风云系列气象卫星“面面观”

刘浩

微信已经成为当下国人沟通的重要工具，很多人起床后的第一件事就是登录微信，刷刷朋友圈，看看新闻。目前，微信启动页的背景图是一张名叫“蓝色玛瑙”（又名“蓝色弹珠”）的照片，它是美国国家航空航天局（NASA）在世界范围内公开的第一张完整的地球照片，其视角位于非洲大陆上空，由1972年阿波罗17号载人飞船的一名航天员拍摄。2016年底，我国第二代静止轨道气象卫星—风云四号A星成功发射，并于次年实现业务运行。为了庆祝风云四号A星取得的巨大突破，2017年9月25日17时—9月28日17时，微信运营商将启动页的背景图更换成了该卫星拍摄的卫星云图。该图拍摄于2017年6月7日，是可见光三个通道合成的东半球圆盘图。对比两幅背景图，可以发现，后者的视角从非洲大陆移动到了中国的上空。

风云四号A星只是我国风云系列气象卫星中的一员。截至2024年1月，我国已发射21颗风云卫星，其中9颗在轨运行。它们在高空中日夜坚守、观云相雨，为筑牢防灾减灾第一道防线立下了汗马功劳。那么，“风云家族”都有哪些成员？它们身怀哪些绝技？又是如何跟气象灾害作斗争的呢？本文将通过多种角度带大家领略它们的独特魅力。

“如影随形”与“葵花向日”

有的读者可能会问，这么多风云气象卫星同时“盯”着地球，真的有必要吗？正所谓“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”，不同的卫星，高度有别、角度有异，“看到”的风云自然有所差异。

前文提到的风云四号A星属于地球静止轨道气象卫星，简称静止卫星。静止卫星位于赤道上空，公转方向与地球的自转方向相同，并且公轉的周期与地球自转的周期一致。所以从地面看，它始终悬在我们的上空一动不动（相对静止），与地球如影随形，这也是静止卫星名称的由来。根据万有引力定律和向心力公式，可以计算出静止卫星距离地面的高度大致是固定的，约为35800千米。静止卫星的优势在于，它可以对同一个区域进行持续监测。

还有一种卫星叫近极地太阳同步轨道卫星，简称极轨卫星。这类卫星的轨道平面与太阳始终保持固定的取向。也就是说，在随地球一起绕太阳旋转的过程中，极轨卫星的轨道面与日地连线（太阳视线）的夹角始终保持不变。极轨卫星的这个特点与“葵花向日”有异曲同工之妙。利用这一优势，极轨卫星可以监测到全球的天气，尤其是静止卫星难以监测到的两极地区。而且，由于所处轨道比较低，极轨卫星所获资料的空间分辨率会更高。

极轨卫星在地球上空巡游，约每100分钟绕地球一周。那么，它何时经过我国上空呢？“葵花向日”般的特点使得它每天会在特定的时刻（地方时）经过指定区域。按照经过我国上空的时间，可将其分为上午星、下午星和黎明星三类。例如，FY-3F由北向南经过赤道上空的时间为10点15分，在此之前，它刚刚经过我国上空，所以是一颗上午星；FY-3D由南向北经过赤道上空的时间为14点，此后，它将继续北行经过我国上空，所以FY-3D是一颗下午星；FY-3E由北向南经过赤道上空的时间为5点30分，此前经过我国上空时恰逢破晓之际，故称之为黎明星。

还有一颗出现时间不太有规律的风云卫星—FY-3G。它是我国首颗低倾角轨道降水测量卫星，主要用于灾害性天气系统降水监测，可提供全球中低纬度地区降水三维结构信息。FY-3G与其他极轨卫星有许多不同之处：它的轨道是倾斜的（FY-3G的倾角只有50°，其他极轨卫星的倾角为98°～99°）；距地高度比其他极轨卫星低许多（FY-3G的距地高度只有400多千米，其他极轨卫星的距地高度为800多千米）；轨道平面与太阳之间的取向不固定（非太阳同步）。严格来说，FY-3G并不属于极轨卫星。它的运动范围为南北纬50°之间，能够更高效、更精准地观测地球降水，可针对性地解决台风等灾害性天气系统强降水监测问题，因此也被称为“降水星”。

“法眼”众多与通道浩繁

在小说《西游记》中，有个名叫百眼魔君（又名多目怪）的妖精，它两胁下有1000只眼，眼中迸放金光，十分厉害。咱们的风云气象卫星也身怀绝技且有多个“法眼”，这些“法眼”便是上面搭载的各种仪器。不同仪器的通道不同、朝向不同，探测对象也不尽相同。

气象卫星的主要监测对象是地球大气系统的温度、湿度和云雨演变等气象要素，通过探测大气系统发射、反射或散射的电磁辐射来实现监测目的。电磁辐射的波长范围很广，包括太阳辐射、地球大气的热辐射和无线电辐射等，从波长10^-10微米的宇宙射线到波长10¹⁰微米的无线电波，都属于电磁辐射的范畴。人眼可以看到的可见光仅属于电磁波谱中的一小段。与人眼相比，气象卫星可以接收的辐射范围要大得多。如地表、云层发出的红外辐射，大气层中气体发射的红外辐射，地面和云体反射的太阳辐射，大气分子、气溶胶等对太阳辐射的散射辐射等，都难逃气象卫星的“法眼”。

气象卫星搭载的每个仪器拥有若干个探测通道，通道越多，大气垂直分层探测就越精细，对大气温湿度的分层认知就越精准。例如，在FY-3F中，大气垂直探测通道的数量比FY-3C提升了近47倍，微波温度计大气探测通道有17个，微波湿度计大气探测通道有15个，红外高光谱大气探测仪探测通道有3000多个。借助微波通道不受天气影响及高光谱探测通道更精细的优势，微波和光学大气探测仪器的深度联合可以探测人眼难以捉摸的大气温湿度廓线信息，为地球大气做高频次、高精度的“CT扫描”，让暴雨、台风等灾害性天气无处遁形。

卫星获取的气象资料对数值天气预报精度的提高和气候变化预测与评估具有重要意义。以FY-3G为例，与其他卫星被动接收信号不同，FY-3G可以主动发射电磁波，对降水进行专门监测，这是因为FY-3G上搭载了“镇星之宝”—降水测量雷达（PMR）。用PMR测量的降水强度不仅更准确，还可以获得降水类型、降水层高度等多种降水信息。也就是说，PMR能够提供台风、暴雨、暴雪等降水的三维结构，助力气象预报员加深对风暴结构、云的结构以及天气系统的理解，提高降水预报预测的准确率。

总之，“风云家族”成员“法眼”众多、通道浩繁，可以对地球大气系统的温度、湿度和云雨演变等气象要素进行立体监测，为天气预报、气候预测、灾害监测和环境监测等气象业务的开展提供有力支撑。

俯瞰风云与防灾减灾

《苏东坡文集》中有一篇《飓风赋》，详细记录了飓风（古代多将台风称为飓风，现在主要根据产生地点对两者进行划分）来临的前兆、来临时的情形及影响。“断霓饮海而北指，赤云夹日而南翔”，这是台风外围云系所造成的大气光学现象，对台风的到来有很好的指征作用。这种指征虽然准确但时效性太差，因为“语未卒，庭户肃然，槁叶蔌蔌”。话音刚落，台风就已刮入庭院，弄得大家惊慌失措。当晚作者不敢熟睡，多次搬动床铺并占卜飓风停止的时间……

面对飓风，今人不必如此狼狈，因为台风从生成到发展再到消散的全过程都已被“风云家族”看得一清二楚，这为防汛防台工作赢得了宝贵的“提前量”。

与暴雨、沙尘暴、暴雪等灾害性天气不同，台风的生成和发展多在远海，那里一般是海洋气象观测的盲区，因此卫星成为监测台风发生、发展过程的得力助手。经过同化，卫星的监测数据会输入数值预报模式中，从而计算出台风的路径、强度等信息，为预报员提供重要参考。现在，我国台风路径预报的误差已由过去的200千米缩小到70千米，跻身世界先进水平，“风云家族”功不可没。其实，对台风的预报、预警只是“风云家族”对气象服务所做贡献的一个缩影，暴雨、暴雪、强对流、沙尘暴等灾害性天气的气象服务中都少不了它们的参与……

50多年来，我國风云气象卫星事业实现了从无到有、从跟跑到并跑再到部分领跑的跨越。半个世纪前，周恩来总理高瞻远瞩地提出“要搞我们自己的气象卫星”，并于1970年亲自批准研制气象卫星的任务。1988年9月7日，我国用长征四号运载火箭成功发射风云一号A极轨气象卫星（FY-1A），获取了清晰的遥感图像，从此告别了完全依赖外国气象卫星数据的历史。2018年6月5日，风云二号系列“收官星”FY-2H成功发射，成为服务“一带一路”建设的新品牌，开启了风云卫星服务国际社会的新纪元。2024年，“风云家族”会按计划持续“上新”—FY-4C、FY-3H将翱翔太空，提供更多更优的观测服务。

50多年来，一代代气象人和航天人携手共进、勇于创新、接续奋斗，让风云气象卫星成为我国重要的空间基础设施。目前，气象卫星数据和产品被广泛应用于海洋、农业、林业、环保、水利、交通、航空、电力等行业，为全球用户提供海量数据和不可替代的气象观测服务。

在全球气候变暖的背景下，极端灾害性天气呈现出广发、频发、重发、并发的态势，“风云家族”将不断更新“法眼”，增加通道，根据天气、气候形势的变化和科技的发展更新装备，“打怪升级”，持续担负“俯瞰风云变幻，助力防灾减灾”的重任。

【责任编辑】谌 燕