業務氣象衛星系統之一。風云氣象衛星不僅是WMO國際氣象業務衛星序列和CGMS基線的重要組成部分，其整體能力也得到了國際社會的認可。特別是，風云四號靜止軌道衛星上搭載的全球首個靜止軌道干涉式大氣垂直探測儀（GIIRS）和全球兩臺靜止軌道閃電成像設備之一——閃電成像儀（LMI）等先進儀器得到國際學術界的廣泛關注；風云三號的微波溫度計（MWTS）和微波濕度計（MWHS）已被歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）作為重要衛星資料同化到其業務數值預報系統。此外，風云三號C星搭載的微波濕度計首次新增了118 GHz氧氣吸收線通道，在區分弱降水、卷云和層狀云降水方面發揮了重要作用。而風云三號降水衛星將填補CGMS基線中18和23 GHz微波探測在2020—2025年的空白。

風云氣象衛星在國際上受到的關注與中國氣象局長期以來通過CGMS會議參與國際交流合作密不可分。與CGMS長期穩定的合作關系為風云氣象衛星開展更廣泛的國際服務與交流合作奠定了重要基礎。實現國家發展戰略，推進中國氣象局提出的“全球監測、全球預報、全球服務”，支撐“一帶一路”倡議等都要求風云氣象衛星進一步提高觀測和應用服務能力。因此，通過CGMS等國際組織開展廣泛溝通合作、征集國際用戶和學術界的建議，與風云氣象衛星自身高質量發展緊密結合，對于完善風云氣象衛星自身規劃設計和提升整合綜合效益具有重要意義。

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