气象“中国星”贡献中国智慧

  风云四号B星成像仪第一幅彩色合成图像（2021年7月1日12时）来源：中国气象局

  截至今年，我国首颗第二代静止轨道气象卫星——风云四号A星已进入在轨运行的第八个年头，标志着这颗从科研试验星出发，后担负起我国静止轨道气象服务的“中国星”，已圆满完成了考核及寿命要求。目前，我国是全球唯一同时运行黎明、上午、下午、倾斜四条近地轨道气象卫星的国家，可提供三维、定量、全球、全天时、全天候、高光谱、高时效的精密监测资料。

  由我国自主研制的风云气象卫星被称为“离百姓生活最近的卫星”，尤其在短时临近预报中作用重大，它可以准确预报台风等强对流天气。从1988年至去年底，我国已成功发射两代四型21颗风云气象卫星，并逐步扩大“朋友圈”，全球用户应急保障服务国家达34个，并为121个国家和地区提供气象资料和产品。那么，我国的风云气象卫星是怎么来实现从国际跟跑到并跑再到部分领跑的？又为世界贡献了哪些中国智慧？

  气象与国计民生紧密关联。在没有气象卫星之前，场地观测是气象工作者获取气象信息的主要手段。气象卫星的问世，使气象监测工作发生了根本性变化，大幅度的提升了气象预报的准确度，对减灾、防灾、环保等许多方面有着无法替代的作用。

  由于气象卫星“站得高、看得远”，所以能不受地理条件、自然环境及国家区域行政疆界的限制，实现快速、长期、连续、全球、全天候、全天时和多方位的观测，能近实时地获得全球的天气变化状况，提供常规观测手段无法获取的大量宝贵信息。得益于气象卫星观测范围广、干扰因素少，可以精准捕捉强对流踪迹，助力强对流活动监测和预报，人类解决了广大海洋水域和人烟稀少地区气象资料观测不足的难题，进一步加深了对地球及其大气的了解。

  气象卫星的最大特点是具有很短的覆盖周期，以及可在很短时间内重复观察某一固定地区气候平均状态随时间的变化，所以能大幅度的提升天气预报的准确率。尤其是在监测台风方面，气象卫星已经做到无一漏报，且在形成阶段便可发现台风，并估计其强度和移动方向。气象卫星拍摄的地球云图为气象专家预报台风的强度变化和移动路径提供了可靠直观的依据，从而使有关部门能做出及时正确的预防对策。此外，通过气象卫星还可以时刻获知暴雨等强对流天气的发生、消亡、移动和强度变化，为预报灾害性天气提供依据。

  如今，风云气象卫星已大范围的应用于天气预报、气候预测、灾害监测、环境监视测定等重要领域，特别是在台风、暴雨、大雾、沙尘暴、森林草原火灾等监测预警中发挥着及其重要的作用，增强了我国防灾减灾和应对气候平均状态随时间的变化的能力，也为各级政府提供了准确的决策信息。除此之外，气象卫星还大范围的应用于自然灾害和地球环境监视测定以及航空、航海、农业、渔业等非气象领域，是应用卫星中重要的多用途卫星。

  气象卫星是通过所携带的各种气象遥感器来探测地球大气的气象要素和天气现象的。气象遥感器能接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，并将它们转换成电信号传回地面。然后，这些电信号被复原绘制成各种云层、地表和洋面图片，再经过处理和计算，便可收集到各种气象资料，为研究大气运动和天气预报服务。

  目前，主要使用的气象遥感器有成像仪和垂直探测器两大类。前者选用的遥感光谱段都在大气窗区，用于透过大气层观测下面的云和地表状况；后者选用的光谱段则位于大气吸收带及其边缘，它利用大气在这些波段对光谱的吸收、放射与大气中某些组成成分的含量、温度有关的性质，通过对这些光谱段的观测便可反推出大气微量组成成分的含量及大气温度的垂直分布。

  所以，气象卫星资料分为卫星图像（如云图、冰雪覆盖图）和定量探测资料（如温度、湿度、风向风速等），前者能直观显示地球上方云系的分布和天气系统的特点；后者在很大程度上弥补了常规气象观测的不足，对改进数值天气预报和研究大气环流有很大帮助。

  因为需求不同，每颗气象卫星上的遥感器也不完全一样。遥感器的光谱段一般都要经过精心选择，有特定用途，称为“通道”。通道越多，观测的范围就越广，但气象遥感器的技术也就越复杂。例如，0.58微米至0.68微米的可见光波段为橙色可见光，位于太阳辐射能量谱的峰值附近，单位体积内的包含的能量大，大气吸收和散射小，对大气中的灰尘等悬浮物及水体中的泥沙量都很敏感，因此，所有气象卫星大部分会选择这个光谱段作为云的观测通道。而0.725微米至1.1微米的可见光波段对密实深厚的云层、绿叶和土壤等反照率很高，但对水体反照率很低，所以它可用于观测云、水体植被，监测植物长势和估计洪水范围等。

  极轨气象卫星运行于600千米至1400千米高度的太阳同步轨道，以1千米至4千米的分辨率沿飞行轨道对地面数千千米宽的条带进行观测，每天可绕地球运行14圈，能够对全球任何一个地点观测2次，获取全球气象资料，且因运行轨道低而分辨率比较高，可以清晰了解地面情况。其不足是由于卫星不停围绕地球两极运动，得到的图像是全球云图，以至于对某一地区的观测周期比较长，对同一地点无法连续观测，不能够满足短期预报业务的需要。所以，极轨气象卫星大多数都用在中长期天气预报。

  静止轨道气象卫星定位于地球静止轨道的某一点，可对卫星下方40%的地球进行连续观测。这对监视灾害性天气有很强的时效性，如对追踪台风等快速运动的天气现象十分有利，在30分钟或更短时间内就能获取一幅地球全景圆盘图，实时将资料送回地面。其缺点是对于纬度大于70°的高纬度地区的气象观测能力比较差，而且由于轨道高导致分辨率较低。所以，静止轨道气象卫星大多数都用在地区性短期天气预报业务。

  由此可见，极轨气象卫星和静止轨道气象卫星的观测优势各有千秋，可互为补充。简单来讲，如果气象卫星拍摄的图片是整个地球球体，那就是静止轨道气象卫星拍的；如果是类似世界地图的图片，则是极轨气象卫星拍的。

  为了更好地预报天气和气象灾害，我国先后研制和发射了这两种气象卫星，是世界上第三个同时拥有极轨气象卫星和静止轨道气象卫星的国家。其中，风云一号、风云三号分别为第一代、第二代极轨气象卫星；风云二号、风云四号分别为第一代、第二代静止轨道气象卫星。截至2023年12月，我国已发射两代四型21颗风云气象卫星，有9颗目前仍在轨运行，即风云二号G星、二号H星、四号A星、四号B星、三号C星、三号D星、三号E星、三号G星、三号F星。

  据悉，当前风云系列气象卫星在世界上处于局部领先，整体达到平均领先水平的地位。第一代气象卫星解决了基本的天基气象观测需求，实现气象卫星从无到有并业务化运行。第二代气象卫星解决了天气预报对于气象观测精度的需求，使我国气象卫星发展进入与国际气象卫星领先水平看齐的并跑阶段。

  从2008年至2023年，我国先后研制和发射了7颗具有世界领先水平的第二代极轨气象卫星风云三号。风云三号的观测谱段从真空紫外线、紫外线、可见光线、红外线一直到微波频段，可在全球实现全天候、高光谱、三维、定量气象探测，为中期数值天气预报提供气象参数，监测大范围自然灾害和生态环境，使我国全球观测数据的时效从12小时变成4.5小时，大幅度提高了气象观测能力和中期天气预报能力。

  总结来说，风云三号实现了从二维成像到三维探测、从单一光学到全谱段宽波谱探测、从千米级到百米级观测、从国内组网接收到全球组网接收的四大技术跨越。

  目前在轨运行的5颗风云三号卫星在运行轨道上略有差异，分为上午星、下午星等。从卫星轨道的层面来说，上午星、下午星是指卫星飞过赤道顶上的时间是在上午还是在下午。其中，风云三号G星比较特殊，它是我国首颗低轨非太阳同步倾斜轨道气象专用星，也是我国首颗、国际上第三颗主动降水测量卫星。卫星配置了主动降水测量雷达、微波成像仪、中分辨率光谱成像仪、全球导航卫星掩星探测仪等，填补了国内降水三维立体层析探测数据的空白。

  另外，风云三号极轨气象卫星的轨道类型决定了其发射时间。例如，上午星如风云三号F星是每天10时15分左右过赤道，所以它是2023年8月3日11时47分发射的；下午星风云三号D星是每天14时左右过赤道，所以它是2017年11月15日2时35分发射的。

  经过几十年的努力，我国极轨气象卫星实现了四大技术跨越，而静止轨道气象卫星也达到了世界先进水平。

  我国于2016年成功发射了首颗第二代静止轨道气象卫星——风云四号A星，实现了我国静止轨道气象卫星的更新换代。相比采用自旋稳定的风云二号，改用三轴稳定控制的风云四号A星在连续性和稳定能力方面表现优秀，大幅度提高了我国静止轨道气象卫星的探测水平。具体来说，它比风云二号的观测效率提升20倍、探测通道提升3倍、空间分辨率提升4倍、时间分辨率提升2倍、观测数据量增加160倍。

  作为世界上首颗同时装载多通道静止轨道辐射成像仪和干涉式大气垂直探测仪的高轨气象卫星，风云四号A星堪称“以一顶俩”。它把世界气象卫星界梦寐以求的干涉仪搬到了高轨上，相当于可以每时每刻对大气进行“CT扫描”。因此，我国对台风、暴雨等灾害性天气的监测识别时效也从15分钟提高到了5分钟，暴雨预警准确率提高到89%，24小时台风路径预报误差从95千米缩小到71千米。同时，它也是当今世界上唯一可以在一定程度上完成三维大气动态监测的卫星，综合探测水平国际领先。2022年1月，风云四号A星正式成为空间与重大灾害国际的值班卫星。

  不同于风云四号A星属于试验星，于2021年升空的风云四号B星则属于业务星，测量精度更高。它入轨以后，逐渐增强了短时临近灾害性天气监测能力，并在国际上首次实现静止轨道250米分辨率分钟级连续观测。这两颗卫星组网后形成了“双星运行、在轨备份”的业务格局。

  根据任务安排，2025年前，我国将发射风云四号C星——微波探测卫星，并与在轨的风云四号光学卫星协同使用，在国际上率先形成探测手段齐全的高轨气象卫星体系。从2025年到2035年，我国还将完善第二代并同步发展第三代风云卫星综合观测体系，发展星地协同智慧观测一体化技术，建立支撑精细预报的智慧观测业务系统。正处于论证阶段的第三代风云气象卫星风云五号极轨气象卫星、风云六号静止轨道气象卫星，将成为中国实现气象强国目标、为全球气象观测贡献更多力量的重要助力。

  现在，使用我国风云气象卫星数据的国家和地区已达到121个，这中间还包括85个共建“一带一路”国家和地区。未来，风云气象卫星将继续彰显中国的国际担当，为服务全球防灾减灾贡献中国智慧。

  截至今年，我国首颗第二代静止轨道气象卫星——风云四号A星已进入在轨运行的第八个年头，标志着这颗从科研试验星出发，后担负起我国静止轨道气象服务的“中国星”，已圆满完成了考核及寿命要求。