[科普中国]-极轨气象卫星

简介

气象卫星一般运行于极轨道或地球同步轨道。其中，极轨气象卫星的轨道高度一般在650～1500km，可以实现全球观测，所以在中期数值天气预报、气候诊断和预测、自然灾害和环境监测等方面可以提供有效的观测资料。但其重复观测周期较长，因此开展极轨气象卫星业务需要国际合作，形成多颗卫星的观测网，以提高观测数据的时间分辨率。2

极轨卫星的轨道通过地球的南北极，而且它们的轨道是与太阳同步的，也就是说，它们每天两次飞越地球表面上的一个点，而且总是在同一个钟点。美国、中国、印度和俄罗斯拥有极轨气象卫星。

世界上目前分辨率最高的气象卫星是美国国防部的气象卫星DMSP。它的飞行高度是720公里。它可以分辨出地面上油车大小的物体。而且它可以在夜里拍可见光的照片，它利用的是月光来照明。它拍的城市灯光、火山爆发、大火、闪电、流星、油田和极光的照片是非常动人的。这些图片可以用来计算一个地区使用能源的量。天文学家用它们来确定一个观察点的光污染程度。1

背景介绍1960年世界上第一颗气象卫星发射成功以来，先后约有200颗卫星发射，经历了从试验到业务，从极轨气象卫星到静止气象卫星，从单一仪器观测到多载荷仪器综合观测，获取的资料从定性转入定量，从观测功能到兼有数据收集、转发等通信功能，从单星系统到双星系统，从单独工作到全球联网，目前极轨气象卫星已发展到第五代。40多年来，气象卫星在观测技术、业务化和应用等领域取得了长足的进展，获取的资料不仅在天气系统分析和天气预报中显示出独特的能力与作用，而且其应用范围已扩展到气候、自然灾害监测、海洋、水文、植被以及地球环境的动态监测等领域。

目前世界上凡拥有独立空间能力的国家或地区，如美国、俄罗斯、欧空局、日本、印度等都将气象卫星作为应用卫星的重点，竞相发展自己的气象卫星，并形成了一定的业务能力，目前已组成了全球气象卫星观测网。同时，随着气象业务的不断发展，对天基气象观测的准确度、时效、时空分辨率、光谱分辨率、产品种类以及全球和全天候观测能力等提出新的更高要求，各国都在竞相研制新一代气象卫星。

我国是国际上第三个自行研制和发射极轨气象卫星的国家。我国极轨气象卫星的观测任务，要求实时准确监测不同时空尺度的天气系统、气候过程和全球变化，需要大力发展极轨气象卫星。建设极轨气象卫星对地观测系统的主要意义是建设具有世界先进水平的极轨气象卫星综合观测系统，形成具有世界先进水平的气象卫星现代化体系，实现从气象大国向气象强国的跨越，大大提高对地球系统五大圈层（大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈）的观测能力。3

中国极轨气象卫星我国极轨气象卫星现况我国研制的第一颗极轨气象卫星FY-lA星于1988年9月7日发射成功。作为我国第一代极轨业务气象卫星，FY-1C星是我国第一颗三轴稳定太阳同步极地轨道业务气象卫星，于1999年5月10日发射成功;FY-1 D星于2002年5月15日发射成功。FY-1卫星在森林、草原、火灾、水灾、大雾、雪灾、沙尘暴等灾害和环境监测等领域发挥了重要作用，并被世界气象组织纳入全球业务应用气象卫星序列。

我国第二代极轨气象卫星FY-3A星(首发星)于2008年5月27日成功发射。与FY-1卫星相比，FY-3卫星的技术状态有很大改变，卫星装载了11种探测仪器，能获取全球多种大气、海表和陆地表而特性参数，功能明显提高，世界气象卫星协调组织(CUMS)己将其纳入新一代世界极轨气象卫星网发展规划。

利用与缺点从我国极轨气象卫星的现状可发现，我国的对地观测卫星已在气象和海洋预报、国土资源调查、地质矿产和油气资源勘察、自然灾害监测、农作物监测和估产、森林资源调查、城市和环境监测以及测绘制图等方而发挥了巨大的作用，但在科技创新、技术发展、应用的深化和空间信息产业化等方而仍存在一定差距，主要有:高分辨率空间遥感数据缺乏;覆盖全球和全国即时数据缺乏，不能充分满足国家经济和社会发展对遥感的需求;定量监测与人类生存休戚相关的遥感数据缺乏;先进空间遥感数据获取、分析、提取能力缺乏，难以在深层次上加深对地球系统过程的认识;遥感科学基础及技术基础设施建设薄弱;空间科学基础设施建设及配套设施薄弱，基础器件及频段器件(特别是探测器、毫米波、亚毫米波器件)的自主研发能力有待加强;先进材料研究有待重视，使星载系统轻型化、小型化和低耗功化。

星载遥感仪器是气象卫星上最重要的设备之一，气象卫星有效载荷的配置关系卫星的探测能力、探测范围和应用效益等Ci7。目前，我国FY-3及国际上NOAA, METOP, NPOESS, Meteor等典型极轨气象卫星的有效载荷配置包括成像遥感仪器、大气垂直探测仪器、微波遥感仪器、臭氧探测器、地球辐射收支仪、UPS探测仪及空间环境探测器等。3

外国极轨气象卫星美国极轨气象卫星目前，美国极轨气象卫星包括美国国家海洋和大气管理局运行管理的民用“诺阿”（NOAA，也称“极轨业务环境卫星”）和美国国防部运行管理的军用“国防气象卫星计划”（DMSP）卫星。“诺阿”目前在轨的有4颗（诺阿－15、16、18、19），其中诺阿－19卫星于2009年2月成功发射，它也是该系列卫星的最后一颗。“国防气象卫星计划”目前还有6颗在轨工作，包括第六代（2颗国防气象卫星计划5D－2）和第七代（4颗国防气象卫星计划5D－3）。

民用“诺阿”卫星系统正在接近寿命末期，军用“国防气象卫星计划”卫星也仅有2颗尚待发射，而美国下一代气象卫星的研制遭遇诸多问题。可以说，近年美国极轨气象卫星发展一波三折。

考虑到军用极轨气象卫星和民用极轨气象卫星的任务基本相同，都是收集、处理和分发气象、海洋和空间环境数据，因此为了减少重复开发并节约开支，美国决定整合“诺阿”和“国防气象卫星计划”卫星系统。1994年5月，克林顿发布总统令，将这两个计划整合为军民共用的“国家极轨业务环境卫星系统”（NPOESS）。经历了10多年的发展，“国家极轨业务环境卫星系统”项目最终由于成本大幅超支、进度延误和管理不善，于2010年终止并改组为军用“国防气象卫星系统”（DWSS）和民用“联合极轨卫星系统”（JPSS）。随后，2012财年国会要求美国空军取消新型的“国防气象卫星系统”卫星系统的研发，仅维持民用“联合极轨卫星系统”。为了弥补最后一颗“诺阿”卫星到首颗“联合极轨卫星系统”卫星之间的数据连续性问题，美国于2011年10月28日发射了“国家极轨环境业务卫星系统预备项目”（NPP）卫星。2012年底美国国防部考虑研制“气象卫星后续”（WSF）卫星，为此提出了多种方案，但仍然没有明确未来美国极轨气象卫星的最终发展方案。

欧洲极轨气象卫星“气象业务”（MetOp）是欧洲的极轨气象卫星。欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）的第一代极轨业务气象卫星系统（EPS）共规划了3颗“气象业务”卫星。2006年10月19日欧洲用俄罗斯联盟号火箭成功发射了第一颗极轨气象卫星气象业务－A卫星。该卫星由位于挪威斯匹次卑尔根岛上的极轨系统指令和数据获取（CDA）站来进行监测和控制。2007年5月15日，该星开始正常作业，连续向地面发送气象数值预报（NWP）模型所需关键数据，高纬度地区天气的临近预报，并进行气候监测。2012年9月17日，欧洲又成功发射了气象业务－B卫星。

“气象业务”卫星和美国“诺阿”卫星组成初期“联合极轨业务系统”，进行气象卫星全球观测，“气象业务”卫星负责上午轨道（9：30），“诺阿”卫星负责下午轨道（14：30）。双方卫星过赤道时间不同，观测时间错开，获得时间间隔不大于6h的探测数据。双方还互通探测仪器，资料共享，“气象业务卫星”上有许多仪器是美国提供的，“诺阿”卫星上也有欧洲提供的仪器。

俄罗斯极轨气象卫星“流星”（Meteor）卫星系列是俄罗斯/苏联发展的极轨气象卫星系列，与静止轨道的“电子”（Elektro）系列卫星共同组成天基气象观测体系。苏联从20世纪60年代就开始发展气象卫星，“流星”系列卫星已经发展了四代，即流星－1、2、3、3M、M卫星。最新一代流星－M卫星由俄罗斯航天局、俄罗斯水文组织、行星科学生产联合体（Planeta）共同投资。四代“流星”卫星均由全俄罗斯机电科学研究所（VNIIEM）研制。

目前，仅有流星－M1在轨运行。流星－M卫星用于提供水文气象学和太阳地球物理学数据，包括：大气温度和湿度，数值天气预报；云、陆地和海洋表面成像；臭氧和其他微量元素；海冰和雪覆盖等。除为俄罗斯提供气象服务外，流星－M卫星通过采用符合国际气象组织（WMO）标准要求的观测数据传输方式，满足全球卫星气象观测数据交换和共享的要求。

目前，俄罗斯大量依靠美国和欧洲的卫星气象数据来预报天气。为了弥补气象卫星数量的不足，未来还将研制和发射流星－M2、M3卫星。

俄罗斯在其气象观测领域的目标是发展和维持气象卫星星座。俄罗斯的极轨和静止轨道气象卫星均发展很早，但由于目前俄罗斯与其他国家在气象观测领域的差距正在增大，所以很难确保与这些国家气象数据的公平交换，因此俄罗斯政府决定重建国家天基气象监测网络，计划在2030年之前全面重建气象预报与监视卫星网络。按照俄罗斯专家的说法，至少需要6颗流星卫星，才能为独立的气象预报提供充足数据。2

对地观测网建设我国极轨气象卫星对地观测网建设

我国气象卫星及其应用在“十五”期间取得了突破性进展，卫星数据在国民经济各个领域中得到了广泛应用，取得了显著的社会与经济效益。但是，气象卫星及其应用的业务化能力还存在较大的差距，突出表现在三个方而:一是对气象卫星观测的要求越来越趋于稳定的业务需求，从气象拓展到农业、林业、水利、海洋、交通、航空、航天等各领域，这种稳定业务需求日渐强烈;二是对卫星探测的时间、空间和光谱分辨率要求明显提高，对反演物理量的要求越来越趋于精确定量化;三是全球地球观测综合系统(UEOSS)的迅速发展，卫星观测成为全球观测的重要组成，发达国家在科技和信息上的领先能力，变成政治、经济等方而的话语权，使我国地球观测卫星而临巨大挑战。

极轨气象卫星对地观测网主要用于天气预报、生态、环境、灾害监测业务及研究、大气定量探测和气候变化监测、降雨分布、大气成分探测以及云特性与风场、海而温度、波特性(有效波高、波向、波长)探测等。我国新一代集气象、气候和环境监测等综合极轨对地观测卫星能实现对整个地球系统的高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率、高辐射精度和全球、全天候、多波段卫星观测，以获取气象灾害监测、天气分析预报、环境监测、气候预测评估所需的各种要素。其中主要有:

（1）FY-3上午星以地球表而成像观测为主，观测数据主要用于生态、环境、灾害监测和气候变化研究。计划配置改进性能的中分辨率光谱成像仪、改进性能的微波成像仪、改进性能的微波辐射计、高光谱红外大气垂直探测仪和新一代高光谱紫外成像光谱仪等遥感仪器。

（2）FY-3下午星以大气定量探测和气候变化监测为主，计划配置高光谱红外大气垂直探测仪、改进性能的微波辐射计、改进性能的微波成像仪、改进性能的中分辨率光谱成像仪、UPs掩星探测仪和可见近红外高光谱温室气体监测仪等探测仪器。

（3）降水测量卫星主要研究全球尤其是中低纬度地区降雨分布，计划配置降水测量雷达、宽频段微波辐射计、可见光红外扫描辐射计等遥感仪器。3

利用及功能有经验的专业人员可以分析气象卫星的红外线图象，通过它他们可以确定云的高度和类型、计算地面和水面的温度，他们可以确定海面的污染、潮汐和海流。对航海业来说，海流的信息是非常重要的，因为他们依此可以制订省油的航线。渔民和农民希望知道地面或海面的温度，来保护他们的作物受冻或提高他们的捕获量。连厄尔尼诺现象都可以被转化成图象。红外线图片测量地面的温度，可以用来预报火灾发生的可能性。一般这些红外线图象是灰色的，但通过计算机处理它们可以变成多色的，来提高它们的对比度。

观察山上的冰雪情况可以提供年内河流供水的情报，为防汛和灌溉提供宝贵的预报。除此之外海面上冰山的情况对航海业来说也是非常重要的。对海流的观察还可以提供对泄露油毯的发展的预报。

气象卫星对沙暴的观察对人类对这个现象的理解和预报起了非常重要的作用。比如每年春天中国的沙暴可以一直跨越太平洋到达美国。在非洲每年夏季大量撒哈拉沙漠的沙暴被刮进大西洋，有时可以到达南美洲。1

极轨气象卫星对地观测网可实现以下探测功能:

（1）天气预报、生态、环境、灾害监测、大气化学和气候变化监测;

（2）观测全球中低纬度地区降雨分布，研究从热带地区到极地的全球大气运动，了解地球系统的运动规律与演变，深入研究全球气候的变迁等;

（3）获取全球大气成分数据，形成对主要温室气体(COz } CH;等)、主要化学反应气体(NOz , SOz ,CO等)、大气气溶胶等主要气候因子的全球、长期、定量和三维综合立体观测;

（4）用于地质地理、植被调查、大气探测、海洋遥感、农业科技，环境监测、减灾防灾等;

（5）利用掩星星座探测资料可反演出对流层上部至平流层的高垂直分辨率和高精度的大气温度廓线，以及平流层低层的水汽廓线，结合地基全球定位系统接收机可获得高精度的大气柱含水量;

（6）用于测量云的分布、垂直剖而、粒子尺寸分布和云的水含量，能准确测量云顶高度和云底高度、云的分层和云微物理参数随高度的变化;

（7）大气中粒子、原子、分子等密度分布的测量，风的测量，以及各大气层的压力分布测量。3

发展趋势根据中国气象事业21世纪拓宽服务发展战略，今后的气象探测不但要对天还要对地观测，探测太空，在空间上向地而、海洋及空间环境拓展。从发展趋势看，对高新技术的综合应用，地球环境系统的探测和模拟(预测)以及空(天)基遥感技术(新一代静比和极轨气象卫星，对地观测的环境与资源卫星，基于UPS的新型大气遥感技术)在未来大气环境观测系统中的主导作用等应加以特别的关注。

多载荷综合观测为更好地对地球气候系统五大圈层和大气外层空间环境进行有效探测，极轨气象卫星不能依赖单一遥感仪器。为此，须组合微波遥感、可见光红外遥感和无线电掩星探测仪器，由单一载荷配置发展为多载荷综合观测。

利用微波波段实现全天候探测红外不能穿越云层而微波能穿透云层，在微波波段进行云的遥感观测，特别是对云中水滴大小和相态的观测，不仅对天气预报有重要意义，而且利于了解大气中辐射传输过程的细节。因此，可采用新的遥感波段，特别是利用微波波段解决全天候观测。

提高光谱分辨率为提高温度的垂直分辨率，必须增加探测通道，进而要求提高光谱分辨率。增加遥感仪器通道数目，通道划分越来越细，以利于区分不同的遥感对象。对垂直探测器来说，通道数越多，垂直分辨率也越高。滤光片式的探测仪，光谱分辨率接近了极限，必须另找技术出路，如光栅式或干涉式。此外提高光谱分辨率还能对大气中辐射的微弱信号实现有效探测。

提高空间分辨率为更精确地区分各种地物目标，要求遥感仪器的分辨率越来越高，如成像探测仪的空间分辨率由扫描辐射计的1 km提高到MODIS的250 m;HIRS/2的空间分辨率为17.4 km，而HIRS/4的空间分辨率则提高到10 km。

提高仪器的灵敏度、定标精度为准确反映所观测目标的真实状况，提高观测数据反演精度，成像与探测仪器均需提高灵敏度和定标精度。

发展无线电(UPS)掩星探测UPS掩星探测技术具有较高精度和大气垂直向的分辨率，且不受天气变化的影响，因此成为下一代极轨气象卫星遥感仪器的发展方向。

发展主动遥感为获取大气风场及海而状态的有关信息，新一代的极轨气象卫星配置了主动遥感仪器，如雷达成像仪、METOP上的微波散射计(ASCAT)和NPOESS上的雷达高度计(ALT)等。3