气象卫星：预知风霜雨雪

在各种各样的卫星当中，有那么一些是我们每天都要用到的，气象卫星就是其中的一类。现在人类已经习惯了有天气预报的生活，如果没有气象卫星，我们每天的生活都会面临很大的麻烦。

气象卫星理论上说是一种对地观测卫星，但是它的主要观测对象不是地面，而是薄薄的大气层。人类面临的主要天气活动，包括风霜雨雪，都在大气层里。通过观测大气层里的温度，云层含水量等参数变化，就可以对大气活动有充分的认识，不但可以进行短期的天气预报，还能够总结出整个地球大气层的运动规律，为中长期天气预报和全球性的气候变化研究提供重要的依据。

气象卫星ABC

具体来说，气象卫星主要负责这样几方面的工作：拍摄卫星云图，研究云内部的参数，探测陆地和海洋表面状况，探测大气中含水和降水数据，探测大气中臭氧的含量及其分布，探测太阳辐射对地球的影响和地球对宇宙的红外辐射，探测空间环境。

气象卫星如果从轨道上来区分，一般有两类，分别是极轨道气象卫星和静止轨道气象卫星。静止轨道卫星当然就是部署在静止轨道上的，它的主要优点就是可以不间断地观测大约1/3的地球表面，时间分辨率很高，但是空间分辨率比较差。另一种就是极轨道气象卫星，它运行在太阳同步轨道上，也就是轨道倾角在97度到98度之间，高度一般在700~800千米之间。这类卫星的空间分辨率比较高，但是时间分辨率就稍微差一些，对同一个地区可能要经过几天的时间才能够重新观测一次。所以在国际气象预报当中，会让这两种卫星协同工作。

气象卫星上的有效载荷种类很多，但大致上可以分成成像遥感器和大气探测器两种。成像遥感器有三种主要形式：扫描辐射计、中分辨率成像光谱仪和微波成像仪。大气探测器主要包括红外分光仪、微波温度计、微波湿度计。我们经常在天气预报上看到的卫星云图，主要就是扫描辐射计拍摄的。

在导航卫星应用过程中，人们还发现了另外一件有趣的事情，导航卫星信号在大气中的传输，也和大气的状况有直接关系，比如大气的含水量等等。经过探测导航信号的变化就可以感知这个区域内的大气状况，因此如今出现了一种全新的气象卫星类型，就是通过低轨道星座来监测全球GPS信号或者北斗导航卫星信号的变化，来形成精确的气象预报数据。

崛起的中国气象卫星

在气象卫星领域，中国经历了一个快速崛起的过程。在上世纪80年代之前，中国在气象卫星领域处在空白状态，从80年代中期开始中国积极投入气象卫星的研制。1988年9月7日，中国发射了第一颗气象卫星风云一号太阳同步轨道气象卫星。第一代风云一号一共发射了两颗，但是因为当时中国对于气象卫星的经验尚且不足，因此这两颗卫星工作了不长的时间就失去了功能。

1988年9月7日风云一号A星第一幅彩色合成图像

在风云二号静止轨道气象卫星研制过程中，首星在发射前出现事故，导致卫星损坏。但是正所谓不经历风雨怎么见彩虹，经过20多年的努力，中国的气象卫星事业取得了长足的进步。如今在太空中，担任主要观测任务的已经是新一代的风云三号和风云四号气象卫星。到2022年7月，中国共有7颗气象卫星在轨运行，其中包括4颗静止轨道卫星和3颗太阳同步轨道卫星。风云三号E还运行在一个非常特别的轨道上，也就是晨昏轨道。它沿地球晨昏线飞行，每次飞掠同一地方都是在当地清晨6点左右，飞抵地球另一面时是黄昏时分。风云三号E星是全球第一颗晨昏轨道卫星。这颗卫星与风云三号C星、风云三号D星组网运行，让中国成为国际上唯一同时拥有上午、下午、晨昏三条轨道气象卫星组网观测能力的国家。

按照国家气象局的说法：“目前我国风云气象卫星已达到国际同类卫星先进水平，被世界气象组织列入国际气象业务卫星序列，成为全球综合地球观测系统的重要成员，同时也是国际灾害宪章机制的值班卫星，正在为全球80多个国家和地区、国内2500多家用户提供卫星资料和产品。我国风云系列气象卫星与美（日）气象卫星、欧洲气象卫星呈现三足鼎立之势，东半球的气象预报主要依靠我国的气象卫星提供相关资料。”

在2018年还发生了这样的一件事情，国际气象卫星组织主动要求中国卫星气象部门把风云二号H卫星移动到印度洋上空的东经79度，填补对印度洋和非洲大陆卫星观测的空白。目前，风云二号H还在那里运行。

中国也开发了利用导航卫星信号来探测气象的卫星，也就是捕风一号A/B星。这种卫星可以探测海面反射的导航卫星信号。海浪主要是海风所引起的。海浪的变化必然会引起反射导航信号的变化，那么通过反演，就可以得到海风的具体数据，包括风力和风向。如果能够实现多星组网，就可以对极端台风天气进行精准预报。

气象卫星的其他应用

气象卫星不仅仅可以观测气象，还可以用来实施一些计划外的工作。在上世纪90年代末期，中国遥感部门用气象卫星数据来观测世界各地的积雪情况，收到了良好的效果。

风云四号卫星示意图

中国气象卫星应用中还有一个非常重要的创举，那就是农作物估产。气象卫星不但可以观测气象情况，还能够观测大范围的地面植被生长情况，把农业、气象、水文、地质等多学科的信息融合起来，就可以预测出某一个农业区在当年可以生产多少粮食或者经济作物，为国家有关部门以及大型农业企业提供决策依据。这项工作从21世纪初开始，在中国广泛开展，取得了重要的成就。如今气象卫星用于农作物估产，已经是农业管理部门的一项日常工作，对于保证中国人民的粮袋子菜篮子起到了非常重要的作用。（作者：迟惑）