风云系列气象卫星最新进展及应用

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一、引言

我国幅员辽阔，气象灾害频发，台风、暴雨洪涝、干旱、雾霾等气象灾害每年均给我国带来巨大的经济财产损失和人员伤亡。气象卫星作为综合气象观测网络的重要组成部分，是雷达、地面观测站和高空观测的重要补充，具有观测广、时效快、不受自然条件和国界限制的优势，可以在防灾减灾和科学研究中发挥重要的作用。

1969年周恩来总理高瞻远瞩地提出“应该搞我们自己的气象卫星”，并于1970年亲自批准下达了研制气象卫星的任务。自此我国气象卫星事业走上了自主发展的道路。随着1988年风云一号A星（FY-1A）的成功发射，结束了我国没有气象卫星的历史，自此我国气象卫星走上了发展的快车道。截至2018年，我国已成功发射了17颗风云（FY）系列气象卫星（图1），包括8颗极轨气象卫星和9颗静止气象卫星，成为世界上少数几个同时具有极轨和静止两个系列业务气象卫星的国家和地区之一。风云气象卫星从整体上实现了业务化、系列化发展，实现了从“试验应用型”向“业务服务型”转变的目标，实现了世界气象卫星领域“中、美、欧”三强鼎立的国际格局，在生态文明建设、服务防灾减灾和应对气候变化领域为我国的经济社会发展作出了积极贡献。同时，风云卫星在服务“一带一路”建设，服务“共建人类命运共同体”等工作中发挥着积极作用。后续将研制和发射风云四号02批和风云三号03批新一代静止和极轨气象卫星，建立风云四号卫星双星运行、在轨备份的业务格局，建立风云三号上午、下午、降水、晨昏四星组网观测的能力，进一步完善全球覆盖的气象遥感业务体系，气象卫星及应用将达到同期国际一流水平。

图1 截至2018年，我国已成功发射17颗风云系列气象卫星

近年来，我国非常重视气象卫星在国际服务中的作用。2018年6月10日，中国国家主席习近平在上海合作组织青岛峰会上讲话时郑重承诺：“中方愿利用风云二号气象卫星为各方提供气象服务”。2018年7月10日，习近平主席在中阿合作论坛第八届部长级会议开幕式的讲话中提出：“要共建‘一带一路’空间信息走廊，发展航天合作，推动中国北斗导航系统和气象遥感卫星技术服务阿拉伯国家建设”。2018年9月4日，我国在中非合作论坛—北京行动计划（2019—2021）中明确承诺“愿继续为非洲国家提供风云气象卫星数据和产品及必要的技术支持，继续向非洲国家提供气象和遥感应用设施和教育培训援助，支持非洲气象（天气和气候服务）战略的实施，提升非洲国家防灾减灾和应对气候变化的能力”。

二、风云气象卫星最新进展

近年来，风云系列气象卫星业务组网布局日臻成熟，卫星在观测范围、探测能力上均有较大提升，地面应用系统在数据处理、传输、存储和共享服务能力上也有跨越式发展。

1.风云卫星业务组网布局

风云卫星在静止和极轨系列均成功升级换代的基础上，极轨气象卫星实现了“上、下午星业务组网观测”，静止气象卫星实现了“多星观测、在轨备份、适时加密”的业务布局，在观测范围和探测能力上均较上一代卫星有较大提升。目前共有8颗风云卫星在轨运行，其中5颗静止轨道气象卫星，分别定点于东经79°（FY-2H）、东经86.5°（FY-2E）、东经99.5°（FY-2G）、东经104.7°（FY-4A）、东经112°（FY-2F），极轨气象卫星3颗，分别为FY-3B（下午星）、FY-3C（上午星）、FY-3D（下午星）。

2. 卫星探测能力增强

风云三号D星（FY-3D）上装载了10台套先进的遥感仪器，除了微波温度计、微波湿度计、微波成像仪、空间环境监测仪器包和全球导航卫星掩星探测仪等5台继承性仪器之外，红外高光谱大气探测仪、近红外高光谱温室气体监测仪、广角极光成像仪、电离层光度计为全新研制、首次上星搭载。核心仪器中分辨率光谱成像仪进行了大幅升级改进，性能显著提升。250m分辨率通道增加至6个，包括两个250m红外分裂窗通道，可在生态环境监测服务中发挥重要作用。红外高光谱大气垂直探测仪采用了国际上最先进的傅里叶干涉探测技术，可以提高大气温度和大气湿度廓线反演精度1倍以上，极大提升了对我国中长期数值天气预报的支撑能力。广角极光成像仪为FY-3D带来了一项新技能——对两极极光强度和范围进行监测。而极光与电场、磁场密切相关，观测极光活动可以了解高层大气高能粒子、电场、磁场变化情况。电离层光度计则侧重于监测电离层电场状态，它能反演高层大气电子浓度的垂直分布，测量氧气原子和氮气分子的极紫外波段气辉辐射强度。FY-3D卫星遥感探测仪器技术参数如表1所示。

表1 FY-3D 卫星遥感探测仪器技术参数

我国静止轨道卫星遥感仪器的探测能力已经与国际水平相当，部分探测能力已经赶超欧洲和美国。2016年12月11日，我国新一代静止轨道气象卫星风云四号卫星的首颗星FY-4A成功发射，将接替第一代静止轨道气象卫星——风云二号，确保我国静止轨道气象卫星观测业务的连续、稳定。FY-4A配备的扫描成像辐射计通道数量增加了2.8倍，达到14个。其观测时间分辨率提高1倍，最快可以每1min生成一次区域观测图像。最高空间分辨率较之前提高了6倍，达到500m。这些新能力，将让FY-4A以全新的方式来揭示台风、暴雨、洪涝、森林火灾、沙尘暴和空间天气的变化规律。FY-4A还搭载了世界上首个静止轨道干涉式大气垂直探测仪，其在垂直光谱探测通道达到1700个，可对大气结构实现高精度定量探测，相当于对大气进行CT扫描。这也是国际上静止轨道气象卫星的首次装载，将首次实现静止轨道大气高精度温度、湿度廓线探测，获取的高光谱大气数据，可进一步提高天气预报的准确性。FY-4A的观测能力是现有观测系统的上千倍，将极大提高天气预报准确率和精细化水平。FY-4A闪电成像仪，1s可以拍摄500张闪电图，探测区域范围内的闪电频次和强度，这可以用来实现对强对流天气的监测与跟踪，提供闪电灾害预警，也是国内首次应用。FY-4A卫星遥感仪器技术参数如表2所示。

表2 FY-4A卫星遥感仪器技术参数

3. 卫星观测范围向西扩展

“一带一路”沿线国家气象资料匮乏，自然灾害严重。世界气象组织及亚太空间合作组织希望中国能将新发射的风云二号H星（FY-2H）定点位置向西布局，更广泛惠及成员国。2018年4月23日，中国气象局、国防科工局和亚太空间合作组织签署风云气象卫星应用合作意向书，确定将FY-2H定点位置从原定的东经86.5°移至东经79°，使我国静止轨道气象卫星观测范围向西扩展到东经4°附近。监测范围包括亚洲50个国家、非洲41个国家、欧洲39个国家、大洋洲9个国家，“一带一路”沿线64个国家（图2）。2018年6月5日，风云二号气象卫星的最后一颗业务卫星FY-2H成功发射，7月28日，FY-2H顺利到达东经79°赤道上空，于7月30日开始传回该地区图像，图像质量较前序风云二号气象卫星有较大提升。在轨测试结束后，FY-2H将正式投入业务运行，可以实现最快半小时一次的全圆盘观测，实现每日28次对“一带一路”地区的观测，生成针对“一带一路”地区的精细化服务产品。此外，其他风云二号气象卫星运行模式逐步成熟，FY-2E和FY-2G运行双星观测模式，FY-2G在每小时整点获取全圆盘观测数据，FY-2E在每小时半点获取全圆盘观测数据。FY-2F运行按需区域扫描模式，根据用户需求针对指定区域进行最快6min间隔的观测。

图2 目前在轨的4颗风云二号静止气象卫星覆盖范围示意图

4. 卫星数据获取时效有较大提高

为了提高风云卫星获取全国以及全球数据的时效，国家卫星气象中心已经建成了一套“1+5+2”地面站网体系，即1个数据处理中心（位于北京）、5个境内数据接收站（分别位于北京、广州、佳木斯、乌鲁木齐、喀什）和2个境外数据接收站（分别位于瑞典基律纳和东南极洲毛德皇后地）。2017年新建成的喀什气象卫星接收地面站使FY-3D的国内接收数据范围向西延伸了12°，提高了中国境内资料接收的时效性。两个境外数据接收地面站的启用，使全球风云三号卫星数据获取时效从原来的3h提高到2h以内。

5. 卫星数据服务能力大幅提升

依托强大的数据传输、数据处理和存储能力，借助“天地一体化”的气象卫星数据共享服务系统建设，风云系列气象卫星数据通过多种渠道为各类用户提供高时效的数据服务。风云卫星数据用户覆盖范围十分广泛，国内用户覆盖包括31个省市自治区和港澳台地区，国际用户覆盖84个国家，其中包括40个“一带一路”国家。针对用户对风云卫星数据的需求，可通过卫星直收站、中国气象局广播系统（CMACast）、全国综合气象信息共享平台（CIMISS）、地面专线、网站订购、绿色网络通道以及协议人工服务等多种服务方式和渠道获取风云卫星数据。风云卫星遥感数据服务网（http://data.nsmc.org.cn）的注册人数已经超过6万人，年数据服务量已经超过3PB（图3）。

图3 风云卫星共享服务成果 （左：2008—2017年服务数据量；右：2005—2017年网站注册人数）

6. 卫星定量产品种类更加丰富

风云气象卫星目前可通过数十个遥感仪器从太空获取陆表、海表、大气以及近地空间的辐射值和遥感数据，经过数据预处理生成1级数据，在此基础上，研发出数百种气象卫星产品，产品种类更加丰富，覆盖云和大气、陆表、海表、冰雪、辐射、闪电和空间天气等多种类型，可直接应用于多个领域，风云卫星产品表如表3所示。

表3 风云气象卫星产品表

续表3

三、风云卫星应用进展

1. 风云卫星在气象方面的应用

气象卫星最主要的应用就是气象领域，气象卫星资料在天气预报、数值模式、气候分析等工作中已经不可或缺。

数值天气预报。卫星资料已经成为全球数值天气预报所依赖的最重要的观测系统。目前，中国气象局正大力开展卫星资料在数值预报中的应用研究，这是提高天气预报准确率的重要手段，将卫星探测资料加入到数值预报的三维同化系统中，能显著提高数值天气预报的精度和时效。风云二号卫星的一些产品，如卫星导风、水汽晴空辐射等，经过同化试验后表明有显著的应用潜力。由于第一代风云极轨气象卫星只有成像仪器，难以对数值天气预报提供强有力的支持，因此，我国在发展第二代极轨气象卫星风云三号时，将红外和被动微波垂直探测技术作为优先考虑的对象。风云三号卫星大气探测仪器资料，是数值预报模式直接辐射同化的重要资料源，已陆续应用到业务模式中。同时，由于海面气象台站稀少，风云气象卫星已成为台风观测最主要的手段。云图和其他气象卫星定量观测资料用于分析和预报台风的位置、强度和天气，做到了一个不漏，大大减小了台风所造成的损失。

气候分析。以卫星遥感为主的空基观测是近四十年发展起来的一项新型探测技术，它具有覆盖范围广、信息量大、重复频率高、信息源可靠等诸多优势，是其他任何常规观测都无法替代的重要信息源。未来十到二十年，以遥感手段特别是基于空间的卫星遥感技术将逐步成为主要探测手段，以遥测手段特别是基于地基的遥测系统将作为综合探测的基准系统。我国大范围降水和温度的异常分布与厄尔尼诺、拉尼娜事件为代表的太平洋海表水温异常、陆地上的植被分布、极地和青藏高原上的积雪分布等大范围陆地表面状态异常有关系。气象卫星提供了这些大范围海洋和陆地表面状态异常的信息，为短期气候预测提供了支撑。

2. 风云卫星在环保领域的应用

我国是环境和自然灾害种类较多、发生频繁的国家之一，风云系列气象卫星在洪涝、森林草原火情、沙尘暴、雪灾、水环境和海冰等监测中发挥了重要作用。风云三号气象卫星建立了我国气象卫星监测大气成分的里程碑，在国内首次实现了从卫星遥感监测获取全球的臭氧总量、臭氧廓线、可见光气溶胶光学厚度以及紫外气溶胶指数产品，可以实现对我国以及全球大气臭氧浓度、气溶胶污染、霾、沙尘、火山灰以及区域秸秆焚烧烟霾的强度和分布等大气环境状况进行实时监测。可为我国环境气象业务的开展提供卫星定量监测数据。

3. 风云卫星在农业领域的应用

农业领域是气象卫星资料应用的传统领域，可以为农业提供诸如日照、降水、气温、陆表温度、植被分布、蒸散、土壤湿度、地面反照率、地面辐射及地面热通量等气象参数和陆面参数。随着风云三号气象卫星全球数据获取能力的提升，可以提供全球主要农作物区域分布以及产量估算等产品。同时，通过与高分辨率卫星相结合，由遥感、气象数据耦合形成的面状气象参数产品可以为农业病虫害监测与预警提供更为丰富的数据源，对全球和全国重点区域的作物病虫害发生面积和发生程度，以及小麦、水稻、玉米等作物的主要病虫害发生现状和趋势进行预测预报。卫星遥感农作物长势和产量预估对农作物期货市场亦有指导意义。除此之外，利用气象卫星可以对全球土地荒漠化以及局部区域的干旱情况进行跟踪和分析，结合气象数据进行趋势预测，为政府部门决策提供依据。

4. 风云卫星在重大服务保障、防灾减灾中的应用

多年来，风云卫星在决策、公共气象服务、重大气象灾害和重大事件活动气象服务保障工作中发挥了重要作用。风云四号卫星在天气监测分析中的初步应用取得显著效果。FY-4A卫星资料开展了沙尘暴、台风、强对流等灾害天气领域的应用，在“十九大”气象服务保障、“一带一路”国际合作高峰论坛、第13届全运会（天津）、金砖国家领导人第9次会晤（厦门）、内蒙古自治区成立70周年庆祝活动、G20峰会、2018年青岛上合组织峰会等重大活动气象保障服务中发挥了重要作用，为气象决策提供了强有力的支撑，显著提升了遥感应用服务效果。

除了以上几个主要应用领域，风云卫星在医学、交通、航空、金融等领域也有广阔的应用空间。利用风云卫星生成气候学变量可用于传染病流行研究。利用风云四号气象卫星生成的对流层顶折叠和闪电产品，可用于民航航路规划和实时监测，大雾产品可用于交通指挥中心、高速公路管控以及大型物流公司的陆路运输。

四、展望

风云系列气象卫星已经成功完成了静止、极轨两个系列气象卫星的更新换代，进入了新的发展阶段。风云三号后续卫星计划共4颗，包括3颗近极地太阳同步轨道卫星（按照晨昏、上午、下午各1颗布局）和1颗倾斜轨道降水测量卫星，增强全球观测能力，尤其是对数值预报应用的支持。风云四号后续光学系列业务卫星的分辨率将提高到2km（红外），全圆盘观测时间分辨率达到1min，新增快速成像仪可获取1min间隔的区域图像，最高分辨率达到250m。后续风云卫星的性能将全面达到和部分超越国际先进水平，可以为我国农业、林业、水利、海洋、环保、交通、航空航天、教育以及公众服务等领域提供有力支撑，为全球尤其是“一带一路”沿线国家提供优质的气象服务。