風云系列氣象衛星“面面觀”

劉浩

微信已經成為當下國人溝通的重要工具，很多人起床后的第一件事就是登錄微信，刷刷朋友圈，看看新聞。目前，微信啟動頁的背景圖是一張名叫“藍色瑪瑙”（又名“藍色彈珠”）的照片，它是美國國家航空航天局（NASA）在世界范圍內公開的第一張完整的地球照片，其視角位于非洲大陸上空，由1972年阿波羅17號載人飛船的一名航天員拍攝。2016年底，我國第二代靜止軌道氣象衛星—風云四號A星成功發射，并于次年實現業務運行。為了慶祝風云四號A星取得的巨大突破，2017年9月25日17時—9月28日17時，微信運營商將啟動頁的背景圖更換成了該衛星拍攝的衛星云圖。該圖拍攝于2017年6月7日，是可見光三個通道合成的東半球圓盤圖。對比兩幅背景圖，可以發現，后者的視角從非洲大陸移動到了中國的上空。

風云四號A星只是我國風云系列氣象衛星中的一員。截至2024年1月，我國已發射21顆風云衛星，其中9顆在軌運行。它們在高空中日夜堅守、觀云相雨，為筑牢防災減災第一道防線立下了汗馬功勞。那么，“風云家族”都有哪些成員？它們身懷哪些絕技？又是如何跟氣象災害作斗爭的呢？本文將通過多種角度帶大家領略它們的獨特魅力。

“如影隨形”與“葵花向日”

有的讀者可能會問，這么多風云氣象衛星同時“盯”著地球，真的有必要嗎？正所謂“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”，不同的衛星，高度有別、角度有異，“看到”的風云自然有所差異。

前文提到的風云四號A星屬于地球靜止軌道氣象衛星，簡稱靜止衛星。靜止衛星位于赤道上空，公轉方向與地球的自轉方向相同，并且公轉的周期與地球自轉的周期一致。所以從地面看，它始終懸在我們的上空一動不動（相對靜止），與地球如影隨形，這也是靜止衛星名稱的由來。根據萬有引力定律和向心力公式，可以計算出靜止衛星距離地面的高度大致是固定的，約為35800千米。靜止衛星的優勢在于，它可以對同一個區域進行持續監測。

還有一種衛星叫近極地太陽同步軌道衛星，簡稱極軌衛星。這類衛星的軌道平面與太陽始終保持固定的取向。也就是說，在隨地球一起繞太陽旋轉的過程中，極軌衛星的軌道面與日地連線（太陽視線）的夾角始終保持不變。極軌衛星的這個特點與“葵花向日”有異曲同工之妙。利用這一優勢，極軌衛星可以監測到全球的天氣，尤其是靜止衛星難以監測到的兩極地區。而且，由于所處軌道比較低，極軌衛星所獲資料的空間分辨率會更高。

極軌衛星在地球上空巡游，約每100分鐘繞地球一周。那么，它何時經過我國上空呢？“葵花向日”般的特點使得它每天會在特定的時刻（地方時）經過指定區域。按照經過我國上空的時間，可將其分為上午星、下午星和黎明星三類。例如，FY-3F由北向南經過赤道上空的時間為10點15分，在此之前，它剛剛經過我國上空，所以是一顆上午星；FY-3D由南向北經過赤道上空的時間為14點，此后，它將繼續北行經過我國上空，所以FY-3D是一顆下午星；FY-3E由北向南經過赤道上空的時間為5點30分，此前經過我國上空時恰逢破曉之際，故稱之為黎明星。

還有一顆出現時間不太有規律的風云衛星—FY-3G。它是我國首顆低傾角軌道降水測量衛星，主要用于災害性天氣系統降水監測，可提供全球中低緯度地區降水三維結構信息。FY-3G與其他極軌衛星有許多不同之處：它的軌道是傾斜的（FY-3G的傾角只有50°，其他極軌衛星的傾角為98°～99°）；距地高度比其他極軌衛星低許多（FY-3G的距地高度只有400多千米，其他極軌衛星的距地高度為800多千米）；軌道平面與太陽之間的取向不固定（非太陽同步）。嚴格來說，FY-3G并不屬于極軌衛星。它的運動范圍為南北緯50°之間，能夠更高效、更精準地觀測地球降水，可針對性地解決臺風等災害性天氣系統強降水監測問題，因此也被稱為“降水星”。

“法眼”眾多與通道浩繁

在小說《西游記》中，有個名叫百眼魔君（又名多目怪）的妖精，它兩脅下有1000只眼，眼中迸放金光，十分厲害。咱們的風云氣象衛星也身懷絕技且有多個“法眼”，這些“法眼”便是上面搭載的各種儀器。不同儀器的通道不同、朝向不同，探測對象也不盡相同。

氣象衛星的主要監測對象是地球大氣系統的溫度、濕度和云雨演變等氣象要素，通過探測大氣系統發射、反射或散射的電磁輻射來實現監測目的。電磁輻射的波長范圍很廣，包括太陽輻射、地球大氣的熱輻射和無線電輻射等，從波長10^-10微米的宇宙射線到波長10¹⁰微米的無線電波，都屬于電磁輻射的范疇。人眼可以看到的可見光僅屬于電磁波譜中的一小段。與人眼相比，氣象衛星可以接收的輻射范圍要大得多。如地表、云層發出的紅外輻射，大氣層中氣體發射的紅外輻射，地面和云體反射的太陽輻射，大氣分子、氣溶膠等對太陽輻射的散射輻射等，都難逃氣象衛星的“法眼”。

氣象衛星搭載的每個儀器擁有若干個探測通道，通道越多，大氣垂直分層探測就越精細，對大氣溫濕度的分層認知就越精準。例如，在FY-3F中，大氣垂直探測通道的數量比FY-3C提升了近47倍，微波溫度計大氣探測通道有17個，微波濕度計大氣探測通道有15個，紅外高光譜大氣探測儀探測通道有3000多個。借助微波通道不受天氣影響及高光譜探測通道更精細的優勢，微波和光學大氣探測儀器的深度聯合可以探測人眼難以捉摸的大氣溫濕度廓線信息，為地球大氣做高頻次、高精度的“CT掃描”，讓暴雨、臺風等災害性天氣無處遁形。

衛星獲取的氣象資料對數值天氣預報精度的提高和氣候變化預測與評估具有重要意義。以FY-3G為例，與其他衛星被動接收信號不同，FY-3G可以主動發射電磁波，對降水進行專門監測，這是因為FY-3G上搭載了“鎮星之寶”—降水測量雷達（PMR）。用PMR測量的降水強度不僅更準確，還可以獲得降水類型、降水層高度等多種降水信息。也就是說，PMR能夠提供臺風、暴雨、暴雪等降水的三維結構，助力氣象預報員加深對風暴結構、云的結構以及天氣系統的理解，提高降水預報預測的準確率。

總之，“風云家族”成員“法眼”眾多、通道浩繁，可以對地球大氣系統的溫度、濕度和云雨演變等氣象要素進行立體監測，為天氣預報、氣候預測、災害監測和環境監測等氣象業務的開展提供有力支撐。

俯瞰風云與防災減災

《蘇東坡文集》中有一篇《颶風賦》，詳細記錄了颶風（古代多將臺風稱為颶風，現在主要根據產生地點對兩者進行劃分）來臨的前兆、來臨時的情形及影響。“斷霓飲海而北指，赤云夾日而南翔”，這是臺風外圍云系所造成的大氣光學現象，對臺風的到來有很好的指征作用。這種指征雖然準確但時效性太差，因為“語未卒，庭戶肅然，槁葉蔌蔌”。話音剛落，臺風就已刮入庭院，弄得大家驚慌失措。當晚作者不敢熟睡，多次搬動床鋪并占卜颶風停止的時間……

面對颶風，今人不必如此狼狽，因為臺風從生成到發展再到消散的全過程都已被“風云家族”看得一清二楚，這為防汛防臺工作贏得了寶貴的“提前量”。

與暴雨、沙塵暴、暴雪等災害性天氣不同，臺風的生成和發展多在遠海，那里一般是海洋氣象觀測的盲區，因此衛星成為監測臺風發生、發展過程的得力助手。經過同化，衛星的監測數據會輸入數值預報模式中，從而計算出臺風的路徑、強度等信息，為預報員提供重要參考。現在，我國臺風路徑預報的誤差已由過去的200千米縮小到70千米，躋身世界先進水平，“風云家族”功不可沒。其實，對臺風的預報、預警只是“風云家族”對氣象服務所做貢獻的一個縮影，暴雨、暴雪、強對流、沙塵暴等災害性天氣的氣象服務中都少不了它們的參與……

50多年來，我國風云氣象衛星事業實現了從無到有、從跟跑到并跑再到部分領跑的跨越。半個世紀前，周恩來總理高瞻遠矚地提出“要搞我們自己的氣象衛星”，并于1970年親自批準研制氣象衛星的任務。1988年9月7日，我國用長征四號運載火箭成功發射風云一號A極軌氣象衛星（FY-1A），獲取了清晰的遙感圖像，從此告別了完全依賴外國氣象衛星數據的歷史。2018年6月5日，風云二號系列“收官星”FY-2H成功發射，成為服務“一帶一路”建設的新品牌，開啟了風云衛星服務國際社會的新紀元。2024年，“風云家族”會按計劃持續“上新”—FY-4C、FY-3H將翱翔太空，提供更多更優的觀測服務。

50多年來，一代代氣象人和航天人攜手共進、勇于創新、接續奮斗，讓風云氣象衛星成為我國重要的空間基礎設施。目前，氣象衛星數據和產品被廣泛應用于海洋、農業、林業、環保、水利、交通、航空、電力等行業，為全球用戶提供海量數據和不可替代的氣象觀測服務。

在全球氣候變暖的背景下，極端災害性天氣呈現出廣發、頻發、重發、并發的態勢，“風云家族”將不斷更新“法眼”，增加通道，根據天氣、氣候形勢的變化和科技的發展更新裝備，“打怪升級”，持續擔負“俯瞰風云變幻，助力防災減災”的重任。

【責任編輯】諶 燕