气象卫星发展历程和启示-中国气象局

27AdvancesinMeteorologicalScienceandTechnology气象科技进展4（6）-2014Article研究论文气象卫星发展历程和启示方宗义（国家卫星气象中心，中国气象局，北京100081）摘要：简要地回顾了国内外气象卫星，特别是业务气象卫星的发展及其更新换代的变化。简要地介绍了业务气象卫星的功能及其在大气科学、地球系统科学中的作用和地位。在此基础上，探讨了由50多年来业务气象卫星快速发展的事实中得到的启示。关键词：业务气象卫星，快速发展，功能和作用，启示DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2014.06.003TheEvolutionofMeteorologicalSatellitesandtheInsightfromItFangZongyi(NationalSatelliteMeteorologicalCenter,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081)Abstract:Thispaperbrieflyrecollectsthemeteorologicalsatellitesathomeandabroad,especiallytheirdevelopmentcauseaswellasrenovativeandgenerationreplacementchangesoftheoperationalmeteorologicalsatellites.Itgivesanelementaryintroductiontotheirfunction,roleandpositioninatmosphericsciencesandsystematicsciencesconcerningtheearth.Furthermore,proceedingfromsuchabasis,thepaperprobesintotherevelationderivedfromthefactthatoperationalmeteorologicalsatelliteshavemaderapidprogressinthepast50yearsormore.Keywords:operationalmeteorologicalsatellite,rapidprogress,functionandrole,revelation1 引言自1960年4月1日世界上首次成功发射气象卫星以来[1]，已经过去半个多世纪了。空间技术和遥感技术的发展与进步，地球科学和人类生存与发展的需求牵引，气象卫星在天气分析预报、数值天气预报、气候监测和预测、生态和环境监测，特别是在对热带气旋和中尺度强对流灾害性天气监测和预警方面的成效，极大地促进了气象卫星和卫星气象学的发展。本文将在简要回顾和总结国内外气象卫星发展的历程、成就和作用的基础上，探讨从中得到的启示。从过去半个多世纪气象卫星发展的历程中吸取成功的经验和失败的教训，寻求一条适合中国国情、积极稳妥的发展中国气象卫星的道路。2 气象卫星的发展历程2.1 极轨气象卫星的发展历程2.1.1美国极轨气象卫星的发展1960年4月1日，美国发射了第一颗气象卫星“泰罗斯-1号”（TIROS-1，电视红外观测卫星），从而开创了人类从太空探测地球大气的新纪元。截至1965年7月2日，总共发射了10颗泰罗斯卫星，这些卫星均携带光电摄影系统和红外辐射计，前者用以在白天拍摄可见光图片，后者昼夜均可工作。经过以上10颗气象卫星对卫星轨道（近极地太阳同步轨道）、自旋稳定的姿态控制（飞轮控制）、遥感探测器（光电摄像系统和红外辐射计）和图像传输方式（APT，自动图像传输系统）等的试验验证，直接导致了美国第一代试验业务气象卫星的诞生[2]。（1）美国第一代试验业务气象卫星1966—1969年，美国共发射了9颗以环境勘测局（ESSA）命名的泰罗斯业务气象卫星（TOS）。此卫星由环境科学服务局（即后来的NESDIS）负责运行、管理。这一代卫星的主要功能是获取全球范围的白天云图和实现云图的直接分发服务。（2）美国第二代业务气象卫星1970—1978年，美国共发射了5颗以美国国家海洋和大气管理局（NOAA）命名的气象卫星（包括改进的泰罗斯卫星艾托斯和NOAA-1～-5）。这是第一批采用三轴稳定姿态控制技术的业务气象卫星。星上的可见光及红外扫描辐射计（SR）和1972年开始采用的甚高分辨率扫描辐射计（VHRR）使卫星不但实现收稿日期：2013年8月2日；修回日期：2013年12月18日第一作者：方宗义（1938—），Email:[e-mail]气象科技进展28AdvancesinMeteorologicalScienceandTechnology气象科技进展4（6）-2014了昼夜连续定量观测，还开始了多通道高分辨率扫描辐射观测。（3）美国第三代业务气象卫星1978—1998年，美国共发射了新一代泰罗斯卫星（NewTiros）10颗，命名为TIROS-N和NOAA-6～NOAA-14。卫星的主要变化是由4个或5个通道的先进甚高分辨率扫描辐射计（AVHRR）代替了VHRR；增加了由高分辨率红外探测器（HIRS）、微波探测器（MSU）和平流层探测器（SSU）组成的探测大气温湿度垂直分布的仪器组合TOVS，同时还有太阳后向散射紫外辐射计（SBUV）和空间环境监测器（SEM）。气象卫星具有了同时获取多通道图像和大气温、湿度垂直分布的能力。（4）美国第四代业务气象卫星1998—2009年，美国共发射了5颗先进的泰罗斯-N系列卫星，命名为NOAA-15～-19。6通道的AVHRR代替了5通道的AVHRR，HIRS-2取代了HIRS，AMSU（A/B)代替了MSU和SSU。这些变化使气象卫星可以遥感有云情况下的大气温、湿度，实现了全天候的三维大气遥感探测，并能很好地区分云和雪。（5）美国第五代业务气象卫星2011年NPP卫星的成功发射，标志着美国以NOAA命名的极轨业务气象卫星时代的结束和新一代以NPP/JPSS（联合极轨卫星系统）命名的极轨业务气象卫星时代的开始。NPP是NOAA-19与JPSS两代业务卫星之间的桥梁。JPSS计划发射两颗，JPSS-1、-2，预计在2017和2023年发射。NPP卫星主要装载5种仪器：可见光/红外成像辐射计（VIIRS）、先进技术微波探测器（ATMS）、跨轨扫描红外大气探测器（CrIS）、臭氧图像和廓线仪（OMPS）以及云和地球辐射能量系统（CERES）。星上的这些遥感探测器使它具有获取多通道图像、全天候气象要素三维分布、气溶胶和云的微物理特性、大气成分和地球大气辐射收支等地球物理参数的能力。2.1.2中国极轨气象卫星的发展1988年9月7日，命名为“风云一号”的中国极轨气象卫星的第一颗卫星“FY-1A”发射成功[3]。卫星获得了高质量的可见光图像，但是由于水汽对探测器件的污染，红外图像没有成功。1990年9月3日发射的“FY-1B”解决了红外图像获取问题。但因三轴稳定姿控方面的问题，使“FY-1A”和“FY-1B”两颗卫星的寿命都没有达到设计要求。（1）中国第一代业务气象卫星1999年5月10日发射的经过改进的“FY-1C”卫星，其工作寿命超过了设计要求，探测通道由5个增加到10个。2002年5月15日发射的“FY-1D”卫星，其寿命超过7年。以上两颗极轨气象卫星构成了中国的第一代业务星。（2）中国第二代业务气象卫星风云三号（FY-3）气象卫星是我国第二代极轨业务气象卫星，是FY-1号气象卫星技术的发展和提高[4]。它具有探测大气三维要素和参数、大幅度提高全球资料获取能力，进一步提高对云区和地表特征的遥感能力，从而能够获取全球、全天候、三维、定量、多光谱的大气、地表和海表特性参数。FY-3A已于2008年5月27日发射升空，FY-3B于2010年11月5日发射，它们组成上午星和下午星，实现双星组网观测。FY-3A/B卫星遥感仪器涉及可见、红外、紫外、微波多个谱段，总共有11套仪器。表1和图1分别是FY-3A气象卫星携带的遥感仪器和卫星本体。FY-3,02批卫星为业务星，共有5颗，设计寿命5年，可以持续发展10年左右，其技术状态和水平与欧洲正在运行的METOP和美国正在发展的NPP极轨业务气象卫星接近。2.1.3欧洲极轨业务气象卫星的发展欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）的极轨气象卫星计划起步较晚，但起点高，其第一代极轨业务气象卫星就具有较高水平，发挥了很好的作用。2006年欧洲气象卫星组织发射了第一代业务极轨气象卫星的第一颗星METOP-A，目前已进入业务运行状态。METOP系列由3颗卫星构成，METOP-B于2012年发射，METOP-C预计2017年发射。该系列卫星包括9种对地遥感仪器，其中具有显著特色的是红外大气干涉探测器（IASI）、全球臭氧监测仪（GOME）、GPS掩星探测器（GPS-S）、散射计（ASCAT）、空间环境监视器（SEM）。在9种仪器中有4项由美国NOAA提供，其余5项由欧洲自行研制。它的探测能力与美国的NPP相当。2.2 地球静止气象卫星的发展历程2.2.1美国地球静止气象卫星的发展1966年美国宇航局（NASA）发射了首颗地球静止卫星——应用技术卫星（ATS-1），在星上进行了多项试验，利用地球静止轨道进行气象探测的可能性是其中之一。星上的旋转扫描云相机（SSCC）成功地每20min获取一幅地球全圆盘可见光图像。此后，宇航局又发射了2颗地球同步轨道气象卫星（SMS），探测器为可见光及红外自旋扫描辐射计（VISSR）。29AdvancesinMeteorologicalScienceandTechnology气象科技进展4（6）-2014Article研究论文（1）美国第一代业务静止气象卫星1975—1978年，美国共发射了3颗命名为地球同步业务环境卫星GOES-1～-3的地球静止业务气象卫星。星上的主要遥感探测器是可见光及红外自旋扫描辐射计。（2）美国的第二代业务静止气象卫星1980—1987年，美国共发射了4颗GOES卫星，即GOES-4～-7。星上的主要变化是在VISSR上增加了探测大气温、湿度垂直分布的能力，即VISSR的大气探测器（VAS，可见光及红外自旋扫描辐射计大气探测器），以上两代卫星的姿态都是自旋稳定。（3）美国第三代业务静止气象卫星1994—2001年，美国发射了GOES-8～-12共5颗第三代业务静止气象卫星。其最大的改进是采用了三轴稳定的卫星姿态控制技术，使成像与垂直探测独立同时进行，对局部区域可以进行高频次监测。（4）美国第四代业务静止气象卫星当前运行的GOES-l3～-15为第四代业务静止气象卫星（2006—2010年），星上有5通道成像辐射计、19通道大气探测器、空间环境监视器和太阳X-Ray成像仪。美国再下一代业务静止气象卫星的第一颗卫星GOES-R，计划于2016年发射。星上的主要探测器是先进基线成像仪（ABI）、闪电成像仪（GLM）、空间环境监测器（SEISS）、太阳紫外成像仪（SUVI）、远紫外和X射线辐照度探测器（EXIS）以及磁力计（MAG）。其中的ABI由16个探测通道组成，包括6个可见光和近红外通道、10个红外通道，空间分辨率为可见光0.5km，近红外1km，红外2km，全圆盘图成像时间约5min。它具有分辨率更高、通道更多和速度更快的成像能力。同时，它也将显著地增强对空间环境的监测能力。2.2.2欧洲静止气象卫星的发展欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）于1977年发射第一颗静止气象卫星Meteosat-1，卫星采用自旋稳定的姿态控制方式，星上主要载荷为3通道可见和红外自旋扫描辐射计（VISSR），该星发射成功后，由VISSR中的水汽通道获取的图像是全球第一幅水汽图像。（1）欧洲第一代业务静止气象卫星1977—2001年，欧洲气象卫星组织共发射和运行了7颗与Meteosat-1同一型号的静止气象卫星（包括Meteosat-1），成为欧洲