全球气象业务卫星发展动态简述

● 文|1.中国气象局气象干部培训学院2.中国气象局发展研究中心 王喆 周勇

气象卫星是人类进行气象监测与预报、环境监测、防灾减灾，以及大气和海洋科学研究的重要工具，是对地观测系统的重要组成部分，也是世界上应用最广的卫星种类之一。气象卫星根据其运行轨道的不同，一般分为极轨气象卫星和静止气象卫星两大类，两种卫星各有特点，业务应用中优势互补，共同组成了当今气象业务卫星的观测格局。随着空间技术、遥感技术、大气科学以及气象业务能力的快速发展，气象卫星也经历着快速的发展与革新。本文简要梳理了全球气象卫星目前的发展动态。

一、美国气象业务卫星发展动态

美国是世界上第一个拥有气象卫星的国家。到目前为止，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）通过其所属的国家环境卫星、数据和信息局（NESDIS）运行管理着联合极轨卫星系统（JPSS）系列极轨气象卫星和地球静止轨道环境卫星（GOES）-R系列静止气象卫星两大系列气象卫星。

1.JPSS系列极轨气象卫星

JPSS系列包括4颗极轨气象卫星。现役的JPSS-1卫星于2017年11月18日发射升空，之后被更名为NOAA-20。NOAA-20卫星装备有微波探测仪（ATMS）、可见光红外成像辐射仪套件（VIIRS）、交叉跟踪红外探测器（CrIS）、臭氧监测和廓线探测套件（OMPS）以及云和地球辐射能量探测仪（CERES）等，其观测能力比上一代NOAA系列卫星有了显著提升(见图1)。

图1 NOAA-20极轨气象卫星图像

图1（a）为NOAA-20发回的第一批ATMS科学数据，该图像展示了2017年11月29日地表至5km高度全球的水汽含量。ATMS可联合CrIS对全球大气温、湿廓线进行全天候反演，获取准确的、高时空分辨率的大气温湿廓线分布，对改善全球天气预报至关重要。图1（b）为VIIRS捕获的2017年12月加州野火图像，图中清晰地显示了大火的位置及其产生的烟雾和羽流。NOAA-20搭载的VIIRS星下点水平分辨率为400m，可提供22个观测通道。图1（c）为NOAA-20发回的第一幅CrIS数据图像，该图显示了1598.75cm-1水汽通道的白天全球亮温分布。图像中深蓝色代表辐射主要来自液态水和冰云，而黄色则表示大气较为干燥。NOAA-20每天提供两次全球范围的CrIS高光谱红外观测资料，用于反演大气温度和水汽空间分布。CrIS还可以用来反演温室气体、地表和云的特性。CrIS包含三个红外观测波段。图1（d）为OMPSNadir Mapper 360.8nm云反射率通道辐射图像，该通道是用于估计总臭氧浓度的5个主要通道之一。OMPS用于监测全球臭氧总含量与臭氧垂直分布，是美国国家气象部门发布空气质量警报和紫外线指数的关键参考数据。

按照计划，另外3颗卫星JPSS-2、JPSS-3和JPSS-4将分别于2021年、2026年和2031年发射。

2.GOES-R系列静止气象卫星

GOES-R系列包括4颗卫星（GOES-R/S/T/U），是美国最新一代地球静止轨道气象卫星。该系列前2颗卫星（GOES-R和GOES-S）分别于2016年11月19日和2017年3月1日发射，入轨后被更名为GOES-16和GOES-17，定位于75°W和137°W，覆盖范围涵盖西半球的大部分区域，从非洲西海岸到新西兰，从北极圈附近到南极圈附近。

GOES-16卫星搭载了最新研制的16通道先进基线成像仪（ABI），包括2个可见光通道、4个近红外通道和10个红外通道，可见光分辨率最高达0.5km，近红外1km，红外2km。地球全盘扫描时间提高到15min，美国本土（3000km×5000km）5min。

图2为GOES-16卫星ABI部分光谱通道合成的高分辨率复合彩色全圆盘可见光图像。除此之外，还搭载了闪电成像仪、空间环境探测组件、远紫外/X射线辐射遥感器、太阳紫外成像仪、磁强计等，可对飓风、龙卷风、洪水、火山灰云、野火、雷暴甚至太阳耀斑等进行高分辨率观测。

图2 GOES-16静止气象卫星全圆盘组合色图像（2017年1月15日）

二、日本气象业务卫星发展动态

日本于2014年10月7日发射了新一代地球静止气象卫星——葵花8号（HIMAWARI-8），并于2016年11月2日发射了葵花9号作为备用卫星，计划2022年接替葵花8号（见图3）。新一代葵花卫星最显著的特点是其搭载的最新型的扫描辐射仪AHI，具有16个观测波段（3个可见光波段，3个近红外波段，10个红外波段），仅通道数量上就比上一代的MTSAT卫星提高3倍，观测时效也缩短为每10min一次全圆盘图。同时,葵花8号/9号还可高频观测特定地区，例如，可做到每隔2.5min观测一次日本本土范围，或者跟踪台风等中尺度系统。如果将观测范围继续缩小，甚至可以每30s观测完成一次选定区域扫描。葵花8号/9号的空间分辨率较高：可见光波段为1km，红光波段（0.64μm）最高为0.5km，近红外为1km，其余红外波段为2km。这些重大改进使得监测热带气旋和带来局地暴雨的云层运动变得前所未有的精确，同时还可以非常准确地监测到火山灰和气溶胶的分布。AHI比GOES-R的ABI性能还要突出一些，但是葵花8号/9号仅搭载了这一款成像仪器。另外日本没有发展其本国的极轨气象业务卫星。

图3 葵花8号/9号卫星示意图

三、欧洲气象业务卫星发展动态

欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT）目前运行着2颗极轨气象卫星（METOP-A/B）和4颗静止气象卫星（METEOSAT-8/9/10/11）。

METOP系列包含3颗极轨气象卫星，METOP-A和METOP-B分别于2006年10月和2012年9月发射。METOP系列卫星除了搭载与NOAA-19类似的观测仪器（AVHRR/3、HIRS/4、AMSU-A、MHS）外，还搭载了其他高水平的气象探测仪器，如迈克尔逊干涉仪（IASI）可进行红外温度、水汽和臭氧监测，高级散射仪（ASCAT）可进行海表面风的观测，全球卫星导航系统接收仪（GRAS）利用卫星导航信号延迟效应进行温度和水汽廓线的观测，以及空间环境监测和紫外臭氧探测等。

4颗正在运行的METEOSAT均属欧洲第二代静止气象卫星（MSG）。METEOSAT-11是主要的业务运行卫星，定位于0°的36000km上空，可提供间隔15min的全圆盘图像。METEOSAT-10定位于9.5°E，提供欧洲、非洲及其邻近海域5min一次的快速扫描服务。METEOSAT-9定位于3.5°E，是上述两颗卫星的备份星；而METEOSAT-8则被定位在印度洋地区（41.5°E）上空进行观测。METEOSAT卫星搭载的自旋式增强可见光红外成像仪（SEVIRI）共有12个通道，观测空间分辨率为1-3km。

欧洲第三代静止气象卫星（MTG）预计于2021年启用（图4）。MTG将包含6颗卫星：4个MTG-I成像卫星以及两个MTG-S大气探测卫星。MTG-I将搭载16通道的复合成像仪（FCI），性能与ABI和AHI相当，同时还会搭载闪电成像仪（LI）将会对临近预报产生帮助。与美国不同，欧洲将会发展搭载红外大气垂直探测仪器（IRS、UVN）的静止气象卫星MTG-S，用于提供水平、垂直以及时间序列的四维的大气温湿廓线；同时，搭载的紫外、可见光和近红外垂直探测仪也会对大气化学的研究产生推动作用。同时，欧洲还在发展其下一代极轨气象卫星（EPS-SG），用于在2020年后替代当前的极轨卫星系统，同时呼应美国JPSS计划，与其进行联合组网观测。

图4 欧洲下一代静止气象卫星MTG示意图

四、中国气象业务卫星发展动态

自1988年第一颗风云系列卫星升空，到2017年风云（FY）-3D的发射，这期间中国共成功发射了16颗风云系列气象卫星，包括FY-1A到1D、FY-2A到2G、FY-3A到3D以及FY-4A。风云一号气象卫星是中国研制的第一代太阳同步轨道气象卫星，卫星可以向世界各地云图接收站发送实时卫星云图，还可对海洋水色进行探测和对海温进行遥感研究；卫星上携带有空间粒子成分探测器，可对空间环境进行研究。FY-1C和1D在性能上较前两颗星有较大改进，取得成功的业务应用价值，性能稳定，均超期服役。目前，中国的极轨气象卫星已被风云三号取代。风云三号装载的探测仪器有：10通道扫描辐射计、20通道红外分光计、20通道中分辨率成像光谱仪、臭氧垂直探测仪、臭氧总量探测仪、太阳辐照度监测仪、4通道微波温度探测辐射计、5通道微波湿度计、微波成像仪、地球辐射探测仪和空间环境监测器，可获取地球大气环境的三维、全球、全天候、定量、高精度资料，满足我国乃至全球天气预报、气候预测和环境监测等方面的迫切需求。风云三号卫星目前已经达到世界先进水平，总体性能已经接近或达到欧洲正在研制的下一代极轨气象卫星水平。

中国目前正在运行并提供应用服务的静止气象卫星是风云二号系列3颗卫星FY-2E、FY-2F、FY-2G和最新一代的风云四号系列1颗卫星FY-4A，分别于2008年12月23日、2012年1月13日、2014年12月31日和2016年12月11日发射成功，目前分别定位于86.5°E、112°E、99.5°E和104.7°E。风云二号系列卫星搭载的扫描辐射计具有5个通道，分辨率5km，全盘扫描30min，汛期双星观测可达到15min，卫星为自旋稳定方式。而FY-4A为我国新一代静止气象卫星，采用三轴稳定姿态控制方案，提高了扫描辐射成像仪性能（图5），发展了大气垂直探测，加强了空间天气监测预警。FY-4A搭载的多通道扫描成像辐射计设置有14个成像通道，覆盖可见光、近红外、短波红外、中波红外和长波红外波段，其中可见光最高分辨率可达到0.5km，近红外为1—2km，红外为4km，观测能力与美日欧新一代静止气象卫星基本相当。观测仪器种类方面，FY-4A将首次在静止轨道上同时实现红外高光谱垂直探测和闪电探测，这一点优于日本的HIMAWARI-8/9。

图5 FY-4A多通道扫描成像辐射计彩色合成图像（2017年2月20日13∶15）

目前，我国已形成了“多星在轨、统筹运行、互为备份、适时加密”的气象卫星业务布局（表1），也是世界上少数几个同时拥有极轨和静止轨道气象卫星的国家。与此同时，中国还将发展降水雷达卫星、晨昏轨道卫星，形成晨昏星、上午星、下午星和降水测量雷达星组网，具备全球温室气体监测能力和降水测量能力，提升大气垂直探测能力和观测精度，实现降水、海表风场、温室气体和气溶胶全球监测。

表1 在轨中国风云系列气象卫星基本情况

五、其他地区气象业务卫星发展动态

俄罗斯第一颗静止气象卫星GOMS于1994年11月发射成功，为三轴定向稳定方式，定位于76°E。GOMS搭载了3通道扫描辐射计，可见光分辨率1.25km，红外和水汽通道6.5km，遗憾的是卫星扫描辐射计可见光通道因设计错误一直未能获得图像，目前只能获得红外图像。而目前GOMS已被最新发射的Electro-L接替，可以仅用一个镜头拍摄地球高清完整图片，分辨率达到1km。俄罗斯极轨气象卫星“流星”(Meteor)系列，类似于美国的NOAA卫星，最近的一颗Meteor-M2气象卫星于2014年8月7日发射，主要有效载荷包括：低分辨率多光谱扫描仪、星载X频段合成孔径雷达、多光谱成像扫描仪、微波成像仪/探测辐射计和数据采集系统等。

印度的静止卫星印度卫星（INSAT），是集成通信、广播和气象探测的多功能卫星。INSAT-3DR是目前最新在轨运行的专用气象卫星，于2016年9月8日成功发射。INSAT-3DR卫星搭载的先进的气象有效载荷有6信道成像仪和19信道探测器，可提供温度与湿度垂直分布情况、大气运动矢量、海平面温度、降雪覆盖情况以及其他天气信息的定量数据。

六、小结

随着全球对气象灾害、气候与气候变化、生态与环境的监测预测需求越来越高，气象卫星无疑还将发挥更大的作用。气象卫星历经半个多世纪的发展，时间分辨率、空间分辨率、光谱分辨率、卫星稳定性、探测要素与范围、数据质量与存储传输能力也越来越高。目前，世界气象大国都在瞄准气象卫星发展前沿，积极抢占未来科技发展的制高点。气象卫星及其应用与一国的空间科技水平、基础工业水平、遥感科学技术水平等密切相关，缩小与世界先进水平的差距，对我国而言机遇与挑战并存。因此，要力求突破关键技术瓶颈，积极推进科技创新，破除科技发展的体制机制障碍，同时也要秉承开放合作的态度，积极参与国际交流，扩大和深化同各国的利益汇合点，寻求共同发展。