截至今年，我國首顆第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星——風(fēng)云四號A星已進(jìn)入在軌運(yùn)行的第八個年頭，標(biāo)志著這顆從科研試驗星出發(fā)，后擔(dān)負(fù)起我國靜止軌道氣象服務(wù)的“中國星”，已圓滿完成了考核及壽命要求。目前，我國是全球唯一同時運(yùn)行黎明、上午、下午、傾斜四條近地軌道氣象衛(wèi)星的國家，可提供三維、定量、全球、全天時、全天候、高光譜、高時效的精密監(jiān)測資料。

由我國自主研制的風(fēng)云氣象衛(wèi)星被稱為“離百姓生活最近的衛(wèi)星”，尤其在短時臨近預(yù)報中作用重大，它可以準(zhǔn)確預(yù)報臺風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。從1988年至去年底，我國已成功發(fā)射兩代四型21顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星，并不斷擴(kuò)大“朋友圈”，全球用戶應(yīng)急保障服務(wù)國家達(dá)34個，并為121個國家和地區(qū)提供氣象資料和產(chǎn)品。那么，我國的風(fēng)云氣象衛(wèi)星是如何實現(xiàn)從國際跟跑到并跑再到部分領(lǐng)跑的？又為世界貢獻(xiàn)了哪些中國智慧？

氣象衛(wèi)星具備“多用途”

氣象與國計民生密切相關(guān)。在沒有氣象衛(wèi)星之前，場地觀測是氣象工作者獲取氣象信息的主要手段。氣象衛(wèi)星的問世，使氣象監(jiān)測工作發(fā)生了根本性變化，大大提高了氣象預(yù)報的準(zhǔn)確度，對減災(zāi)、防災(zāi)、環(huán)保等許多方面有著不可替代的作用。

由于氣象衛(wèi)星“站得高、看得遠(yuǎn)”，所以可以不受地理條件、自然環(huán)境及國家區(qū)域行政疆界的限制，實現(xiàn)快速、長期、連續(xù)、全球、全天候、全天時和多方位的觀測，能近實時地獲得全球的天氣變化狀況，提供常規(guī)觀測手段無法獲取的大量寶貴信息。得益于氣象衛(wèi)星觀測范圍廣、干擾因素少，可以精準(zhǔn)捕捉強(qiáng)對流蹤跡，助力強(qiáng)對流活動監(jiān)測和預(yù)報，人類解決了廣大海洋水域和人煙稀少地區(qū)氣象資料觀測不足的難題，進(jìn)一步加深了對地球及其大氣的了解。

氣象衛(wèi)星的最大特點是具有很短的覆蓋周期，以及可在很短時間內(nèi)重復(fù)觀察某一固定地區(qū)氣候變化，所以能大大提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率。尤其是在監(jiān)測臺風(fēng)方面，氣象衛(wèi)星已經(jīng)做到無一漏報，且在形成階段便可發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)，并估計其強(qiáng)度和移動方向。氣象衛(wèi)星拍攝的地球云圖為氣象專家預(yù)報臺風(fēng)的強(qiáng)度變化和移動路徑提供了可靠直觀的依據(jù)，從而使有關(guān)部門能做出及時正確的預(yù)防對策。此外，通過氣象衛(wèi)星還可以時刻獲知暴雨等強(qiáng)對流天氣的發(fā)生、消亡、移動和強(qiáng)度變化，為預(yù)報災(zāi)害性天氣提供依據(jù)。

如今，風(fēng)云氣象衛(wèi)星已廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報、氣候預(yù)測、災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等重要領(lǐng)域，特別是在臺風(fēng)、暴雨、大霧、沙塵暴、森林草原火災(zāi)等監(jiān)測預(yù)警中發(fā)揮著重要作用，增強(qiáng)了我國防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)對氣候變化的能力，也為各級政府提供了準(zhǔn)確的決策信息。除此之外，氣象衛(wèi)星還廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害和地球環(huán)境監(jiān)測以及航空、航海、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)等非氣象領(lǐng)域，是應(yīng)用衛(wèi)星中重要的多用途衛(wèi)星。

多種遙感器滿足不同觀測需求

氣象衛(wèi)星是通過所攜帶的各種氣象遙感器來探測地球大氣的氣象要素和天氣現(xiàn)象的。氣象遙感器能接收和測量地球及其大氣層的可見光、紅外和微波輻射，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號傳回地面。然后，這些電信號被復(fù)原繪制成各種云層、地表和洋面圖片，再經(jīng)過處理和計算，便可收集到各種氣象資料，為研究大氣運(yùn)動和天氣預(yù)報服務(wù)。

目前，主要使用的氣象遙感器有成像儀和垂直探測器兩大類。前者選用的遙感光譜段都在大氣窗區(qū)，用于透過大氣層觀測下面的云和地表狀況；后者選用的光譜段則位于大氣吸收帶及其邊緣，它利用大氣在這些波段對光譜的吸收、放射與大氣中某些組成成分的含量、溫度有關(guān)的性質(zhì)，通過對這些光譜段的觀測便可反推出大氣微量組成成分的含量及大氣溫度的垂直分布。

所以，氣象衛(wèi)星資料分為衛(wèi)星圖像（如云圖、冰雪覆蓋圖）和定量探測資料（如溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等），前者能直觀顯示地球上方云系的分布和天氣系統(tǒng)的特點；后者在很大程度上彌補(bǔ)了常規(guī)氣象觀測的不足，對改進(jìn)數(shù)值天氣預(yù)報和研究大氣環(huán)流有很大幫助。

因為需求不同，每顆氣象衛(wèi)星上的遙感器也不完全一樣。遙感器的光譜段一般都要經(jīng)過精心選擇，有特定用途，稱為“通道”。通道越多，觀測的范圍就越廣，但氣象遙感器的技術(shù)也就越復(fù)雜。例如，0.58微米至0.68微米的可見光波段為橙色可見光，位于太陽輻射能量譜的峰值附近，能量密度大，大氣吸收和散射小，對大氣中的灰塵等懸浮物及水體中的泥沙量都很敏感，因此，所有氣象衛(wèi)星都會選擇這個光譜段作為云的觀測通道。而0.725微米至1.1微米的可見光波段對密實深厚的云層、綠葉和土壤等反照率很高，但對水體反照率很低，所以它可用于觀測云、水體植被，監(jiān)測植物長勢和估計洪水范圍等。

二代“風(fēng)云”看齊全球先進(jìn)水平

從運(yùn)行軌道上來劃分，氣象衛(wèi)星又分為極軌氣象衛(wèi)星和靜止軌道氣象衛(wèi)星兩類。

極軌氣象衛(wèi)星運(yùn)行于600千米至1400千米高度的太陽同步軌道，以1千米至4千米的分辨率沿飛行軌道對地面數(shù)千千米寬的條帶進(jìn)行觀測，每天可繞地球運(yùn)行14圈，能夠?qū)θ蛉魏我粋€地點觀測2次，獲取全球氣象資料，且因運(yùn)行軌道低而分辨率高，可以清晰了解地面情況。其不足是由于衛(wèi)星不停圍繞地球兩極運(yùn)動，得到的圖像是全球云圖，以至于對某一地區(qū)的觀測周期比較長，對同一地點無法連續(xù)觀測，不能滿足短期預(yù)報業(yè)務(wù)的需要。所以，極軌氣象衛(wèi)星主要用于中長期天氣預(yù)報。

靜止軌道氣象衛(wèi)星定位于地球靜止軌道的某一點，可對衛(wèi)星下方40%的地球進(jìn)行連續(xù)觀測。這對監(jiān)視災(zāi)害性天氣有很強(qiáng)的時效性，如對追蹤臺風(fēng)等快速運(yùn)動的天氣現(xiàn)象十分有利，在30分鐘或更短時間內(nèi)就能獲取一幅地球全景圓盤圖，實時將資料送回地面。其缺點是對于緯度大于70°的高緯度地區(qū)的氣象觀測能力較差，而且由于軌道高導(dǎo)致分辨率較低。所以，靜止軌道氣象衛(wèi)星主要用于地區(qū)性短期天氣預(yù)報業(yè)務(wù)。

由此可見，極軌氣象衛(wèi)星和靜止軌道氣象衛(wèi)星的觀測優(yōu)勢各有千秋，可互為補(bǔ)充。簡單來講，如果氣象衛(wèi)星拍攝的圖片是整個地球球體，那就是靜止軌道氣象衛(wèi)星拍的；如果是類似世界地圖的圖片，則是極軌氣象衛(wèi)星拍的。

為了更好地預(yù)報天氣和氣象災(zāi)害，我國先后研制和發(fā)射了這兩種氣象衛(wèi)星，是世界上第三個同時擁有極軌氣象衛(wèi)星和靜止軌道氣象衛(wèi)星的國家。其中，風(fēng)云一號、風(fēng)云三號分別為第一代、第二代極軌氣象衛(wèi)星；風(fēng)云二號、風(fēng)云四號分別為第一代、第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星。截至2023年12月，我國已發(fā)射兩代四型21顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星，有9顆目前仍在軌運(yùn)行，即風(fēng)云二號G星、二號H星、四號A星、四號B星、三號C星、三號D星、三號E星、三號G星、三號F星。

據(jù)悉，當(dāng)前風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星在世界上處于局部領(lǐng)先，整體達(dá)到平均先進(jìn)水平的地位。第一代氣象衛(wèi)星解決了基本的天基氣象觀測需求，實現(xiàn)氣象衛(wèi)星從無到有并業(yè)務(wù)化運(yùn)行。第二代氣象衛(wèi)星解決了天氣預(yù)報對于氣象觀測精度的需求，使我國氣象衛(wèi)星發(fā)展進(jìn)入與國際氣象衛(wèi)星先進(jìn)水平看齊的并跑階段。

風(fēng)云三號實現(xiàn)四大技術(shù)跨越

從2008年至2023年，我國先后研制和發(fā)射了7顆具有世界先進(jìn)水平的第二代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號。風(fēng)云三號的觀測譜段從真空紫外線、紫外線、可見光線、紅外線一直到微波頻段，可在全球?qū)崿F(xiàn)全天候、高光譜、三維、定量氣象探測，為中期數(shù)值天氣預(yù)報提供氣象參數(shù)，監(jiān)測大范圍自然災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境，使我國全球觀測數(shù)據(jù)的時效從12小時變成4.5小時，大幅提高了氣象觀測能力和中期天氣預(yù)報能力。

總結(jié)來說，風(fēng)云三號實現(xiàn)了從二維成像到三維探測、從單一光學(xué)到全譜段寬波譜探測、從千米級到百米級觀測、從國內(nèi)組網(wǎng)接收到全球組網(wǎng)接收的四大技術(shù)跨越。

目前在軌運(yùn)行的5顆風(fēng)云三號衛(wèi)星在運(yùn)行軌道上略有差異，分為上午星、下午星等。從衛(wèi)星軌道的層面來說，上午星、下午星是指衛(wèi)星飛過赤道頂上的時間是在上午還是在下午。其中，風(fēng)云三號G星比較特殊，它是我國首顆低軌非太陽同步傾斜軌道氣象專用星，也是我國首顆、國際上第三顆主動降水測量衛(wèi)星。衛(wèi)星配置了主動降水測量雷達(dá)、微波成像儀、中分辨率光譜成像儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀等，填補(bǔ)了國內(nèi)降水三維立體層析探測數(shù)據(jù)的空白。

另外，風(fēng)云三號極軌氣象衛(wèi)星的軌道類型決定了其發(fā)射時間。例如，上午星如風(fēng)云三號F星是每天10時15分左右過赤道，所以它是2023年8月3日11時47分發(fā)射的；下午星風(fēng)云三號D星是每天14時左右過赤道，所以它是2017年11月15日2時35分發(fā)射的。

三維大氣動態(tài)監(jiān)測世界領(lǐng)先

經(jīng)過幾十年的努力，我國極軌氣象衛(wèi)星實現(xiàn)了四大技術(shù)跨越，而靜止軌道氣象衛(wèi)星也達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

我國于2016年成功發(fā)射了首顆第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星——風(fēng)云四號A星，實現(xiàn)了我國靜止軌道氣象衛(wèi)星的更新?lián)Q代。相比采用自旋穩(wěn)定的風(fēng)云二號，改用三軸穩(wěn)定控制的風(fēng)云四號A星在連續(xù)性和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)秀，大幅提高了我國靜止軌道氣象衛(wèi)星的探測水平。具體來說，它比風(fēng)云二號的觀測效率提升20倍、探測通道提升3倍、空間分辨率提升4倍、時間分辨率提升2倍、觀測數(shù)據(jù)量增加160倍。

作為世界上首顆同時裝載多通道靜止軌道輻射成像儀和干涉式大氣垂直探測儀的高軌氣象衛(wèi)星，風(fēng)云四號A星堪稱“以一頂倆”。它把世界氣象衛(wèi)星界夢寐以求的干涉儀搬到了高軌上，相當(dāng)于可以隨時對大氣進(jìn)行“CT掃描”。因此，我國對臺風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測識別時效也從15分鐘提高到了5分鐘，暴雨預(yù)警準(zhǔn)確率提高到89%，24小時臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差從95千米縮小到71千米。同時，它也是當(dāng)今世界上唯一能夠?qū)崿F(xiàn)三維大氣動態(tài)監(jiān)測的衛(wèi)星，綜合探測水平國際領(lǐng)先。2022年1月，風(fēng)云四號A星正式成為空間與重大災(zāi)害國際憲章的值班衛(wèi)星。

不同于風(fēng)云四號A星屬于試驗星，于2021年升空的風(fēng)云四號B星則屬于業(yè)務(wù)星，測量精度更高。它入軌以后，進(jìn)一步增強(qiáng)了短時臨近災(zāi)害性天氣監(jiān)測能力，并在國際上首次實現(xiàn)靜止軌道250米分辨率分鐘級連續(xù)觀測。這兩顆衛(wèi)星組網(wǎng)后形成了“雙星運(yùn)行、在軌備份”的業(yè)務(wù)格局。

根據(jù)任務(wù)安排，2025年前，我國將發(fā)射風(fēng)云四號C星——微波探測衛(wèi)星，并與在軌的風(fēng)云四號光學(xué)衛(wèi)星協(xié)同使用，在國際上率先形成探測手段齊全的高軌氣象衛(wèi)星體系。從2025年到2035年，我國還將完善第二代并同步發(fā)展第三代風(fēng)云衛(wèi)星綜合觀測體系，發(fā)展星地協(xié)同智慧觀測一體化技術(shù)，建立支撐精細(xì)預(yù)報的智慧觀測業(yè)務(wù)系統(tǒng)。正處于論證階段的第三代風(fēng)云氣象衛(wèi)星風(fēng)云五號極軌氣象衛(wèi)星、風(fēng)云六號靜止軌道氣象衛(wèi)星，將成為我國實現(xiàn)氣象強(qiáng)國目標(biāo)、為全球氣象觀測貢獻(xiàn)更多力量的重要助力。

現(xiàn)在，使用我國風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的國家和地區(qū)已達(dá)到121個，其中包括85個共建“一帶一路”國家和地區(qū)。未來，風(fēng)云氣象衛(wèi)星將繼續(xù)彰顯中國的國際擔(dān)當(dāng)，為服務(wù)全球防災(zāi)減災(zāi)貢獻(xiàn)中國智慧。

（作者為全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）