新一代静止气象卫星成像仪特性研究

何兴伟 冯小虎 韩琦 张甲坤 赵现纲

摘要：世界各国新一代静止轨道气象卫星陆续发射升空，咸像仪是主要载荷之一。通过对美国、日本、欧洲和中国等新一代静止气象卫星成像仪特性的研究分析，客观认识我国静止气象卫星水平的差距和不足，为我国风云四号02星咸像仪特性优化提供参考。在波段设置方面，欧美日均为16个通道，我国的FY-4A为14个光谱通道;在时空分辨率方面，各国水平相当，略有差异，可见光波段分辨率为O.5-1km，红外波段2-4km，全圆盘观测10-15min;在观测模式方面，FY-4A的多通道扫描咸像辐射计和MTG的灵活组合成像仪先进行一次全圆盘观测，再进行多次区域观测，不同扫描资料时间间隔不均等。GOES-R的先进基线咸像仪和Himawari-8的先进葵花咸像仪观测时间采用碎片化设计，即各种扫描模式交叉进行，不同扫描资料时间间隔均等，非常有利于预报员对天气进行系统分析。

关键词：静止气象卫星;观测模式;成像仪

DOI：10.11907坷dL.191495开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）010-0140-04

0引言

自1975年美国发射第一颗地球静止环境业务卫星GOES-A以来，经过40多年的发展，世界各国的静止气象卫星事业取得了巨大成就。美国第三代地球静止环境业务卫星GOES-R于2016年11月19日发射升空，与前两代相比，新一代“地球静止环境业务卫星”卫星技术和有效载荷都有重大改进，先进基线成像仪（ABI）用于取代上一代卫星的成像仪和探测仪，获取地球天气、气候和环境信息，其光谱、空间和时间分辨率分别提高了3倍、4倍和5倍;日本的Himawari-8于2014年10月7日由H2A火箭搭载发射成功，Himawari-8最显著的特点就是装载了先进葵花成像仪（AHI），它和美国地球静止环境业务卫星GOES-R的先进基线成像仪（ABI）相似。葵花成像仪比日本上一代“多用途运输卫星”成像仪大有改进，可提供更好的临近预报、环境监测和更高精度的数字天气预报;我国新一代静止气象卫星FY-4A于2016年12月11日成功发射，卫星设计与GOES-R系列相当，FY-4A的主要载荷多通道扫描成像辐射计（AGRI）性能比目前使用的风云二号系列卫星在时空分辨率、光谱通道等方面有显著提升;MTG是欧洲新一代静止气象卫星，首颗MTG-I卫星将于2021年发射，计划搭载的灵活组合成像仪（FCI）可进行多种目的的图像探测，并从跟踪云和水汽推导出风场。

世界各国静止气象卫星已经发展到一个新阶段，卫星姿态控制方式、卫星设计寿命、载荷性能等方面都有显著提高。卫星仪器也从单一载荷到多载荷并行工作，其中成像仪是最主要的载荷。本文主要从波段设置、观测时空分辨率、观测模式等方面，对不同国家静止气象卫星成像仪特性进行对比分析，客观认识我国静止气象卫星水平的差距和不足，為我国风云四号02星成像仪性能优化提供参考意见。

1波段设置

先进基线成像仪（ABI）是GOES-R的主要仪器，用于获取地球天气、气候和环境信息。先进基线成像仪采用16个通道，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0.5km，近红外分辨率1km，红外分辨率2km。

先进葵花成像仪（AHI）是Himawari-8/9的主要仪器，它与搭载在美国GOES-R上的先进基线成像仪（ABI）同为ITT EXELIS公司研制，二者仅有个别波段在性能指标上稍有差异。16通道的多光谱成像仪能够在可见光和红外波段进行工作，生成全圆盘和区域影像，生成的图像可见光分辨率高达0.5km。

多通道扫描成像辐射计（AGRI）是搭载在我国新一代静止气象卫星FY-4A上的全谱段可见光/红外成像载荷，其主要性能为：14个探测通道，覆盖可见光至长波红外谱段范围，可见光通道空间分辨率为0.5-1km，红外通道为2-4km。

欧洲“第三代静止气象卫星”分为成像卫星（MTG-I）和探测卫星（MTG-S）两种，成像卫星（MTG-I）装载的灵活组合成像仪（FCI）有16个通道，范围覆盖了可见光、近红外、短波红外、中波红外和热红外，各通道空间分辨率不同，从1km到2km。

表1列出了美国、日本、中国和欧洲新一代静止气象卫星轨道上的成像仪波段设置。在通道设置方面，FY-4A装载的AGRI为14个通道，少于欧美日的16个通道，ABI和AHI除0.51um和1.37um两个波段外，其它波段基本重合;在空间分辨率方面，灵活组合成像仪在0.64um红光波段的分辨率为1km，低于其它3个载荷的0.5km;FY-4A在长波红外波段上空间分辨率为4km，与其它卫星相比较低，主要是受制于探测器和制冷器研制水平，预计该项技术可在FY-4第二颗业务星上得到全面解决。

2观测模式

2.1先进基线成像仪（ABI）

先进基线成像仪（ABI）是扫描型辐射成像仪，具有多种扫描模式，见图1。地球全盘扫描时间为15分钟，美国本土扫描时间达到5分钟，中尺度区域扫描时间（1000kmx1000km）达到30秒。

图2为GOES-R卫星ABI的观测模式，其观测时间采用碎片化设计，即全圆盘观测（粉色）、区域观测（蓝色）和中尺度观测（绿色）交叉进行。每15分钟一次全圆盘观测，3次美国大陆区域观测和30次中尺度小区域观测，这3种资料时间间隔均等，非常有利于预报员对天气系统进行分析。

2.2先进葵花成像仪（AHI）

先进葵花成像仪（AHI）进行全圆盘扫描、日本区域（区域1和2）、目标区域（区域3）和两个地标区域（区域4和5）5个区域的扫描成像，见图3。全圆盘和日本区域扫描范围固定，目标区域和两个地表区域根据气象状况灵活变动。在AHI观测时间表中，以10分钟为一个单元，称为时间轴，时间轴上的扫描图像如图3所示。在每10分钟内AHI将进行全圆盘成像1次，日本区域和目标区域成像4次，两个地标区域成像20次，观察区域和频率如表2所示。

图4为AHI观测时间表（UTC00：00-03：00，其它时间任务安排一样，每天的UTC02：40-02：50和14：40-14：50进行Housekeeping操作）。与美国的ABI类似，AHI在观测时也采用碎片化设计。从时间表中可以看出，全圆盘观测、两个区域观测和目标观测穿插进行，时间间隔均等。

2.3多通道扫描成像辐射计（AGRI）

多通道扫描成像辐射计（AGRI）是风云四号（FY-4A）卫星的主要有效载荷，主要有两种扫描模式。

（1）地球全圆盘常规成像：把地球全圆盘分割为3个区域观测，见图5，减少东西两侧的部分观测耗时，从而降低全圆盘观测总时长，15分钟完成对地球全圆盘观测。

（2）区域常规成像：按常规扫描方式完成对指定区域的观测。观测位置和区域大小任意可选（如中国区域、中尺度区域），区域观测重复次数可调，最小观测区域1000kmx1000km。

图6为AGRI的观测时间表（UTC00：00-03：00，其它时间任务安排一样），该观测模式充分考虑了以下因素：满足现有每3小时1次的数值预报模式;满足预报员天气预测、预报时间要求（具备10～15分钟的资料获取能力）;1小時一次的全圆盘观测，能够观测到对我国有影响的印度洋资料，全球海温1小时一次，同时确保全圆盘历史资料的完整。具体任务安排如下：

（1）每3小时1次测风，全天8次，测风时进行连续3次全圆盘观测，每天第一次测风时间为23：45、00：00、00：15。

（2）以15分钟为一个单元，将每小时划分为4个单元。每小时整点为全圆盘观测，每个时间单元最多可以安排3次5分钟中国区域观测。

2.4灵活组合成像仪（FCI）

欧洲第三代静止气象卫星MTG目前尚处于设计阶段，灵活组合成像仪（FCI）定义了两种扫描模式：10分钟全圆盘观测和5分钟1/4全圆盘快速扫描，见图7。

3结语

新一代静止气象卫星成像仪从波段设置、时空分辨率等方面都有显著提高，世界各国竞相发展，各有优势。在空间分辨率方面，FY-4A在长波红外波段上空间分辨率为4km，相比欧美国家较低，在观测时间分辨率方面，FY-4A全圆盘观测需15分钟，略逊于AHI的10分钟全圆盘观测，但与GOES-R的ABI相当，基本达到了国际静止气象卫星同期水平。显然，充分研究和分析新一代成像仪的技术特点，对客观认识我国静止系列气象卫星在发展水平和技术能力上的优势和不足十分必要，这对于我国后续成像仪规划和研制有着重要的参考意义。