■張文建

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世界氣象組織全球綜合觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（WIGOS）空間部分2040年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃的解讀

■張文建

由世界氣象組織（WMO）基本系統(tǒng)委員會(huì)牽頭制定的WMO全球綜合觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（WIGOS）的2040年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃，需要對(duì)兩個(gè)方面開(kāi)展預(yù)測(cè)，即預(yù)測(cè)氣象服務(wù)需求和預(yù)測(cè)科技發(fā)展進(jìn)步。WMO期望該遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃有助于各會(huì)員國(guó)提前預(yù)測(cè)氣象部門(mén)應(yīng)對(duì)未來(lái)氣象服務(wù)需求所面對(duì)的挑戰(zhàn)，也期望全球航天機(jī)構(gòu)及衛(wèi)星操作國(guó)在考慮制定本國(guó)的氣象衛(wèi)星和相關(guān)對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃時(shí)，充分考慮將WMO綜合觀(guān)測(cè)系統(tǒng)空間部分的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃作為需求牽引的指導(dǎo)。

1　引言

第17屆世界氣象大會(huì)（2015年）贊同由世界氣象組織（WMO）基本系統(tǒng)委員會(huì)（CBS）牽頭制定WMO全球綜合觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（WIGOS）的2040年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃。這個(gè)新的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃應(yīng)當(dāng)作為WMO的綱領(lǐng)性指導(dǎo)文件，充分地考慮到2040年可能出現(xiàn)或演進(jìn)的新的氣象服務(wù)需求（包括多種新的應(yīng)用領(lǐng)域，例如氣候服務(wù)、空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)、水圈和冰雪圈的監(jiān)測(cè)服務(wù)需求等），并對(duì)到2040年的全球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)格局和信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步進(jìn)行預(yù)測(cè)。

WMO的第一個(gè)全球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（GOS）2015年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃于2002年發(fā)布，此后以此規(guī)劃為指導(dǎo)于2005年制定并發(fā)布了全球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)演進(jìn)發(fā)展實(shí)施計(jì)劃（EGOSIP）。2009年，WMO發(fā)布了全球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（GOS）2025年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃，并于2012年更新發(fā)布了新的全球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)演進(jìn)發(fā)展實(shí)施計(jì)劃（EGOS-IP 2025）。

本文主要闡述和解讀新的全球綜合觀(guān)測(cè)系統(tǒng)2040年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃的空間觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃）。推動(dòng)制定2040年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃的三個(gè)主要因素如下。

1）在WIGOS框架中設(shè)定規(guī)劃目標(biāo)。需要特別提出的是，原來(lái)的2025年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃是針對(duì)全球天氣監(jiān)測(cè)計(jì)劃（World Weather Watch）下的全球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（GOS）的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃，主要以滿(mǎn)足天氣監(jiān)測(cè)為主，兼顧其他計(jì)劃。而2040年的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃是在WIGOS框架下。WIGOS包括了目前WMO的全部全球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，即世界天氣監(jiān)測(cè)計(jì)劃下的全球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)全球大氣成分的全球大氣監(jiān)測(cè)計(jì)劃（GAW）、WMO水文觀(guān)測(cè)系統(tǒng)和正在建立的全球冰凍圈監(jiān)測(cè)計(jì)劃（GCW）等。全球空間天氣監(jiān)測(cè)也逐步成為WIGOS的一個(gè)重要組成部分。近年來(lái)WMO新發(fā)展的一些應(yīng)用項(xiàng)目或計(jì)劃，其觀(guān)測(cè)需求并沒(méi)有包括在以前的2025年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃中，例如2009年啟動(dòng)的全球氣候服務(wù)框架（GFCS），2011年啟動(dòng)的全球冰凍圈監(jiān)測(cè)計(jì)劃（GCW），空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)，全球空間天氣服務(wù)需求等等。所以WIGOS框架下的2040年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃的范圍大大拓展了，其目的就是通過(guò)這個(gè)框架性的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃，滿(mǎn)足WMO全部計(jì)劃的觀(guān)測(cè)需求。

2）在對(duì)2040年空間技術(shù)進(jìn)步預(yù)測(cè)的框架下設(shè)定目標(biāo)。新技術(shù)的發(fā)展是漸進(jìn)性的，包括新的遙感儀器、新的衛(wèi)星軌道概念、衛(wèi)星間的組網(wǎng)配合、星上數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)壓縮、新的數(shù)據(jù)傳輸手段等等。在過(guò)去數(shù)十年間一些研發(fā)衛(wèi)星計(jì)劃，例如全球熱帶降水測(cè)量計(jì)劃（TRMM）、全球降水測(cè)量計(jì)劃（GPM）、美國(guó)和歐洲相關(guān)國(guó)家的海洋觀(guān)測(cè)計(jì)劃等，都非常及時(shí)地響應(yīng)了WMO的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃，所以WIGOS的2040年衛(wèi)星系統(tǒng)遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃，有意將這些衛(wèi)星系統(tǒng)納入WMO空間計(jì)劃的2040年業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)之中。

3）由于氣象衛(wèi)星的高效益和對(duì)于社會(huì)公益事業(yè)的不可估量的貢獻(xiàn)，近年來(lái)已經(jīng)有一些重要發(fā)展預(yù)示著全球氣象衛(wèi)星操作者進(jìn)一步擴(kuò)大的可能性。目前出現(xiàn)的氣象衛(wèi)星商業(yè)化發(fā)展的苗頭，既可望增強(qiáng)對(duì)全球氣象衛(wèi)星體系的貢獻(xiàn)，也帶來(lái)了國(guó)際協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)政策上的復(fù)雜性。

將新的全球綜合觀(guān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃設(shè)定在2040年，主要是因?yàn)闅庀笮l(wèi)星的發(fā)展越來(lái)越體現(xiàn)出長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)的重要性，所以遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃應(yīng)該超前于目前世界主要空間大國(guó)已經(jīng)基本確定的空間計(jì)劃，并應(yīng)包括新的衛(wèi)星軌道的使用，可能的新興衛(wèi)星國(guó)家的加盟，以及業(yè)務(wù)衛(wèi)星與科學(xué)技術(shù)先導(dǎo)衛(wèi)星、商業(yè)衛(wèi)星的有機(jī)結(jié)合等等，以便體現(xiàn)出超前性和指導(dǎo)性。同時(shí)，遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃應(yīng)該既體現(xiàn)出雄心勃勃的發(fā)展氣勢(shì)，但又需考慮到技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性。

2　2040年氣象業(yè)務(wù)服務(wù)需求預(yù)測(cè)

聯(lián)合國(guó)關(guān)于 2015 年后可持續(xù)發(fā)展議程綜合報(bào)告中提示的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，WMO最新的發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告（2016—2019年）中提出的全球社會(huì)需求，以及聯(lián)合國(guó)其他相關(guān)組織（如世界衛(wèi)生組織，世界糧農(nóng)組織等）的發(fā)展戰(zhàn)略和相關(guān)報(bào)告，為展望和預(yù)測(cè)2040年氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)發(fā)展的需求提供了重要的參考依據(jù)。

1）氣象服務(wù)于減災(zāi)防災(zāi)。高影響天氣、海洋天氣、氣候和水文事件（風(fēng)暴、洪水、干旱等）可在全球范圍造成災(zāi)難性后果，可導(dǎo)致大量人員傷亡、流離失所和社區(qū)遭到破壞，造成的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)成本是巨大的，僅財(cái)政影響本身就十分可觀(guān)。從WMO發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告提供的1970—2009年期間每十年全球經(jīng)濟(jì)損失總值（圖1），可以看出各類(lèi)氣象水文災(zāi)害造成的每十年經(jīng)濟(jì)損失有明顯增加的趨勢(shì)。在過(guò)去十年間全球每年因自然災(zāi)害帶來(lái)的保險(xiǎn)損失約100億～500億美元。進(jìn)一步提升氣象服務(wù)對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)的貢獻(xiàn)可以更好地體現(xiàn)氣象服務(wù)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。按災(zāi)害類(lèi)別劃分，風(fēng)暴和洪水分別占據(jù)災(zāi)害損失的第一和第二位，且明顯高于其他災(zāi)害造成的損失。隨著氣候變暖造成極端天氣氣候事件頻次進(jìn)一步增加且強(qiáng)度增大的總體趨勢(shì)，這兩個(gè)方面的防災(zāi)減災(zāi)氣象服務(wù)未來(lái)（到2040年）必定仍然是重中之重。

圖1　1970—2009年按災(zāi)害類(lèi)別劃分的每十年全球經(jīng)濟(jì)損失總值，均調(diào)整到2011年的價(jià)值并以10億美元為單位（出處：WMO和CRED，2013年）

2）沿海和大城市氣象服務(wù)。到2040年全球人口將達(dá)到接近90億，其中估計(jì)有7億人生活在極度貧困中；目前全球有50%以上人口生活在城市地區(qū)，而到2040年居住和生活在城市中的人口將達(dá)到70%左右，且更多集中在沿海地區(qū)。這個(gè)趨勢(shì)表明，精細(xì)化的城市和沿海地區(qū)氣象服務(wù)將成為突出的氣象服務(wù)需求。

3）空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)服務(wù)。世界衛(wèi)生組織2014年報(bào)告指出，2012年有700萬(wàn)人由于空氣污染過(guò)早死亡，其中在東南亞的中等和低收入國(guó)家和西太平洋地區(qū)尤其嚴(yán)重，而死于室內(nèi)空氣污染和室外空氣污染的人數(shù)分別為330萬(wàn)和260萬(wàn)人。隨著人們對(duì)于未來(lái)提高生活質(zhì)量的追求，未來(lái)空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)必將成為氣象服務(wù)的重要需求之一。

4）氣象服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)報(bào)告預(yù)測(cè)，2050年將有7.8億人口無(wú)法獲得清潔水；將有13億人缺乏電力供應(yīng)等等。全球氣候服務(wù)框架確定的五個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域（農(nóng)業(yè)、減災(zāi)防災(zāi)、水資源、健康和能源）基本涵蓋了國(guó)家可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的氣候服務(wù)需求，明確了增強(qiáng)和全面改進(jìn)氣候服務(wù)信息的重要性。隨著未來(lái)氣象服務(wù)的質(zhì)量進(jìn)一步提高和范圍的進(jìn)一步拓展，必將為更多的國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)支柱產(chǎn)業(yè)（航空、交通、旅游、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、保險(xiǎn)等）提供更好的增值服務(wù)。

3　2040年主要?dú)庀蠓?wù)領(lǐng)域發(fā)展預(yù)測(cè)及對(duì)氣象衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的需求

3.1用戶(hù)需求增長(zhǎng)的總體趨勢(shì)

目前WMO每個(gè)計(jì)劃對(duì)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展需求的總體趨勢(shì)都是：更高，更快，更準(zhǔn)。更高：希望觀(guān)測(cè)得到更高的空間分辨率和更高的光譜分辨率；更快：進(jìn)一步加快觀(guān)測(cè)頻次和更快地獲取衛(wèi)星觀(guān)測(cè)；更準(zhǔn)：即首先需要進(jìn)一步提高觀(guān)測(cè)精準(zhǔn)度（高精準(zhǔn)度，高信噪比）以滿(mǎn)足氣候和痕量及污染氣體的觀(guān)測(cè)需求。

應(yīng)用于氣候監(jiān)測(cè)和再分析，觀(guān)測(cè)精準(zhǔn)性、連續(xù)性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和完整性需求進(jìn)一步提高，以確保長(zhǎng)期基本氣候變量的觀(guān)測(cè)、變量產(chǎn)品的生成和基本氣候數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)期連續(xù)性。需要在所有在軌衛(wèi)星上都設(shè)置測(cè)量參考標(biāo)準(zhǔn)，以支持業(yè)務(wù)輻射測(cè)量的校準(zhǔn)，進(jìn)而通過(guò)衛(wèi)星間的傳感器互定標(biāo)系統(tǒng)達(dá)到整個(gè)星座測(cè)量的準(zhǔn)確性和高度一致性。需要建立全球定標(biāo)基準(zhǔn)衛(wèi)星，并要求參考標(biāo)準(zhǔn)的精度儀器應(yīng)覆蓋空間對(duì)地觀(guān)測(cè)所使用的全部光譜波段。

3.2天氣領(lǐng)域

3.2.1數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

1）服務(wù)需求及發(fā)展前景預(yù)測(cè)

先進(jìn)的全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）模式可輸出長(zhǎng)達(dá)15d的中期天氣預(yù)報(bào)，水平分辨率達(dá)到15～50km，垂直分辨率在地球表面附近達(dá)10～30m，在平流層為500～1000m左右。目前利用NWP的輸出預(yù)測(cè)極端天氣和氣候事件的成功率在逐步提高?；诩项A(yù)報(bào)的統(tǒng)計(jì)方法也越來(lái)越多地用于較長(zhǎng)期的天氣預(yù)報(bào)。這種集合預(yù)報(bào)需要對(duì)NWP中所有輸入資料的不確定性有很好的了解。

參考美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）地球科學(xué)展望報(bào)告和其他相關(guān)報(bào)告，預(yù)測(cè)2040年的NWP的一些需求指標(biāo)如下：

? 7～10d的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上；

? 可以常規(guī)發(fā)布7d的降水預(yù)報(bào)；

? 常規(guī)發(fā)布7d的區(qū)域強(qiáng)局地風(fēng)暴預(yù)報(bào)，具有中等到較高的準(zhǔn)確度；

? 提前4d預(yù)報(bào)洪水；

? 3d臺(tái)風(fēng)（颶風(fēng)）路徑預(yù)報(bào)精度達(dá)到75海里，2d臺(tái)風(fēng)（颶風(fēng)）強(qiáng)度預(yù)報(bào)精度（以風(fēng)速為指標(biāo)）達(dá)到9節(jié)（海里/小時(shí)）；

? 可以開(kāi)展7/10d的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。

為滿(mǎn)足精細(xì)化氣象服務(wù)需求（大城市、沿海地區(qū)等），到2040年左右，全球NWP單模式的分辨率需要達(dá)到1km，集合預(yù)報(bào)模式分辨率需要達(dá)到5km，200個(gè)層次和100個(gè)診斷變量，非靜力和完全耦合模式、區(qū)域模式的分辨率甚至可以達(dá)到100m。

2）對(duì)于衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的需求

NWP的準(zhǔn)確度很大程度上取決于如何準(zhǔn)確完整地估計(jì)大氣的初始狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)上述2040年需求指標(biāo)，期望2040年氣象衛(wèi)星可以為全球NWP提供的關(guān)鍵大氣變量是（按重要性排序）：

? 衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的三維大氣風(fēng)場(chǎng)（從近地面層到平流層所有層面）和二維的地表氣壓場(chǎng)；

? 具有足夠垂直分辨率的三維大氣溫度和濕度分布（在對(duì)流層低層和多云的地區(qū)更重要）；

? 基于衛(wèi)星的降水估計(jì)和云參數(shù)；

? 海洋上層（0～500m）溫度和土壤濕度（對(duì)中期預(yù)報(bào)的后沿，即10～15d的預(yù)報(bào)更加重要）；

? 海冰和雪水當(dāng)量；

? 氣溶膠和痕量氣體。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)能夠有效地利用全球地面常規(guī)同步觀(guān)測(cè)和非同步（任意時(shí)間）觀(guān)測(cè)這兩種數(shù)據(jù)。常規(guī)觀(guān)測(cè)水平分辨率和覆蓋范圍有很大限制，但卻具有高精確度和高垂直分辨率的優(yōu)勢(shì)，由于是直接測(cè)量所需的模型變量（溫度、濕度、風(fēng)等），所以觀(guān)測(cè)容易直接使用；衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)是遙感觀(guān)測(cè)，提供了非常良好的水平分辨率和全球覆蓋范圍，但是垂直分辨率不高，觀(guān)測(cè)的是非模式直接變量，需要一種較為復(fù)雜的正演模式將其轉(zhuǎn)化為模式變量。四維變分同化使得我們可以從觀(guān)測(cè)的時(shí)間序列和高頻次觀(guān)測(cè)中（例如每小時(shí)觀(guān)測(cè)）獲得更多的大氣動(dòng)態(tài)信息。

3.2.2臨近預(yù)報(bào)和短期天氣預(yù)報(bào)

1）服務(wù)需求及發(fā)展前景預(yù)測(cè)

一些與天氣有關(guān)的決策需要具有較高的空間和時(shí)間分辨率（高達(dá)1km，幾分鐘）的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。臨近預(yù)報(bào)通常指未來(lái)0～2h，而超短期預(yù)報(bào)指2～12h。盡管人們追求“無(wú)縫隙”預(yù)報(bào)系統(tǒng)，但是應(yīng)該指出的是，這些不同時(shí)段的預(yù)報(bào)對(duì)觀(guān)測(cè)資料的需求有很大不同。傳統(tǒng)上，臨近預(yù)報(bào)技術(shù)主要是根據(jù)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)采用觀(guān)測(cè)外推法，現(xiàn)在正在發(fā)展的高分辨率區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，且越來(lái)越有效地指導(dǎo)超短期預(yù)報(bào)。2040年臨近和短期天氣預(yù)報(bào)的服務(wù)需求指標(biāo)預(yù)測(cè)如下：

? 提前6～12h有效地預(yù)報(bào)雷暴的發(fā)生區(qū)域（對(duì)流擾動(dòng)）；

? 實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的強(qiáng)度和路徑變化；

? 提前60分鐘預(yù)報(bào)龍卷風(fēng)；

? 對(duì)局地災(zāi)害性事件（森林火災(zāi)、火山爆發(fā)、局地暴風(fēng)雪、空氣污染、化學(xué)或放射性事故等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

主要發(fā)達(dá)國(guó)家依賴(lài)其成熟完善的天氣雷達(dá)網(wǎng)和高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式的結(jié)合建成具有先進(jìn)水平的臨近預(yù)報(bào)和超短期天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)。在沒(méi)有成熟雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中國(guó)家和不發(fā)達(dá)國(guó)家，預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展的條件受限。所以WMO鼓勵(lì)發(fā)展中國(guó)家發(fā)展基于衛(wèi)星資料和數(shù)值預(yù)報(bào)的“低成本”臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

2）對(duì)于衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的需求

以觀(guān)測(cè)外推技術(shù)為主的臨近預(yù)報(bào)和超短期天氣預(yù)報(bào)，除了和NWP需求相同的氣象變量觀(guān)測(cè)（例如云和降水、三維風(fēng)場(chǎng)、三維濕度和溫度場(chǎng)等）以外，還需要多一些關(guān)鍵大氣變量（如臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及環(huán)境場(chǎng)）和地表變量（如氣壓、風(fēng)、能見(jiàn)度和污染天氣狀況、短波輻射、雷電、沙塵暴和火山爆發(fā)監(jiān)測(cè)）。指導(dǎo)臨近預(yù)報(bào)和超短期天氣預(yù)報(bào)用的高分辨率區(qū)域模式則需要更高空間分辨率的衛(wèi)星觀(guān)測(cè)和更高的觀(guān)測(cè)頻次，以滿(mǎn)足高分辨率模式快速更新循環(huán)同化的需要。

未來(lái)衛(wèi)星觀(guān)測(cè)支持臨近預(yù)報(bào)和超短期天氣預(yù)報(bào)的觀(guān)測(cè)重點(diǎn)的發(fā)展方向?yàn)椋?）靜止軌道衛(wèi)星的多通道成像快速區(qū)域掃描觀(guān)測(cè)，需要的快速成像頻次在分鐘的量級(jí)上，空間分辨率在百米的量級(jí)上，通道應(yīng)該在20個(gè)以上，這種能力的提高可以有效識(shí)別各種天氣和地表災(zāi)害現(xiàn)象（洪澇、火災(zāi)、滑坡泥石流等）。隨著全球下一代靜止氣象衛(wèi)星在未來(lái)5年相繼投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，其觀(guān)測(cè)能力已經(jīng)比較接近上述目標(biāo)，但是完全實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)可能需要期待更下一代靜止衛(wèi)星的發(fā)展。2）雷電觀(guān)測(cè)。過(guò)去的一些低地球軌道試驗(yàn)衛(wèi)星已經(jīng)證實(shí)了衛(wèi)星載荷監(jiān)測(cè)地面雷電現(xiàn)象的有效性。但是到目前為止，尚未實(shí)現(xiàn)地球靜止軌道衛(wèi)星對(duì)于雷電現(xiàn)象的觀(guān)測(cè)。目前一些空間大國(guó)即將發(fā)射的氣象衛(wèi)星（例如中國(guó)風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星，美國(guó)GOES-R衛(wèi)星和歐洲的第三代靜止氣象衛(wèi)星MTG）都載有閃電成像儀器，空間觀(guān)測(cè)雷電的時(shí)代馬上就要到來(lái)。但是其探測(cè)精度和準(zhǔn)確度、覆蓋范圍、時(shí)效和應(yīng)用有效性需要經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用得到證實(shí)，儀器也需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化才能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。3）攻克對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和強(qiáng)對(duì)流降水系統(tǒng)的直接觀(guān)測(cè)和預(yù)報(bào)的挑戰(zhàn)。目前對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的直接觀(guān)測(cè)和預(yù)報(bào)進(jìn)展緩慢，主要原因是目前從靜止氣象衛(wèi)星軌道上只能進(jìn)行紅外大氣探測(cè)和紅外可見(jiàn)光成像觀(guān)測(cè)，因而只能觀(guān)測(cè)云頂信息，并不能透過(guò)云頂實(shí)現(xiàn)對(duì)降水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的觀(guān)測(cè)。極軌氣象衛(wèi)星雖然具有微波垂直探測(cè)和成像觀(guān)測(cè)能力，但是無(wú)論是覆蓋范圍和觀(guān)測(cè)頻次都不能滿(mǎn)足直接監(jiān)測(cè)的需求。

由于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和強(qiáng)對(duì)流降水造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)和提供預(yù)測(cè)所需重要數(shù)據(jù)仍是未來(lái)衛(wèi)星觀(guān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的首要任務(wù)。未來(lái)可能的解決方案包括：1）實(shí)現(xiàn)極軌小衛(wèi)星群的微波組網(wǎng)觀(guān)測(cè)。如果最低要求達(dá)到每小時(shí)一次觀(guān)測(cè)的話(huà)，則需要均勻分布在極地太陽(yáng)同步軌道平面上有12顆衛(wèi)星。如果和未來(lái)業(yè)務(wù)化的低傾角降水測(cè)量衛(wèi)星星座結(jié)合，則可以大大提高觀(guān)測(cè)頻次，但是需要充分協(xié)調(diào)和加強(qiáng)國(guó)際合作才能完成。2）開(kāi)展靜止氣象衛(wèi)星軌道微波探測(cè)試驗(yàn)和業(yè)務(wù)運(yùn)行。由于靜止氣象衛(wèi)星的軌道高度是極軌（或低地球軌道）衛(wèi)星的約40倍，如果期望達(dá)到接近極軌的觀(guān)測(cè)需求和技術(shù)性能的話(huà)，其技術(shù)難度具有很大挑戰(zhàn)性。WMO大力鼓勵(lì)在靜止氣象衛(wèi)星軌道高度上開(kāi)展高頻微波的重點(diǎn)區(qū)域探測(cè)，其技術(shù)前景可行，應(yīng)用潛力巨大。更長(zhǎng)遠(yuǎn)的預(yù)期也可能是兩種體系的結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，與目前靜止/極軌衛(wèi)星上的可見(jiàn)光紅外成像和垂直探測(cè)體系互補(bǔ)的方式相類(lèi)似。

3.3氣候領(lǐng)域

3.3.1短期氣候預(yù)測(cè)和氣候服務(wù)

1）服務(wù)需求及發(fā)展前景預(yù)測(cè)

季節(jié)和年際氣候預(yù)測(cè)的物理基礎(chǔ)在于氣候的緩慢變化，例如海洋和陸地表面（包括冰凍圈部分）。其中利用大氣和海洋的耦合模式開(kāi)展的ENSO和北大西洋濤動(dòng)（NAO）的周期預(yù)測(cè)是目前最具有可預(yù)測(cè)性的季節(jié)性時(shí)間尺度相關(guān)的現(xiàn)象。

WMO發(fā)起的第三次世界氣候大會(huì)（2009 年8 月31 日—9 月4 日）呼吁制定全球氣候服務(wù)框架（GFCS），2012年WMO特別屆會(huì)通過(guò)了GFCS的實(shí)施計(jì)劃方案。方案包括了觀(guān)測(cè)監(jiān)測(cè)、模式發(fā)展、氣候信息系統(tǒng)和氣候服務(wù)界面等分系統(tǒng)。最終使氣候服務(wù)在許多社會(huì)經(jīng)濟(jì)和氣候敏感部門(mén)應(yīng)用產(chǎn)生服務(wù)效益。目前，全球氣候服務(wù)框架提出了五個(gè)重點(diǎn)服務(wù)領(lǐng)域，包括氣候?yàn)檗r(nóng)業(yè)和糧食安全服務(wù)、減災(zāi)防災(zāi)、水資源、健康和能源，并提出了兩年、六年和十年的預(yù)期目標(biāo)?？梢灶A(yù)期，到2040年GFCS的業(yè)務(wù)化運(yùn)行必將成為WMO的全球業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)的重點(diǎn)之一（表1）。

表1　國(guó)際文獻(xiàn)提出的2040年短期氣候預(yù)測(cè)目標(biāo)

2）對(duì)于衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的需求

對(duì)于氣候模式的觀(guān)測(cè)需求來(lái)說(shuō)，海洋和大氣海洋耦合模式的初始化使用了包括大氣和海洋的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。在氣候模式初始場(chǎng)數(shù)據(jù)的同化方法上，各業(yè)務(wù)中心采用的方法有很大差別。有些簡(jiǎn)單的模式僅僅同化大氣風(fēng)場(chǎng)的信息，而更復(fù)雜的模式則同化了地球下表面（土壤溫度）的信息和從衛(wèi)星觀(guān)測(cè)反演出的地形地貌和地球表面溫度的數(shù)據(jù)。對(duì)不同濤動(dòng)的預(yù)測(cè)所需的主要觀(guān)測(cè)變量也可能是不同的。如何進(jìn)一步發(fā)展耦合模式的同化技術(shù)，以便能夠最佳地使用觀(guān)測(cè)來(lái)改進(jìn)模式的初始化場(chǎng)仍然是耦合模式發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。

GFCS所確定的五個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)τ谟^(guān)測(cè)的需求尚在論證的初步階段。盡管全球氣候觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（GCOS）所確定的大部分基本氣候變量（ECV）和用于短期氣候預(yù)測(cè)的觀(guān)測(cè)都可以用于氣候監(jiān)測(cè)和服務(wù)，但是針對(duì)GFCS上述五個(gè)重點(diǎn)服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)服務(wù)，還應(yīng)該明確提出有針對(duì)性的觀(guān)測(cè)需求，并且在監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)產(chǎn)品的精度及時(shí)效要求方面提出明確的要求。短期氣候預(yù)測(cè)模式仍然是各類(lèi)氣候服務(wù)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)平臺(tái)。目前季節(jié)預(yù)報(bào)模式初始化主要使用的是大氣和海洋表面溫度的觀(guān)測(cè)。對(duì)于先進(jìn)的耦合模式的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)發(fā)展，下列數(shù)據(jù)是重要的：

? 海洋參數(shù)：海洋表面和下表面溫度，海洋鹽度，海冰（包括海冰覆蓋面積和海冰厚度）；

? 地表參數(shù)：土壤濕度，雪覆蓋面積和雪水當(dāng)量等；

? 大氣和太陽(yáng)：平流層狀態(tài)，太陽(yáng)光譜輻照度。

而對(duì)于十年期的氣候預(yù)測(cè)模式初始化來(lái)說(shuō)，海洋和大氣的再分析場(chǎng)是模式初始化的主要信息源，且用于后期驗(yàn)證。十年氣候預(yù)測(cè)的關(guān)鍵觀(guān)測(cè)需求為：上層海洋溫度和鹽度（從表面到海洋表面下500m），海流，平流層狀態(tài)，海冰厚度，太陽(yáng)光譜輻照度，土壤濕度和雪蓋等。

目前尚不能從衛(wèi)星上直接觀(guān)測(cè)的變量為：

? 海洋表面以下的溫度，鹽度和海洋洋流（目前主要依靠海洋浮標(biāo)等就地觀(guān)測(cè)，空間分辨率和全球覆蓋不能滿(mǎn)足要求）；

? 海冰厚度和積雪厚度；

? 土壤濕度（盡管已經(jīng)有了很大進(jìn)展，土壤濕度仍處在試驗(yàn)觀(guān)測(cè)階段）；

以上這些短期氣候預(yù)測(cè)所需要的重要變量，有待于2040年前新的遙感技術(shù)的出現(xiàn)，并在2040年前后達(dá)到可以實(shí)用的觀(guān)測(cè)效果。

3.3.2氣候系統(tǒng)觀(guān)測(cè)與監(jiān)測(cè)

1）服務(wù)需求及發(fā)展前景預(yù)測(cè)

氣候系統(tǒng)由大氣、海洋、陸地表面、冰雪覆蓋層和生物圈等五個(gè)部分組成，以各種方式影響著地球上的人類(lèi)活動(dòng)，包括水的供應(yīng)、糧食生產(chǎn)、大氣空氣質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)健康，甚至人類(lèi)遷徙。隨著2040年預(yù)計(jì)人口達(dá)到90個(gè)億，對(duì)于地球資源（水、糧食和能源等）的需求相應(yīng)增加，全球變暖也不斷改變著地球氣候系統(tǒng)之間的聯(lián)系，使得對(duì)于地球氣候和環(huán)境的預(yù)測(cè)的不確定性增加，地球系統(tǒng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)變得越來(lái)越重要。在到2040年的未來(lái)二十多年中，我們必須超越目前的主要著眼于對(duì)地球系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行研究的基本立足點(diǎn)，把視點(diǎn)提升到將地球氣候作為一個(gè)整體系統(tǒng)（結(jié)合大氣、海洋、生物圈和固體地球）開(kāi)展綜合觀(guān)測(cè)和模擬，以便達(dá)到能夠準(zhǔn)確和定量地預(yù)測(cè)地球氣候系統(tǒng)的能力。這些預(yù)測(cè)能力將實(shí)現(xiàn)知情決策水平，進(jìn)而提高生活質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展以及全球社會(huì)穩(wěn)定。對(duì)于WIGOS的2040年發(fā)展的遠(yuǎn)景規(guī)劃來(lái)說(shuō)，觀(guān)測(cè)整個(gè)地球氣候系統(tǒng)是關(guān)鍵發(fā)展方向和難點(diǎn)?？傮w目標(biāo)如下：

? 觀(guān)測(cè)整個(gè)地球氣候系統(tǒng)，以能夠從氣候各個(gè)組成部分的變化追蹤到對(duì)整個(gè)氣候系統(tǒng)的影響；

? 模擬整個(gè)地球氣候系統(tǒng)及其所有分系統(tǒng)（組成部分），使得氣候系統(tǒng)的任何分系統(tǒng)的變化可以預(yù)測(cè)；

? 不斷地改進(jìn)對(duì)于整個(gè)地球氣候系統(tǒng)行為及其動(dòng)態(tài)演變的描述，使其能夠更好地符合對(duì)于地球氣候系統(tǒng)的觀(guān)測(cè)；

? 實(shí)現(xiàn)對(duì)地球氣候系統(tǒng)的有效預(yù)測(cè)（包括對(duì)于預(yù)測(cè)的不確定描述），對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)各有關(guān)方面的決策提供有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的支持和服務(wù)。

2）對(duì)于衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的需求

為響應(yīng)第十六次世界氣象大會(huì)關(guān)于“建立從空間監(jiān)測(cè)氣候架構(gòu)”的決議，由WMO、地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星委員會(huì)（CEOS）和氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織（CGMS）組成的特別工作組編寫(xiě)了一個(gè)關(guān)于“建立從空間氣候監(jiān)測(cè)架構(gòu)戰(zhàn)略”的報(bào)告，指出從衛(wèi)星觀(guān)測(cè)和監(jiān)測(cè)氣候系統(tǒng)存在巨大挑戰(zhàn)， 目前觀(guān)測(cè)的主要不足如下：

? 目前的許多用于監(jiān)測(cè)氣候系統(tǒng)的衛(wèi)星觀(guān)測(cè)儀器本來(lái)并不是針對(duì)監(jiān)測(cè)氣候所設(shè)計(jì)的，其觀(guān)測(cè)精度和穩(wěn)定性和同樣儀器在不同衛(wèi)星上的接續(xù)性和一致性都難以達(dá)到氣候系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的要求；

? 目前大部分氣象衛(wèi)星序列沒(méi)有計(jì)劃確保連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)到氣候監(jiān)測(cè)所需要的時(shí)間序列，也沒(méi)有在某個(gè)重要?dú)夂蜃兞坑^(guān)測(cè)儀器失效情況下的專(zhuān)門(mén)針對(duì)氣候監(jiān)測(cè)目的衛(wèi)星應(yīng)急計(jì)劃（即衛(wèi)星系統(tǒng)之間的相互備份支持計(jì)劃）；

? 數(shù)據(jù)共享政策盡管最近已經(jīng)取得很大的進(jìn)步，但是和天氣觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，對(duì)于氣候數(shù)據(jù)共享的重要性認(rèn)識(shí)，和實(shí)現(xiàn)氣候數(shù)據(jù)交換的業(yè)務(wù)化尚未實(shí)現(xiàn)，需要更大努力；

? 氣候監(jiān)測(cè)需要加強(qiáng)建立包括終端到終端的氣候信息系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)存歸檔、處理發(fā)掘，到再加工和氣候數(shù)據(jù)記錄生產(chǎn)準(zhǔn)入等管理工作所需的系統(tǒng)建設(shè)。

遠(yuǎn)景規(guī)劃提出了一個(gè)從空間監(jiān)測(cè)氣候的一個(gè)邏輯架構(gòu)，即需要一個(gè)由業(yè)務(wù)和研發(fā)衛(wèi)星加上特殊任務(wù)衛(wèi)星相結(jié)合的星座，該星座應(yīng)該在觀(guān)測(cè)氣候系統(tǒng)能力，觀(guān)測(cè)精度和持續(xù)性方面明顯超出目前的觀(guān)測(cè)能力，要承諾執(zhí)行長(zhǎng)期和持續(xù)的氣候觀(guān)測(cè)，并保持廣泛的和開(kāi)放的數(shù)據(jù)共享政策和應(yīng)急計(jì)劃。進(jìn)一步的計(jì)劃是，在全面評(píng)估觀(guān)測(cè)需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合各國(guó)衛(wèi)星長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，制定和設(shè)計(jì)一個(gè)“從空間監(jiān)測(cè)氣候架構(gòu)”的物理體系結(jié)構(gòu)并制定出清晰的發(fā)展路線(xiàn)圖，作為遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃的一個(gè)重要組成部分，以便WMO協(xié)調(diào)和幫助衛(wèi)星擁有國(guó)和有關(guān)單位實(shí)施和運(yùn)行。

3.4大氣成分和空氣質(zhì)量觀(guān)測(cè)

3.4.1服務(wù)需求和發(fā)展前景預(yù)測(cè)

第十七屆世界氣象大會(huì)通過(guò)了第46號(hào)決議案，要求WMO的所有會(huì)員國(guó)支持建立全球綜合溫室氣體信息系統(tǒng)（IG3IS）實(shí)施計(jì)劃，主要內(nèi)容包括：1）支持進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展全球溫室氣體溫室氣體（二氧化碳、甲烷等）、氣溶膠、臭氧和氧化亞氮監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；2）按照全球大氣監(jiān)測(cè)（GAW）計(jì)劃的質(zhì)量保證原則，開(kāi)展溫室氣體的觀(guān)測(cè)；3）在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)確保及時(shí)提交觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)以及元數(shù)據(jù)到WMO的專(zhuān)用數(shù)據(jù)和信息中心，元數(shù)據(jù)應(yīng)該納入統(tǒng)一WMO全球綜合觀(guān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。目前IG3IS實(shí)施計(jì)劃正在編寫(xiě)中，但是計(jì)劃的實(shí)施需要更多年的努力。

剛剛通過(guò)的聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約巴黎大會(huì)（2015年）協(xié)議，顯示了世界各國(guó)政府更主動(dòng)地參與努力限制和減少大氣中溫室氣體排放的決心。但如何客觀(guān)定量地監(jiān)測(cè)全球二氧化碳在不同地區(qū)的排放仍是一個(gè)懸而未決的事情。期望全球綜合溫室氣體信息系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的基于科學(xué)觀(guān)測(cè)和分析的重要觀(guān)測(cè)與信息系統(tǒng)，用于獨(dú)立量化自然和人為的溫室氣體源和匯，提供可操作的信息，以幫助會(huì)員在增強(qiáng)的時(shí)空尺度上了解和管理溫室氣體收支，并可為會(huì)員提供相關(guān)政策方面可付諸于行動(dòng)的信息。全球氣候服務(wù)框架的“健康”主題包括了對(duì)于空氣質(zhì)量服務(wù)的需求。

3.4.2對(duì)于衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的需求

目前全球大氣成分和空氣質(zhì)量觀(guān)測(cè)的主要不足如下：

? 實(shí)地觀(guān)測(cè)站網(wǎng)的密度（包括陸地，海洋和自由大氣中）遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，從衛(wèi)星平臺(tái)上觀(guān)測(cè)溫室和污染氣體尚處在探索和初步發(fā)展階段；

? 不同尺度的觀(guān)測(cè)（如全球和區(qū)域觀(guān)測(cè)）和在不同介質(zhì)中的觀(guān)測(cè)（如在大氣中觀(guān)測(cè)與二氧化碳分壓觀(guān)察室中觀(guān)測(cè)）之間的不兼容性；

? 在全球/區(qū)域和局地尺度的傳輸模型中，模式的復(fù)雜性和性能都不足。

以上的主要不足，使得無(wú)法充分地觀(guān)測(cè)到二氧化碳和甲烷的空間和時(shí)間分布，僅僅利用目前有限的幾個(gè)地面觀(guān)測(cè)站的觀(guān)測(cè)導(dǎo)致了全球分析的很大不確定性，嚴(yán)重地制約了對(duì)于全球碳循環(huán)的認(rèn)知能力和對(duì)未來(lái)的氣候監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)能力。衛(wèi)星將是測(cè)量全球二氧化碳和甲烷的時(shí)空分布的最有希望的技術(shù)手段之一，有望改善對(duì)于這些氣體的源和匯估計(jì)的準(zhǔn)確度。

衛(wèi)星觀(guān)測(cè)溫室和污染氣體尚在初步發(fā)展階段。在過(guò)去的二十年間，試驗(yàn)了兩種探測(cè)溫室氣體（CO2和CH4）的衛(wèi)星儀器。第一種是熱紅外（TIR）高光譜探測(cè)儀，利用溫室氣體對(duì)于紅外通道輻射的吸收原理來(lái)探測(cè)溫室氣體的濃度分布，其代表儀器是裝載于美國(guó)地球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（EOS）上的大氣紅外探測(cè)器（AIRS），AIRS采用尖端的紅外分光光譜儀技術(shù)，有2378光譜通道，比以往的紅外探測(cè)器的光譜分辨率高100倍以上，可以測(cè)量溫室氣體和其他一些氣體（如臭氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和二氧化硫等）。第一顆衛(wèi)星于2002年5月發(fā)射成功，生成了月平均的全球一氧化碳、二氧化碳和甲烷分布圖。發(fā)現(xiàn)的主要問(wèn)題是，該儀器對(duì)于二氧化碳和甲烷吸收靈敏度的峰值在中對(duì)流層（400hPa水平）。因此，所觀(guān)測(cè)到的氣體濃度的全球平均值分布與地面氣體排放的位置無(wú)法對(duì)應(yīng)。

第二類(lèi)型衛(wèi)星儀器是利用短波紅外（SWIR）觀(guān)測(cè)，其原理是用來(lái)測(cè)量在0.76、1.6和2.0μm由二氧化碳和分子氧所反射的太陽(yáng)光，達(dá)到測(cè)量大氣溫室氣體的目的。典型代表儀器是裝載于歐洲環(huán)境衛(wèi)星（ENVISAT）上的掃描成像吸收光譜大氣繪圖儀（SCIAMACHY）。與熱紅外觀(guān)測(cè)溫室氣體技術(shù)相比，短波紅外觀(guān)測(cè)到的溫室氣體的豐度敏感區(qū)位于地球表面附近。由于CO2和CH4的源和匯主要來(lái)源在地表附近，所以短波紅外比長(zhǎng)波紅外技術(shù)更適合用于溫室氣體的觀(guān)測(cè)。但是SCIAMACHY觀(guān)測(cè)和反演的精度（對(duì)于碳通量）不能達(dá)到精度（1%～2%）和準(zhǔn)確度（－1.5%）的要求。

近期又有兩個(gè)專(zhuān)門(mén)用于溫室氣體觀(guān)測(cè)的衛(wèi)星成功發(fā)射。一個(gè)是日本于2009年1月發(fā)射的溫室氣體觀(guān)測(cè)衛(wèi)星（GOSAT），它配有兩臺(tái)儀器：熱紅外和近紅外傳感器碳觀(guān)測(cè)傅里葉變換光譜儀（TANSO-FTS）和云與氣溶膠成像儀（TANSO-CAI）。TANSO-FTS執(zhí)行從短波紅外到熱紅外的高光譜分辨率的測(cè)量（0.758～14.3μm），用于彌補(bǔ)僅僅長(zhǎng)波紅外觀(guān)測(cè)的不足。另外一個(gè)是美國(guó)研制的在軌二氧化碳觀(guān)測(cè)臺(tái)（OCO）。其中第一顆衛(wèi)星2009年發(fā)射失敗，第二顆衛(wèi)星于2012年7月16日發(fā)射成功。衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命兩年，16天重復(fù)觀(guān)測(cè)周期。盡管宣稱(chēng)這兩顆衛(wèi)星的載荷儀器都比第一代衛(wèi)星儀器（AIRS和SCIAMACHY）有很大提高，但是數(shù)據(jù)處理顯示儀器噪聲還是影響產(chǎn)品精度的主要原因。當(dāng)然，如何提高空間分辨率以避免云和水汽的干擾，同時(shí)又不降低觀(guān)測(cè)的精度要求，仍然是未來(lái)此類(lèi)儀器發(fā)展的挑戰(zhàn)。

從21世紀(jì)初開(kāi)始，由于空氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重地影響人們的生活，為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污染氣體的需求，一些航天機(jī)構(gòu)開(kāi)展了從衛(wèi)星上監(jiān)測(cè)大氣污染和空氣質(zhì)量的試驗(yàn)計(jì)劃，包括計(jì)劃于2018年發(fā)射的美國(guó)對(duì)流層排放和大氣污染監(jiān)測(cè)（TEMPO），計(jì)劃于2018年發(fā)射的韓國(guó)靜止衛(wèi)星平臺(tái)地球環(huán)境監(jiān)測(cè)成像光譜儀（GEMS）。計(jì)劃搭載于歐洲第三代靜止氣象衛(wèi)星上的歐洲哨兵4號(hào)（Sentinel-4）的紫外—可見(jiàn)光—近紅外探測(cè)光譜儀。這些衛(wèi)星儀器主要采用紫外和可見(jiàn)光近紅外高光譜探測(cè)技術(shù)，空間分辨率可以達(dá)到7～8km，可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)一次對(duì)于固定區(qū)域的觀(guān)測(cè)。相信到2040年此類(lèi)技術(shù)和儀器可以完全達(dá)到業(yè)務(wù)化的要求。

4　2040年空間技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求的可能性展望

4.12040年WIGOS 空間系統(tǒng)遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃的基本思路

綜合上述不同領(lǐng)域的需求，WMO召開(kāi)了2040年WIGOS 空間系統(tǒng)發(fā)展研討會(huì)，在WMO基本系統(tǒng)委員會(huì)衛(wèi)星專(zhuān)家組提出的建議的基礎(chǔ)上，提出了2040年WMO全球綜合觀(guān)測(cè)系統(tǒng)空間遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃如下的4層體系結(jié)構(gòu)。

4.1.1布局明確的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星系統(tǒng)

這個(gè)骨干系統(tǒng)，具有確定的全球軌道布局和儀器配置，觀(guān)測(cè)技術(shù)明確，被定義為最基本和最底線(xiàn)的業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)。它是建立在WMO會(huì)員國(guó)衛(wèi)星操作者莊重承諾的基礎(chǔ)上，也是當(dāng)前CGMS每個(gè)成員國(guó)的目前業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷補(bǔ)充完善和發(fā)展演進(jìn)到2040年的主要格局，是WMO衛(wèi)星計(jì)劃所協(xié)調(diào)和規(guī)劃的未來(lái)的骨干系統(tǒng)的集合。這個(gè)主干系統(tǒng)將得到各國(guó)政府的嚴(yán)格承諾和經(jīng)費(fèi)保證，以確保獲取WMO成員國(guó)和計(jì)劃所需要的“基本數(shù)據(jù)”，并確保此骨干衛(wèi)星觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。到2040年此骨干衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)該比目前的業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)有很大的改進(jìn)和增強(qiáng)，主要應(yīng)包括：

? 地球靜止軌道圈：提供常規(guī)多光譜可見(jiàn)光/紅外成像，紅外超光譜大氣垂直探測(cè)，紫外/可見(jiàn)/近紅外垂直探測(cè)（大氣成分和大氣污染監(jiān)測(cè)），閃電成像。

? 地球低軌道太陽(yáng)同步軌道平面：在3個(gè)軌道平面（清晨/上午/下午）核心星座上攜帶高光譜紅外垂直探測(cè)儀，可見(jiàn)光/紅外成像儀（包括晝/夜微光成像），微波成像儀，微波垂直探測(cè)器，散射計(jì)等。在此基礎(chǔ)上再增加空間和時(shí)間均勻配置的另外三個(gè)太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，且這三顆衛(wèi)星上特別強(qiáng)調(diào)要攜帶微波成像儀和探測(cè)器（其他儀器配置可以有靈活性），和三個(gè)核心軌道星座形成最佳配置以實(shí)現(xiàn)全球降水、臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)，同時(shí)提高整個(gè)極軌星座的可靠性和改進(jìn)時(shí)間采樣頻次。

? 寬幅帶雷達(dá)高度計(jì)：可以是專(zhuān)門(mén)衛(wèi)星計(jì)劃，也可以搭載在其他低地球軌道衛(wèi)星上，實(shí)現(xiàn)海洋全覆蓋的高精度海面高度觀(guān)測(cè)。

? 全球降水測(cè)量雷達(dá)：由降水測(cè)量雷達(dá)、云雷達(dá)、微波探測(cè)儀和成像儀組成的傾斜軌道（地球低軌道）星座。

? 紅外雙視角成像儀：用于高精度海面溫度觀(guān)測(cè)。

? 低頻微波成像：在6.7GHz的微波圖像（用于全天候海面溫度觀(guān)測(cè)）和低頻微波成像（主要用于土壤濕度和海洋鹽度觀(guān)測(cè)）。

? 微波跨軌道垂直探測(cè)：主要用于獲取平流層和中間層大氣溫度廓線(xiàn)。

? 紫外/可見(jiàn)/近紅外探測(cè)儀進(jìn)行星下點(diǎn)和臨邊探測(cè)：主要用于大氣成分觀(guān)測(cè)。

? 絕對(duì)校準(zhǔn)的寬帶輻射計(jì)和太陽(yáng)總輻照度（TSI）和太陽(yáng)分光輻照度（SSI）輻射計(jì)：主要用于監(jiān)測(cè)太陽(yáng)輻照度變化和地球大氣輻射收支測(cè)量。

? 無(wú)線(xiàn)電掩星探測(cè)：完全融入骨干星座，用于溫度廓線(xiàn)、濕度廓線(xiàn)和電子密度廓線(xiàn)探測(cè)。

? 高分辨率的多光譜可見(jiàn)光/紅外成像儀：主要用于海色、土地利用、植被和洪水監(jiān)測(cè)。

? 合成孔徑雷達(dá)圖像：用于海況和海冰、土壤濕度觀(guān)測(cè)等。

? 重力測(cè)量任務(wù)：主要觀(guān)測(cè)地下水、海洋參數(shù)等。

? 空間天氣觀(guān)測(cè)：在拉格朗日點(diǎn)（L1）包括太陽(yáng)日冕儀和無(wú)線(xiàn)電光譜儀，太陽(yáng)風(fēng)原位等離子體和高能粒子和磁場(chǎng)觀(guān)測(cè)。

? 空間天氣觀(guān)測(cè)儀器包：搭載于靜止衛(wèi)星軌道（GEO）和地球低軌道（LEO）的測(cè)量等離子體、高能粒子和地球磁場(chǎng)的儀器。

? 在軌儀器定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)：包括紫外、可見(jiàn)/近紅外、熱紅外、微波絕對(duì)校準(zhǔn)測(cè)量參考標(biāo)準(zhǔn)儀器，用于全球衛(wèi)星定標(biāo)和互定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

4.1.2開(kāi)放包容的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星觀(guān)測(cè)支撐系統(tǒng)

這個(gè)系統(tǒng)是布局明確的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的重要支撐，也是為了提供必須的“基本數(shù)據(jù)”，但是卻以一種更加開(kāi)放的方式來(lái)定義和接納它。包括并不預(yù)先確定采用什么觀(guān)測(cè)技術(shù)和使用什么軌道配置，具有靈活性，有利于計(jì)劃實(shí)施，以便及時(shí)地囊括最新技術(shù)使其融入到骨干系統(tǒng)中，達(dá)到進(jìn)一步的系統(tǒng)優(yōu)化，包括：

? 地面風(fēng)和海況觀(guān)測(cè)：例如通過(guò)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射任務(wù)、被動(dòng)微波、合成孔徑雷達(dá)；

? 通過(guò)紫外—可見(jiàn)光—近紅外（UV-VIS-NIR）和微波的平流層/中間層臨邊探測(cè)器；

? 激光雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)和氣溶膠廓線(xiàn)（利用多普勒和雙/三頻后向散射效應(yīng)）；

? 激光雷達(dá)（DIAL）探測(cè)大氣水汽廓線(xiàn)；

? 激光雷達(dá)測(cè)量海冰厚度；

? 亞毫米成像探測(cè)云相位；

? 近紅外成像觀(guān)測(cè)二氧化碳和和甲烷等；

? 多角度、多極化輻射計(jì)探測(cè)氣溶膠和輻射收支；

? 高空間分辨率陸地或海洋觀(guān)測(cè)（多極化合成孔徑雷達(dá)、高光譜可見(jiàn)光圖像）；

? 高時(shí)間頻次微波探測(cè)（地球靜止軌道或低地球軌道星座）；

? 近紅外光譜儀測(cè)量表面氣壓；

? 大橢圓軌道連續(xù)可見(jiàn)光和紅外成像觀(guān)測(cè)（主要覆蓋和連續(xù)觀(guān)測(cè)北極和南極地區(qū)）；

? 太陽(yáng)磁場(chǎng)，太陽(yáng)超紫外/X射線(xiàn)成像儀和X射線(xiàn)輻射計(jì)，包括在地球與太陽(yáng)線(xiàn)連線(xiàn)上（如L1點(diǎn)）和地球與太陽(yáng)連線(xiàn)外（如L5、L4點(diǎn)上）；

? 太陽(yáng)風(fēng)等離子體、高能粒子和磁場(chǎng)觀(guān)測(cè)，太陽(yáng)日冕與日光層成像觀(guān)測(cè)，磁層的高能粒子探測(cè)等。

4.1.3業(yè)務(wù)開(kāi)拓者和技術(shù)或科學(xué)的示范系統(tǒng)

這個(gè)系統(tǒng)旨在主要為2040年以后的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展演進(jìn)開(kāi)拓道路，例如：

? 增強(qiáng)大氣/電離層探測(cè)的掩星星座的新的衛(wèi)星加盟；

? 用于觀(guān)測(cè)植被的雷達(dá)和激光雷達(dá)；

? 高光譜分辨率的微波傳感器；

? 超越L1點(diǎn)外的日冕磁場(chǎng)成像儀和太陽(yáng)風(fēng)觀(guān)測(cè)；

? 電離層/熱層光譜成像儀，電離層電子和主要離子密度探測(cè)器。

本層次的計(jì)劃任務(wù)可以依托多元化平臺(tái)，例如使用小衛(wèi)星驗(yàn)證和示范有關(guān)科學(xué)儀器或完成特定的科學(xué)任務(wù)，也可以作為衛(wèi)星應(yīng)急計(jì)劃補(bǔ)充某個(gè)衛(wèi)星儀器失效產(chǎn)生的空白，甚至可以利用國(guó)際空間站驗(yàn)證和演示某些科學(xué)儀器或觀(guān)測(cè)方法。

4.1.4其他補(bǔ)充觀(guān)測(cè)系統(tǒng)

這個(gè)系統(tǒng)將鼓勵(lì)和充分吸納由WMO其他會(huì)員國(guó)和第三方貢獻(xiàn)的衛(wèi)星，包括政府機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)團(tuán)體或商業(yè)機(jī)構(gòu)的貢獻(xiàn)。這個(gè)系統(tǒng)可能增強(qiáng)骨干系統(tǒng)的觀(guān)測(cè)，以提供更多的“基本數(shù)據(jù)”或“附加數(shù)據(jù)”。WMO會(huì)對(duì)此類(lèi)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)方推薦有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐以便貢獻(xiàn)者考慮遵守，以促進(jìn)此類(lèi)衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)WMO會(huì)員國(guó)提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)，并對(duì)骨干系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和增強(qiáng)。

4.2遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃應(yīng)關(guān)注的幾個(gè)重要趨勢(shì)

4.2.1氣象衛(wèi)星操作者從目前少數(shù)幾個(gè)國(guó)家為主，向更多操作者國(guó)家加入轉(zhuǎn)變

氣象衛(wèi)星操作者從20世紀(jì)60年代初的美國(guó)和前蘇聯(lián)兩個(gè)國(guó)家，逐步拓展到目前的包括中國(guó)、日本、印度、韓國(guó)和歐洲氣象衛(wèi)星組織在內(nèi)的七個(gè)主要業(yè)務(wù)衛(wèi)星運(yùn)行組織。已經(jīng)可喜地看到：目前這些衛(wèi)星操作者的能力在逐步增強(qiáng)，基本上都已經(jīng)從前期論證研發(fā)階段，發(fā)展到了成熟的業(yè)務(wù)制造和運(yùn)行階段，衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)性都在增強(qiáng)，不斷提升WMO的空間觀(guān)測(cè)骨干系統(tǒng)。例如中國(guó)已經(jīng)承諾承擔(dān)凌晨極軌氣象衛(wèi)星的軌道業(yè)務(wù)系統(tǒng)；歐洲氣象衛(wèi)星組織會(huì)員國(guó)聯(lián)盟的成員在逐年增加，其極軌氣象衛(wèi)星在同一軌道上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)接力飛行（即在同一軌道平面上兩顆衛(wèi)星間距10～20分鐘飛行觀(guān)測(cè)，既實(shí)現(xiàn)了在軌備份也增加了觀(guān)測(cè)頻次）。

展望2040年，期望并相信全球有更多的國(guó)家和航天組織加入氣象/環(huán)境衛(wèi)星操作者。根據(jù)前期的預(yù)研究并根據(jù)發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)可能性和潛力比較大的國(guó)家和項(xiàng)目如下：

? 加拿大極區(qū)通信和天氣衛(wèi)星（PCW）項(xiàng)目：加拿大航天局（CSA）與加拿大環(huán)境部（EC）、國(guó)防部（DND）和其他政府部門(mén)合作，于2008年9月完成了該項(xiàng)目的需求和概念階段論證研究（階段0），2001年接續(xù)完成了項(xiàng)目任務(wù)定義階段（階段1）的論證。這項(xiàng)研究論證的結(jié)果證明，可以運(yùn)行兩顆高橢圓軌道（HEO）衛(wèi)星系統(tǒng)，這兩顆衛(wèi)星都攜帶三個(gè)主要載荷（Ka和X波段的通信轉(zhuǎn)發(fā)器，21通道成像光譜儀和一個(gè)空間天氣監(jiān)測(cè)儀器包）。對(duì)于極區(qū)來(lái)說(shuō)，這種軌道其功能類(lèi)似位于赤道的靜止衛(wèi)星，它可以提供北極地區(qū)連續(xù)24h寬帶通信服務(wù)，提供覆蓋全部北極地區(qū)的多光譜圖像用于高時(shí)間頻次（每15分鐘一次）和空間分辨率（1.5～3km）地監(jiān)測(cè)極區(qū)的高寒天氣和氣候變化，對(duì)于北極地區(qū)的空間天氣監(jiān)測(cè)將為航空航天安全提供很有價(jià)值的服務(wù)。這個(gè)項(xiàng)目的成功將大大彌補(bǔ)靜止氣象衛(wèi)星在緯度60°以上的地方空間分辨率迅速下降、緯度70°以上基本無(wú)法應(yīng)用的空白，對(duì)于高緯度地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)和研究都會(huì)產(chǎn)生不可估量的貢獻(xiàn)。通信和空間天氣監(jiān)測(cè)功能也彌補(bǔ)了極地地區(qū)氣象數(shù)據(jù)收集和空間天氣監(jiān)測(cè)的空白。

? 非洲氣象衛(wèi)星計(jì)劃：在非洲第二次氣象部長(zhǎng)峰會(huì)（AMCOMET-2，津巴布韋，2012年10月15—19日）上，通過(guò)了探索建立非洲氣象衛(wèi)星計(jì)劃的倡議。其后，這個(gè)倡議在2013年1月的非洲聯(lián)盟首腦會(huì)議上得到了大多數(shù)非洲國(guó)家元首和政府首腦的贊同，并進(jìn)一步?jīng)Q定成立一個(gè)聯(lián)合工作組對(duì)此計(jì)劃開(kāi)展可行性研究。

? 巴西的空間計(jì)劃基本涵蓋了全部空間技術(shù)和應(yīng)用范圍。巴西航天局是拉丁美洲最大的空間組織，其2010年的預(yù)算就達(dá)到了2.1億美元。目前巴西擁有十顆以上衛(wèi)星，其中一半以上是由巴西國(guó)家空間研究院（INPE）設(shè)計(jì)并和工業(yè)部門(mén)簽署合同制造的。在地球觀(guān)測(cè)領(lǐng)域，從1984年開(kāi)始，巴西與中國(guó)開(kāi)始空間技術(shù)合作，并于1999年成功發(fā)射了第一顆中巴地球資源衛(wèi)星，目前已經(jīng)成功地發(fā)射了四顆，對(duì)氣象防災(zāi)減災(zāi)作出了貢獻(xiàn)。巴西已經(jīng)發(fā)射的一些衛(wèi)星上載有空間環(huán)境（天氣）探測(cè)儀器。巴西也是一個(gè)氣象災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，INPE是地球觀(guān)測(cè)委員會(huì)（CEOS）的正式成員，和巴西氣象局共同開(kāi)展了許多氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前美國(guó)的靜止氣象衛(wèi)星對(duì)于南美半球的觀(guān)測(cè)頻次不能滿(mǎn)足南美國(guó)家的需求，即使即將發(fā)射的美國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星（GOES-R），除了正常觀(guān)測(cè)模式以外，其針對(duì)于災(zāi)害性天氣事件的加密觀(guān)測(cè)模式僅僅適用于美國(guó)國(guó)內(nèi)，沒(méi)有執(zhí)行美國(guó)國(guó)土以外的針對(duì)災(zāi)害性天氣氣候事件的加密觀(guān)測(cè)機(jī)制。期望巴西和其他南美航天國(guó)家根據(jù)國(guó)家需求進(jìn)一步拓展地球觀(guān)測(cè)使命并加入WMO空間計(jì)劃的協(xié)調(diào)。

4.2.2衛(wèi)星星座從以業(yè)務(wù)氣象環(huán)境衛(wèi)星為主，向業(yè)務(wù)衛(wèi)星加先進(jìn)的研發(fā)衛(wèi)星系統(tǒng)相結(jié)合的多星座體系轉(zhuǎn)變

氣象衛(wèi)星發(fā)展的初期（20世紀(jì)60—80年代），是以研發(fā)衛(wèi)星為先導(dǎo)，然后將其成熟技術(shù)逐步轉(zhuǎn)移到業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的發(fā)展模式。隨著天氣觀(guān)測(cè)衛(wèi)星技術(shù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的成熟，加上地球氣候、海洋和環(huán)境觀(guān)測(cè)需求的驅(qū)使和航天先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的需要，在過(guò)去的20多年間，許多國(guó)家的航天機(jī)構(gòu)（如NASA，歐空局，中國(guó)國(guó)家航天局，日本空間局等）相繼發(fā)射了一系列的先進(jìn)的地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星（業(yè)界稱(chēng)之為研發(fā)衛(wèi)星），是對(duì)業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的重大補(bǔ)充，也對(duì)WMO的許多計(jì)劃（特別是全球氣候觀(guān)測(cè)計(jì)劃，全球大氣監(jiān)測(cè)計(jì)劃，全球氣候研究計(jì)劃等）和成員國(guó)的業(yè)務(wù)和科技發(fā)展作出了很大貢獻(xiàn)。期望到2040年，一些目前已經(jīng)驗(yàn)證成功地研發(fā)衛(wèi)星加入業(yè)務(wù)衛(wèi)星序列，而一些更加先進(jìn)的研發(fā)衛(wèi)星計(jì)劃出臺(tái)，形成新的業(yè)務(wù)加研發(fā)衛(wèi)星共同運(yùn)行的格局并能夠得到更加充分的國(guó)際協(xié)調(diào)并和諧發(fā)展。期待如下的成功研發(fā)衛(wèi)星星座轉(zhuǎn)入2040年業(yè)務(wù)體系：

? 全球降水觀(guān)測(cè)星座：從1997發(fā)射成功的熱帶降水測(cè)量使命（TRMM）和其后續(xù)的2014年2月發(fā)射成功的全球降水測(cè)量計(jì)劃（GPM），通過(guò)一顆核心觀(guān)測(cè)衛(wèi)星（裝載有一個(gè)主動(dòng)探測(cè)雷達(dá)和一個(gè)被動(dòng)微波輻射計(jì)及其他輔助測(cè)量?jī)x器）和數(shù)顆載有微波探測(cè)器的極地軌道業(yè)務(wù)衛(wèi)星，以及其他地球軌道的試驗(yàn)衛(wèi)星，目前已經(jīng)開(kāi)始試驗(yàn)運(yùn)行。但是TRMM一開(kāi)始就被定義為試驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)，其主要科學(xué)目標(biāo)就是加強(qiáng)對(duì)熱帶的降水氣候和降水變率的認(rèn)識(shí)，加上沒(méi)有業(yè)務(wù)應(yīng)用的安排，加上主動(dòng)探測(cè)雷達(dá)觀(guān)測(cè)范圍限制（200km掃描寬度），嚴(yán)重影響了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)應(yīng)用效益的發(fā)揮。而GPM計(jì)劃接受了TRMM計(jì)劃的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，從一開(kāi)始就定義其為業(yè)務(wù)前期試驗(yàn)計(jì)劃，兼顧了科研和業(yè)務(wù)應(yīng)用兩個(gè)方面，期望達(dá)到預(yù)期效果。NOAA已經(jīng)表示了很強(qiáng)的興趣，在GPM成功后接手開(kāi)展其業(yè)務(wù)模式概念的計(jì)劃。如何兼顧降水氣候研究/業(yè)務(wù)和災(zāi)害性對(duì)流性天氣（包括熱帶氣旋、臺(tái)風(fēng)、陸地強(qiáng)降水等）監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)的要求也是很大挑戰(zhàn)。中國(guó)風(fēng)云氣象衛(wèi)星規(guī)劃中也有降水測(cè)量衛(wèi)星的序列。所以在2040年前全球降水衛(wèi)星星座加入全球氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)星座具有非常高的可能性和可行性。

? 全球大氣成分和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)星座：前節(jié)給出了2018—2019年間即將發(fā)射的幾顆監(jiān)測(cè)大氣污染的衛(wèi)星系統(tǒng)。這些衛(wèi)星雖然分別分布于歐洲、美洲和亞洲，但是均處于試驗(yàn)階段，覆蓋范圍僅僅局限于這些發(fā)射衛(wèi)星國(guó)家國(guó)土及其周邊地區(qū)。期望到2040年這些儀器技術(shù)完全成熟，衛(wèi)星觀(guān)測(cè)范圍實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，衛(wèi)星形成完整的星座并在WMO的協(xié)調(diào)下納入全球骨干業(yè)務(wù)衛(wèi)星體系。

? 美國(guó)、歐洲和亞洲的先進(jìn)地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星：21世紀(jì)初開(kāi)始，美國(guó)、歐洲和亞洲（以中國(guó)、日本和韓國(guó)為主）航天大國(guó)相繼發(fā)射了許多先進(jìn)的地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星。以美國(guó)為例，NASA為開(kāi)展地球科學(xué)研究（其中絕大部分是氣候科學(xué)研究），從21世紀(jì)初開(kāi)始平均每年投入約20億美元發(fā)射了一系列先進(jìn)的地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星。其中著名的發(fā)射成功的和即將發(fā)射的衛(wèi)星包括有：軌道碳觀(guān)測(cè)衛(wèi)星-2號(hào)（OCO-2），土壤濕度主動(dòng)和被動(dòng)觀(guān)測(cè)衛(wèi)星（SMAP），冰雪觀(guān)測(cè)衛(wèi)星1號(hào)和2號(hào)（ICESat-1，ICESat-2），氣候絕對(duì)輻照度和折射率觀(guān)測(cè)衛(wèi)星（CLARREO-1，以及下一個(gè)CLARREO-2，計(jì)劃2020發(fā)射），重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星及其后繼衛(wèi)星（GRACE，GRACE-FO），平流層氣溶膠和氣體試驗(yàn)衛(wèi)星(SAGE Ⅲ)，形變、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和冰動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星（DESDynI）等。這些衛(wèi)星及其遙感儀器技術(shù)的成功及其后續(xù)計(jì)劃的持續(xù)發(fā)展，定會(huì)對(duì)未來(lái)2040年遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃的技術(shù)實(shí)現(xiàn)做出巨大貢獻(xiàn)。

4.2.3 衛(wèi)星軌道從傳統(tǒng)的地球同步（靜止）軌道和近極地太陽(yáng)同步軌道，向多種軌道平面轉(zhuǎn)變

典型的有望加入2040年骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的新的軌道類(lèi)型，包括如上所述的全球降水測(cè)量星座主衛(wèi)星使用的是地球低傾角軌道（非太陽(yáng)同步軌道，飛行高度407km，軌道與赤道平面夾角為65°）。加拿大極區(qū)通信和天氣衛(wèi)星（PCW）項(xiàng)目使用的是繞地球兩極飛行的大橢圓和大偏心率軌道。全球組網(wǎng)分布的GPS 掩星星座軌道，以及觀(guān)測(cè)太陽(yáng)和空間天氣的拉格朗日點(diǎn)軌道等等。多軌道的好處是增加了整個(gè)星座的軌道多樣化，提高了整個(gè)衛(wèi)星體系的可靠性和互補(bǔ)性，同時(shí)也增加了觀(guān)測(cè)的頻次（特別是低傾角衛(wèi)星增加了熱帶和低緯度地區(qū)的觀(guān)測(cè)頻次），而大偏心率軌道增加了極地地區(qū)的觀(guān)測(cè)的頻次和全覆蓋觀(guān)測(cè)。

4.2.4衛(wèi)星遙感儀器從以被動(dòng)遙感為主，向被動(dòng)與主動(dòng)遙感相結(jié)合轉(zhuǎn)變；從傳統(tǒng)的可見(jiàn)光紅外和微波光譜段觀(guān)測(cè)，向全光譜覆蓋和高光譜分辨率觀(guān)測(cè)轉(zhuǎn)變

從上述第一層的骨干衛(wèi)星系統(tǒng)和第二層的骨干衛(wèi)星支撐系統(tǒng)所提出的觀(guān)測(cè)儀器系統(tǒng)，可以明顯看出一些主動(dòng)遙感儀器，例如衛(wèi)星高度計(jì)、降水測(cè)量雷達(dá)、激光雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)等主動(dòng)遙感儀器將進(jìn)入骨干衛(wèi)星系統(tǒng)，將大大拓展各類(lèi)氣象和環(huán)境應(yīng)用。從光譜方面，到2040年骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的遙感儀器將光譜覆蓋增加到從紫外到長(zhǎng)波紅外，高頻微波（亞毫米波）到低頻微波（分米波）的全部波段。高光譜分辨率儀器將從目前的僅限于紅外波段儀器，拓展到在全部光譜頻段上均能夠開(kāi)展高光譜分辨率觀(guān)測(cè)（包括高光譜分辨率紫外、可見(jiàn)光、近紅外乃至微波儀器），這將大大拓展和豐富所獲取的遙感信息。例如，紫外和可見(jiàn)光短波紅外波段的高光譜分辨率儀器將成為大氣溫室氣體和污染氣體監(jiān)測(cè)的主要和重要頻段。低頻微波和亞毫米波是目前業(yè)務(wù)使用的微波波段向微波頻率兩端的拓展，微波低頻段穿透性更好，應(yīng)用于土壤濕度遙感、全天候海面溫度和鹽度觀(guān)測(cè)等，而亞毫米波對(duì)于云粒子敏感，可以探測(cè)云的相態(tài)信息，也可以用于靜止軌道的大氣垂直探測(cè)。工作在激光波段的各類(lèi)激光雷達(dá)儀器將成為2040年氣象衛(wèi)星觀(guān)測(cè)載荷系統(tǒng)中的新的重要成員，有望獲取全球風(fēng)場(chǎng)、大氣成分、氣溶膠和污染氣體監(jiān)測(cè)等。多角度、多極化觀(guān)測(cè)儀器將提供附加信息，更加有利于高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)和多領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.2.5衛(wèi)星地面系統(tǒng)從衛(wèi)星運(yùn)行接收為主，向牽頭發(fā)展應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)和作為業(yè)主代表驗(yàn)證衛(wèi)星投資效益轉(zhuǎn)變

地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)工程是高科技、高投入、高風(fēng)險(xiǎn)和高效益的系統(tǒng)工程。首先，空間系統(tǒng)的復(fù)雜性必將導(dǎo)致地面系統(tǒng)的復(fù)雜性的增加，先進(jìn)的空間系統(tǒng)必然需要先進(jìn)的地面系統(tǒng)來(lái)支撐（包括數(shù)據(jù)量的急劇增加、數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)處理、產(chǎn)品生成和大數(shù)據(jù)管理的壓力等）。最終的投資效益體現(xiàn)在應(yīng)用的效果上。全球地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)工程都要扭轉(zhuǎn)“重天輕地”的傳統(tǒng)投資理念，從衛(wèi)星規(guī)劃開(kāi)始就將相關(guān)應(yīng)用納入整體規(guī)劃體系。地面應(yīng)用系統(tǒng)牽頭單位要主動(dòng)協(xié)調(diào)全國(guó)乃至全球衛(wèi)星應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展，并通過(guò)應(yīng)用不斷累積和統(tǒng)計(jì)，體現(xiàn)衛(wèi)星投資效益的應(yīng)用領(lǐng)域的成果。通過(guò)應(yīng)用及時(shí)反饋對(duì)于衛(wèi)星系統(tǒng)（包括軌道、儀器、數(shù)據(jù)獲取等）進(jìn)一步改進(jìn)的建議和舉措，是促進(jìn)整體衛(wèi)星系統(tǒng)工程的健康和可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

5　遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃中值得關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題

1）數(shù)據(jù)獲取的及時(shí)性和數(shù)據(jù)管理

首先對(duì)于許多實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)應(yīng)用，數(shù)據(jù)獲取的及時(shí)性非常重要。對(duì)于用于臨近及短時(shí)天氣預(yù)報(bào)的靜止氣象衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)獲取觀(guān)測(cè)是最基本要求。對(duì)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式提供重要數(shù)據(jù)輸入的極軌氣象衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)越是接近實(shí)時(shí)，效果越好，其目標(biāo)是在全球任何地區(qū)得到觀(guān)測(cè)后30分鐘內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)入模式。目前許多全球數(shù)值預(yù)報(bào)中心已經(jīng)從WMO協(xié)調(diào)的極軌氣象衛(wèi)星的“區(qū)域先進(jìn)探測(cè)再傳輸服務(wù)”（RARS）及時(shí)獲得極軌衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)而獲益（已經(jīng)接近30分鐘的目標(biāo)）。但是先進(jìn)衛(wèi)星儀器系統(tǒng)隨著空間分辨率增高和儀器通道增多，加上觀(guān)測(cè)頻次提高，在過(guò)去的30年間，衛(wèi)星的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，必將對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)通信（星—地間數(shù)據(jù)傳輸）和用戶(hù)端數(shù)據(jù)獲取帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和壓力。例如，目前通過(guò)日本葵花8號(hào)衛(wèi)星的廣播分發(fā)系統(tǒng)（HIMAWARICast）獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)延遲達(dá)數(shù)十分鐘以上，而通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)受限于網(wǎng)路帶寬。期望到2040年信息技術(shù)和云技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，并采用衛(wèi)星上數(shù)據(jù)處理和壓縮技術(shù)等解決數(shù)據(jù)獲取的瓶頸。氣候業(yè)務(wù)和研究需要管理全部衛(wèi)星數(shù)據(jù)序列和定期再處理對(duì)地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理提出了挑戰(zhàn)。此外，未來(lái)的氣象衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性要求是否需要衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼等，都需要根據(jù)未來(lái)發(fā)展確定。

2）衛(wèi)星觀(guān)測(cè)與地面觀(guān)測(cè)的協(xié)調(diào)

目前的WIGOS 2040年遠(yuǎn)景規(guī)劃的研討工作主要集中在空間系統(tǒng)，主要是空間系統(tǒng)需要更長(zhǎng)時(shí)間的遠(yuǎn)瞻性和計(jì)劃性。但是地面系統(tǒng)的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃是不可或缺的。即使從衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展的角度，特定的衛(wèi)星計(jì)劃都需要考慮如何充分利用地面的觀(guān)測(cè)來(lái)補(bǔ)足，包括地面系統(tǒng)作為真值驗(yàn)證的觀(guān)測(cè)等，地面定標(biāo)驗(yàn)證系統(tǒng)等。最終的2040年遠(yuǎn)景規(guī)劃應(yīng)該充分地體現(xiàn)如何最佳地布局全球地面和空間觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)最佳的全球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的投資效益。

3）無(wú)線(xiàn)電頻率的保護(hù)

隨著商業(yè)通信和地球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)于觀(guān)測(cè)頻率的爭(zhēng)奪日益激烈，觀(guān)測(cè)頻段的保護(hù)已經(jīng)成為WMO和全部成員國(guó)的一項(xiàng)重大任務(wù)。特別在微波波段，由于和通信系統(tǒng)所使用的頻段重疊，造成微波探測(cè)頻段保護(hù)的巨大困難。應(yīng)該大力擴(kuò)大被動(dòng)微波頻段對(duì)于地球觀(guān)測(cè)的重要性的宣傳。沒(méi)有頻率就沒(méi)有衛(wèi)星上的地球觀(guān)測(cè)，為整個(gè)人類(lèi)謀福祉的事業(yè)，其重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)利益。

4）商業(yè)化氣象衛(wèi)星的補(bǔ)充作用

傳統(tǒng)上，航天公司都是作為政府的合同方承擔(dān)衛(wèi)星研制和發(fā)射任務(wù)，由氣象部門(mén)作為業(yè)務(wù)代表組織衛(wèi)星規(guī)劃，接收并運(yùn)行管理衛(wèi)星和組織衛(wèi)星應(yīng)用等。未來(lái)一些國(guó)家的氣象衛(wèi)星發(fā)展模式可能會(huì)發(fā)生改變，并導(dǎo)致部分氣象衛(wèi)星的商業(yè)化，一些商業(yè)衛(wèi)星公司認(rèn)為新的衛(wèi)星數(shù)據(jù)政策可能誘發(fā)潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益。NOAA目前發(fā)布了商業(yè)化空間政策，一些美國(guó)公司已經(jīng)公布了他們的商業(yè)化氣象衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃，并宣稱(chēng)將提供更加有應(yīng)用實(shí)效且價(jià)格非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品等。正面的看法是，商業(yè)行為引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制可能導(dǎo)致商業(yè)空間系統(tǒng)得到新的發(fā)展，進(jìn)而增強(qiáng)全球空間觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。但是目前尚沒(méi)有這樣用商業(yè)模式支撐全球公益事業(yè)發(fā)展成功的范例。我們應(yīng)當(dāng)預(yù)見(jiàn)其相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，并在以下幾個(gè)方面問(wèn)題需謹(jǐn)慎處理：

? 商業(yè)化模式必將導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換的限制，從而在整體上降低了數(shù)據(jù)的可用性（降低了應(yīng)用效益）

? 處于商業(yè)機(jī)密保護(hù)的需要，用戶(hù)和國(guó)際協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)可能無(wú)法獲取衛(wèi)星和儀器系統(tǒng)的詳細(xì)的技術(shù)規(guī)范，導(dǎo)致無(wú)法確保獲取儀器的可追溯性和可靠性信息

? 由于私營(yíng)企業(yè)都有自己的市場(chǎng)目標(biāo)，無(wú)法像政府機(jī)構(gòu)那樣遵守國(guó)際承諾和約束，也無(wú)法參與WMO主持下的全球協(xié)調(diào)

? 商業(yè)計(jì)劃的短期行為可能產(chǎn)生一定的政治吸引力，但是卻對(duì)以滿(mǎn)足國(guó)家、區(qū)域或全球需求國(guó)家或區(qū)域組織（例如歐洲氣象衛(wèi)星組織）衛(wèi)星長(zhǎng)期計(jì)劃規(guī)劃所必須的長(zhǎng)期的籌資機(jī)制和決策過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響

在這些機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)面前，很重要的是要確認(rèn)這種商業(yè)活動(dòng)健康并成功演進(jìn)發(fā)展的先決條件和如何合理地納入國(guó)際體系。從WMO的角度，目前基本的估計(jì)是：政府主導(dǎo)的氣象環(huán)境衛(wèi)星在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)仍是骨干系統(tǒng)，應(yīng)該重申WMO會(huì)員國(guó)代表其政府機(jī)構(gòu)對(duì)運(yùn)行骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的政治承諾。即由政府機(jī)構(gòu)或其他政府指定的代理機(jī)構(gòu)，繼續(xù)承擔(dān)不斷發(fā)展和優(yōu)化骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的責(zé)任，包括對(duì)應(yīng)用需求的滾動(dòng)評(píng)估和對(duì)衛(wèi)星應(yīng)急計(jì)劃的響應(yīng)，遵守國(guó)際免費(fèi)數(shù)據(jù)交換原則。而商業(yè)化的小衛(wèi)星系統(tǒng)可能提供一些補(bǔ)充或支撐觀(guān)測(cè)。

WMO第40號(hào)決議（CG-12）提供了一個(gè)有用的概念框架，從中可以找出公共機(jī)構(gòu)和私人企業(yè)提供如何能相互補(bǔ)充數(shù)據(jù)：為了確保提供“基本數(shù)據(jù)”的自由，成員必須有一個(gè)WMO協(xié)調(diào)的，由政府控制骨干觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，而商業(yè)運(yùn)營(yíng)商可以提供“額外的數(shù)據(jù)”以增強(qiáng)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。公共/私營(yíng)伙伴關(guān)系可以結(jié)合這兩個(gè)方面，例如政府主導(dǎo)的衛(wèi)星項(xiàng)目提供免費(fèi)共享的“基本數(shù)據(jù)”，以滿(mǎn)足由政府制定的公共服務(wù)目標(biāo)；商業(yè)航天機(jī)構(gòu)可以針對(duì)特定商業(yè)運(yùn)營(yíng)客戶(hù)群體提供和銷(xiāo)售“附加數(shù)據(jù)”服務(wù)。

6　結(jié)束語(yǔ)

需要強(qiáng)調(diào)指出的是，提前25年做遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃是非常具有挑戰(zhàn)性的。首先需要準(zhǔn)確把握對(duì)于到2040年經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)于氣象服務(wù)的需求的預(yù)測(cè)，其次還要從氣象服務(wù)需求的預(yù)測(cè)中準(zhǔn)確確定對(duì)于觀(guān)測(cè)的需求（包括氣象衛(wèi)星和地面觀(guān)測(cè)系統(tǒng)），最后也可能是最具有挑戰(zhàn)性的是對(duì)于觀(guān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展的預(yù)測(cè)，即在多大程度上觀(guān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步能夠滿(mǎn)足氣象服務(wù)對(duì)于觀(guān)測(cè)的需求。

遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃目前尚在初期發(fā)展階段，須經(jīng)多方咨詢(xún)和反復(fù)論證，最終目標(biāo)是提交第18屆世界氣象大會(huì)（2019年）批準(zhǔn)實(shí)施。期望本遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃有助于WMO各會(huì)員國(guó)提前預(yù)測(cè)氣象部門(mén)響應(yīng)未來(lái)氣象服務(wù)需求的挑戰(zhàn)，并考慮到航天發(fā)展的長(zhǎng)期計(jì)劃特性，盡早提出和明確對(duì)未來(lái)空間觀(guān)測(cè)的需求。也期望全球航天機(jī)構(gòu)及衛(wèi)星操作國(guó)在考慮制定本國(guó)的氣象衛(wèi)星和相關(guān)對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃時(shí)，確保充分考慮到WMO綜合觀(guān)測(cè)系統(tǒng)空間部分的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃需求牽引的指導(dǎo)。

（作者單位：世界氣象組織）