FY-3卫星应用和发展

杨忠东，张 鹏，谷松岩，朱爱军，胡秀清，杨 军

(中国气象局 国家卫星气象中心,北京 100081)

FY-3卫星应用和发展

杨忠东，张 鹏，谷松岩，朱爱军，胡秀清，杨 军

(中国气象局 国家卫星气象中心,北京 100081)

回顾了风云三号(FY-3)卫星的应用和发展历程。介绍了FY-3卫星装载的成像、大气探测、辐射收支探测、大气成分监测和空间环境监测器5类仪器包，可实现从紫外、可见光、近红外、中红外、热红外到微波的多种电磁波谱段的遥感和探测。给出了地面应用系统生成的大气、陆地、海洋和空间天气等科学和应用领域的卫星遥感信息产品及其分辨率与精度。列举了部分典型的FY-3卫星数据在数值天气预报、臭氧和二氧化碳等大气成分和气候监测、生态环境和灾害监测等领域的应用结果。展望了未来FY-3卫星的发展，其中包含的4颗卫星，按晨昏、上午、下午近极地太阳同步轨道卫星3颗和倾斜轨道降水测量卫星1颗布局安排，组网完整的FY-3业务卫星的综合观测能力将有极大的提高，带动我国气象卫星应用进入成熟发展阶段。

FY-3卫星； 有效载荷； 遥感信息产品； 数值天气预报； 大气成分和气候监测； 生态环境监测； 灾害监测； 组网观测

0 引言

FY-3卫星是我国第二代极地轨道太阳同步气象卫星，其主要任务是为数值天气预报提供全球均匀分辨率的气象参数；研究全球变化包括气候变化规律，为气候预测提供各种气象及地球物理参数；监测大范围自然灾害和生态环境；为各种专业活动提供全球任一地区的气象信息，可实现全球、全天候、多光谱、三维、定量的对地气象与环境综合探测。FY-3A星于2008年5月27日发射成功。作为我国新一代风云极轨气象卫星的首发试验试用卫星，A星装载了先进探测仪器11种，具有有效载荷多、运动部件多的特点，且大部分仪器属于首次上星，仪器的定量探测性能要求高、技术复杂、研制难度大，整星研制水平与国际同类气象卫星相当[1]。2008年11月，A星正式投入业务试运行，标志着我国极轨气象卫星成功地完成了技术升级换代，实现了新的跨越发展。FY-3B星于2010年11月5日发射成功。FY-3A、B星上、下午星组网探测使我国继美国之后成为世界上第二个具有此项能力的国家，使全球资料的观测时效从12 h提高到4.5 h。FY-3C星于2013年9月23日发射成功。作为FY-3系列卫星的首颗业务星，C星成功发射及稳定运行标志着我国第二代极轨气象卫星实现了从试验试用型向业务服务型的转变；卫星设计寿命从3年提高到5年，实现了高时效的全球中高分辨率光学成像观测能力，预计可使我国全球数值天气预报精度提高3%，其资料将在天气预报、气候及气候变化研究、自然灾害和空间环境监测等领域发挥更大作用，为防灾减灾、国民经济建设和国防建设做出更大贡献。

从20世纪90年代初FY-3卫星的需求论证开始，经过二十多年的发展，FY-3卫星实现了技术升级换代和上、下午星组网观测，每颗卫星装载遥感仪器10多台套，空间分辨率从千米量级提高到百米量级，通过紫外、可见、红外和微波的全波谱探测，实现了对全球天气、气候、生态环境和自然灾害的综合遥感。FY-3卫星实现系列化发展、业务化运行，初步实现了从试验试用型向业务服务型的转变。FY-3卫星在台风、洪涝、干旱等自然灾害的监测中发挥了不可或缺的作用。进入21世纪，全国因台风、洪涝灾害死亡或失踪人数平均比20世纪90年代减少了约70%，直接经济损失平均减少约40%，气象卫星功不可没。据估算，气象卫星投入产出效益比超过1∶40，是我国民用遥感卫星中应用范围最广、效益发挥最好的卫星。本文介绍了FY-3卫星的应用和发展。

1 卫星遥感仪器和信息产品

FY-3卫星是国内搭载遥感探测仪器最多的对地遥感卫星，卫星创新性地采用了先进的综合对地观测卫星总体技术、高可靠卫星姿态控制技术、先进的定量遥感技术、天地一体化的数据获取与预处理技术、全球三维大气高精度定量反演技术、数值天气预报卫星资料同化应用技术和地球气候系统卫星信息提取及应用等多项新技术，实现了从二维遥感成像到三维综合大气探测，从单一的光学探测到紫外、可见、红外和微波的全谱段宽波谱探测，从宽覆盖公里级观测提高到百米级观测，从国内组网接收到全球南北极组网接收等四大技术跨越，其整体探测能力和应用达到当今国际先进水平。

FY-3卫星具有有效载荷多、探测类型多、运动部件多的特点，且大部分仪器属于首次上星，遥感探测仪器的定量性能要求高、技术复杂、研制难度大。

1.1遥感仪器

FY-3卫星具备对大气、海洋和地表状态进行全球、全天候条件下的多光谱和三维精确观测的能力，能为提高中国及其他亚洲国家，乃至全世界的天气预报的质量和自然灾害与环境的监测水平做出贡献[2-3]。FY-3A，B，C星均载有五大类(仪器包)十多种成像和探测等仪器，其中成像仪器包有可见光与红外辐射计(VIRR)，中分辨率光谱成像仪(MERSI)，微波辐射成像仪(MWRI)；大气探测仪器包有大气红外探测仪(IRAS)，微波温度探测仪(MWTS)，微波湿度探测仪(MWHS)和掩星探测仪(GNOS)；辐射收支探测仪器包有太阳辐射监测仪(SIM)和地球辐射测量仪(ERM)；大气成分臭氧仪器包有紫外臭氧垂直廓线探测仪(SBUS)和臭氧总量探测装置(TOU)；空间环境监测仪器包有空间环境监视器(SEM)。相关仪器技术参数见表1。

1.2遥感信息产品

FY-3卫星遥感探测应用信息产品由通常意义上的二级和三级产品组成，即大气物理参数、云、地表参数和海空环境参数。大气与地球物理参数是在一级地理定位、辐射定标数据的基础上应用辐射传输原理开发的科学算法计算分析得到。二级产品主要用于天气分析与预报、灾害与环境监测。三级产品是按10 d、1月、1年的时间序列时间空间合成二级产品后得到的统计分析产品，主要用于气候研究[4-5]。所有产品都是以HDF分层数据格式构建的，便于使用者提取和显示。大气和云产品包括温度和湿度资料、大气稳定性指数、可降水总量、云检测、云顶温度、云的类型和云可见光厚度。陆地与海洋表面产品包括植被指数、陆地覆盖(植被类型)、雪盖、地表反射率、地表温度、洪水指数、全球火灾、海平面温度、海洋水色/叶绿素和海冰覆盖。空间气象产品包括太阳质子、太阳离子、太阳电子、潜在辐射量和单一事件观测。具体见表2。表2中：NDVI为归一化植被指数；BRDF为双向反射函数；TBD为待定。FY-3A星的2008年7月19日14轨全球真彩色合成图像如图1所示。图1由地面应用系统业务运行自动生成，图中白色大气云团、蓝色海面，以及褐色和绿色的陆地真实清晰可见，由于时间是夏季，北极地区极昼明亮，南极地区极夜黑暗。原始数据图像空间分辨率为250 m。

表1 FY-3卫星遥感探测仪器技术参数

表2 FY-3卫星地面应用系统生成的业务数据产品

图1 FY-3A星中分辨率光谱成像仪夏季全球影像镶嵌图(2008年7月19日)Fig.1 Summer global image by MERSI of FY-3A satellite on July 19, 2008

2 卫星遥感应用

FY-3卫星的三项最主要应用任务为天气预报、气候监测和环境灾害监测。第一个任务是获取全球温度和湿度资料，以及云、辐射和其他气象参数，以提高天气预报的精确度，尤其是数值天气预报产品的精确度。第二个任务是全球气候监测，包括用于短期气候预测研究的辐射平衡、雪盖、海平面温度、温室气体和臭氧层监测。第三个任务是对生态、环境、灾害的全球遥感与监测。

从国际发展趋势来看，极轨气象卫星采用光学、微波等综合观测手段，实行上午星和下午星组网业务观测；卫星功能先进，综合观测能力强，定量精度高。欧美气象卫星的遥感仪器从光学到微波种类齐全，性能指标先进；光学及微波辐射定标能力、数据产品真实性检验能力配套齐全。气象卫星综合应用水平较高，卫星资料在数值预报模式资料同化中占有的比例已大于90%。风云卫星在此还需要做更多工作，迎头赶上。

2.1数值天气预报模式应用

数值天气预报是现代天气预报的支柱。预报产品的影响、精确度的局限性和及时性都取决于大气物理和化学过程的初始场描述的精准与否。FY-3卫星的遥感数据包括风、温度、湿度、云、降水、气溶胶及其他大气状态相关信息。这些观测数据资料对提高数值预报中初始场的精度十分重要。

同化应用气象卫星观测数据可极大地改进预报准确度。欧洲中期天气数值预报中心(ECMWF)于20世纪90年代初率先开展了卫星资料在数值预报中的同化应用研究，之后美国、加拿大和日本相继开展了资料同化业务。相较而言，ECMWF的数值预报系统是目前气象卫星资料同化最好的系统，其预报分析场能以分辨仪器0.1 K的观测系统误差，对新观测资料的质量及同化效果给出公认的相对权威、客观的评价。

文献[6]用较准确的ECMWF数值预报平台，对我国FY-3卫星的三个大气探测仪器和微波成像仪数据进行了同化应用评价研究，并对该仪器观测数据质量及在数值天气预报中的应用潜力进行了验证与评价。结果表明：总体与国际同类先进仪器相当，其中微波温度计的灵敏度指标高于设计水平，表明我国在这方面的实际研制水平较高；消除观测系统偏差后，FY-3A星4个仪器的数据质量达到了数值天气预报同化应用的要求；同化FY-3A星数据对预报准确度有改进，时效有所延长，并得到国际同行的认可。

文献[7]以WRF-3DVar模式的数值同化模块作为开发基础，在变分同化框架中建立FY-3卫星微波温度仪和微波湿度仪资料的直接变分同化系统，用FY-3卫星微波探测数据进行了台风莫拉克预报同化实验，结果表明：FY-3A星显著增强对地球系统的综合探测能力，尤其对海上台风的观测能力。数值模式对微波垂直探测资料同化试验表明，同化后，模式初始场能更合理地反映海上台风环流形势及温湿条件，并对台风路径预报效果有积极的改善作用。

文献[8]在WRF3Dvar中扩展了FY-3A星微波探测资料同化功能和RTTOV微波云雨粒子散射RTTOV-SCATT模块接口，针对FY-3A同化应用、云检测方案、偏差订正调整和云雨条件下亮温模拟的试验，分析得到结论：研究个例中FY-3A星微波资料的使用对台风强度预报有明显改善；对FY-3A星的MWTS，MWHS使用单窗区通道作为云检测时，选择合适阀值可得到较好预报效果；用FY-3A星资料导出的偏差订正系数可改善偏差订正结果，并提高预报准确率。

2.2气候监测应用

气候变化导致了人类生存环境的变化。观测与研究表明：二氧化碳、甲烷等温室气体，以及臭氧和气溶胶是影响气候变化的主要因子。FY-3卫星上遥感仪器的使用将是对全球气候变化的敏感因子进行持续观测和评估的有效途径。

文献[9]根据红外分光计光谱通道特征，发展了对应的大气辐射传输计算模式以大气分子吸收光谱数据集为初始谱线输入资料利用该模式模拟计算红外分光计在CO2吸收带的10个通道辐射率测值对CO2浓度变化的响应，并对比了其与大气温度和水汽、O3等气体浓度误差对辐射率测值的影响，探讨了利用FY-3卫星探测大气CO2浓度的可行性。结果表明：通道4最适于监测大气CO2浓度的变化。

文献[10]对FY-3卫星全球臭氧总量反演和真实性检验结果的分析表明：FY-3卫星紫外臭氧总量探测仪成功地实现了对全球臭氧总量分布, 特别是广为关注的南极地区和青藏高原地区臭氧异常变化的连续监测，监测结果与已有的研究成果相符，证实了FY-3卫星紫外臭氧总量探测仪全球臭氧总量的反演精度与国际同类卫星相当。文献[11]用FY-3B星的臭氧垂直探测仪和NOAA的臭氧探测资料, 监测2011年3月1日～4月5日北极地区臭氧低值事件发生发展全过程，发现臭氧低值区臭氧总量为200～250 DU, 局部极低值约200 DU, 达到臭氧洞水平, 较通常水平低100～200 DU。此次北极臭氧低值事件始于3月1日, 终于4月5日，期间经历扩展-消亡、围绕极地自西向东方向旋转、由极区沿经线向中纬度扩散等多个发展变化过程。这次非常罕见的北极地区臭氧低值事件影响范围除极区外, 还波及从欧洲到俄罗斯中部的广大人口密集地区, 导致这些地区地表紫外线强度的急剧增强, 对人类身体健康和环境造成重要影响, 对此需引起高度关注。

2.3生态环境灾害监测

我国各种自然灾害有广泛的地理分布和较高的发生率，通常会造成巨大的经济损失。防灾减灾的一个主要目标就是建立监测卫星遥感系统并组成一个三维自然灾害监测系统。作为监测天气扰动和其衍生灾害的主要手段，FY-3卫星有不可取代的地位，在与台风、风暴、洪水、干旱、雪、沙尘暴、雾和霾，以及农业、林业、海洋、生态和环境灾害相关的宏观动态的大尺度自然灾害领域中尤为重要。植被、干旱和作物生长的监测需要气象卫星的遥感数据资料[12]。FY-3卫星提供的全球空间分辨率250 m的多光谱数据对全球植被动态、作物生长和世界主要粮食作物的产量估计有重要的作用。

2.4综合应用

FY-3卫星数据和产品已在天气预报、气候预测、自然灾害和环境监测、资源开发、科学研究等多个重要领域，以及气象、海洋、农业、林业、电力、水利、交通、测绘、航空、航天等行业中得到了广泛应用。目前，世界许多国家和地区都在接收和利用FY-3卫星资料。欧洲气象卫星组织业务接收FY-3卫星所有轨道的资料，并与中国气象局建立专线交换卫星资料；美国计划建立中美气象通信专线与我国交换FY-3卫星数据；加拿大、芬兰、英国、澳大利亚、巴西等国均在接收或计划接收FY-3卫星资料。FY-3卫星的发展，带动了我国的气象卫星及卫星应用进入成熟发展阶段，逐步形成“业务稳定可靠、产品适用定量、信息充分共享、服务优质高效”的应用格局，使气象卫星的应用深度和广度明显提升，在政府决策、防灾减灾、经济社会发展，以及国家安全和国防建设中发挥显著作用。

3 发展展望

2018年以后，从第五颗卫星开始FY-3系列将进入一个新的发展阶段。该阶段共包含卫星4颗，按晨昏、上午、下午近极地太阳同步轨道卫星3颗和倾斜轨道降水测量卫星1颗布局安排。

FY-3晨昏卫星在确保极轨气象卫星全球成像和大气垂直探测观测业务的基础上，侧重数值天气预报的应用目标，对天气会商、热带气旋和其他极端气象灾害预警、气候监测、空气质量监测、太阳和空间天气观测具有独特优势。

FY-3上午卫星在确保极轨气象卫星全球成像和大气垂直探测观测业务的基础上，侧重地球表面成像观测，主要应用于天气预报、生态、环境、灾害监测业务及研究。

FY-3下午卫星在确保极轨气象卫星全球成像和大气垂直探测观测业务的基础上，侧重大气成分定量探测和气候变化监测，探测数据可用于天气预报、大气化学和气候变化监测业务及研究等。

FY-3降水测量卫星主要用于灾害性天气系统强降水监测，提供全球中低纬度地区降水三维结构信息，对提高降水气象预报准确率提供支持。

FY-3晨昏星、上午星、下午星和降水测量卫星在满足现代气象观测核心业务的基础上，侧重点不同，功能互补，相互配合，组网形成完整的低轨气象卫星业务综合观测能力。组网观测后，我国全球数值天气预报模式中卫星观测数据的更新时效由现在的6 h提高到4 h，可将预报精度提高约3.0%，预报时效延长约24 h，卫星全球观测频次可达4小时/次，将气象灾害监测时效提高近1倍，就能较容易地捕捉到如暴雨、强对流等云团生命周期较短的比较严重的灾害性天气过程。

FY-3卫星实现高时效全球百米量级分辨率光学成像观测、高精度光学微波组合大气温湿度垂直分布探测、气候变化温室气体探测、风场精确探测和降水测量五大主要能力，遥感仪器必须通过多星搭配配置，即同时保证核心观测能力，合理配置气候、风场探测和降水测量能力。

组网完整的FY-3业务卫星的综合观测能力将具有六大特色。第一，高时效的全球百米量级分辨率光学成像观测能力；第二，高精度光学微波组合大气温度湿度垂直分布探测能力；第三，气候变化温室气体探测能力；第四，主动遥感仪器风场精确探测能力；第五，主动遥感仪器降水测量能力；第六，太阳和空间环境综合探测能力。

总体的应用目标是瞄准气象卫星国际发展先进水平，按全面推进气象现代化的发展理念和要求，建成世界一流的风云极轨气象卫星观测体系，实现我国第二代极轨气象卫星的三星组网业务化观测，带动我国气象卫星应用进入成熟发展阶段，实现气象现代化所确定的2020年气象卫星及应用发展目标。

实现观测仪器全波段在轨星上绝对辐射定标，其中红外波段在轨定标误差0.4 K，微波波段在轨定标误差0.8 K，可见近红外波段在轨定标误差5%，满足气象现代化方案中明确提出的定量应用目标需求。实现高光谱仪器在轨星上光谱定标。

实现晨昏、上午、下午星组网观测，获取数值预报同化应用需要的全球温、湿廓线，降水，以及云、辐射等气象参数，满足保障气象领域核心业务，提升天气预测预报能力的需求。在降水测量卫星上实现主动降水测量，与被动微波和光学成像遥感结合，实现降水和云雨大气参数遥感探测，获取融化层高度和厚度信息，为提高降水数值预报的准确率，优化云微物理参数化方案提供支撑。

获取全球温室气体和臭氧分布，监测全球辐射收支、冰雪覆盖、海面温度，提供短期气候预测、气候变化预估所需的遥感信息，满足提高应对气候变化能力和提升国家在国际舞台的主导权和话语权的需求。监测自然灾害、生态与环境，为国家各部门和相关应用领域提供全球及区域的遥感信息，满足提高天气气候灾害与突发事件应对能力，提升气象防灾减灾综合能力的需求。开展太阳、空间环境及其效应、极光和电离层监测，提高空间天气监测预警业务能力，满足空间天气预报和保障服务的需求。

FY-3 03批卫星将明显提升气象卫星的定量化观测精度，进一步推动数据和产品的应用深度、广度和定量化应用，进一步推进遥感信息在政府决策、防灾减灾、经济社会发展，以及国家安全和国防建设中发挥更显著和重要的作用。

4 结束语

本文介绍了FY-3卫星应用及其发展。FY-3卫星作为我国发展最早的遥感卫星，其成功研制与发射，填补了我国在卫星平台、星载遥感仪器制造等领域的大量技术空白，推动了我国微波遥感、红外面阵焦平面探测、光学辐射定标等技术的快速发展，极大地推进了我国航天技术及相关技术的发展。FY-3卫星已在我国国民经济的多个领域中发挥了重要的作用。FY-3卫星的发展，也将不断提高我国气象事业的国际地位与影响力。

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ApplicationandDevelopmentofFY-3MeteorologicalSatellite

YANGZhong-dong，ZHANGPeng，GUSong-yan，ZHUAi-jun，HUXiu-qing，YANGJun

(National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing,100081, China)

The application and development of FY-3meteorological satellite were reviewed in this paper. The five kinds of payload packages on FY-3satellite were introduced, which included imaging, atmosphere explore, radiation budget explore, atmospheric composition explore and space environment monitoring. The remote sensing and explore with spectrum band of multiply electromagnetic wave from ultraviolet, visible light, near-infrared, mid-infrared, far-infrared to microwave. The sensing products and their resolution and accuracy of atmosphere, land, ocean and space weather in science and application areas were presented, which were produced by the ground segment system of FY-3satellite. The typical application examples of FY-3satellites in numerical weather forecast, atmospheric monitoring of composition such as ozone and carbon dioxides and climatic monitoring, ecological environment monitoring and disaster monitoring. The future development of FY-3satellite was prospected. In the future, it will form a network of4FY-3satellites which the three are twilight, morning and afternoon polar sun-synchronous satellites and the one is inclined LEO satellite for precipitation measuring. The integrated explore abilities of FY-3networking satellites will be upgraded greatly, which will promote Chinese meteorological application to mature.

FY-3meteorological satellite; payload; sensing product; numerical weather forecast; atmospheric composition and climatic monitoring; ecological environment monitoring; disaster monitoring; networking observation

1006-1630(2017)04-0001-07

2017-07-20；

：2017-07-27

杨忠东(1964—)，男，研究员，FY-3卫星和碳卫星地面应用系统总设计师。曾获中国气象学会首届邹竞蒙气象科技人才奖，入选中国气象局首批科技领军人才，入选国家百千万人才工程，并被授予“有突出贡献中青年专家”。主要从事气象卫星遥感科学研究和应用、地面应用系统工程设计和建设等工作。

P414.4

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.001