■咸迪　李雪　徐喆　錢建梅

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世界和我國氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務現(xiàn)狀與展望

■咸迪李雪徐喆錢建梅

自1960年世界上第一顆氣象衛(wèi)星升空以來，氣象衛(wèi)星應用不斷深化，美國、歐洲、日本、俄羅斯、印度等先后建立了各具特色的氣象衛(wèi)星應用服務體系，大大推進了衛(wèi)星資料在氣象及相關領域的應用。我國氣象衛(wèi)星和衛(wèi)星氣象事業(yè)經(jīng)過40多年的發(fā)展，已逐步形成以風云極軌和靜止兩個系列氣象衛(wèi)星為主的氣象衛(wèi)星觀測業(yè)務體系，為國家減災防災和應對氣候變化提供了有力支撐。通過風云一號、風云二號和風云三號衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)的建設，國家衛(wèi)星氣象中心綜合利用CMACast、衛(wèi)星直收站、地面寬帶網(wǎng)、業(yè)務內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術，逐步建成了一套天地一體化的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務體系。

我國氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務主要經(jīng)過三個發(fā)展階段。第一階段為20世紀80—90年代末，氣象衛(wèi)星由初期的試驗衛(wèi)星逐步轉(zhuǎn)入在軌業(yè)務運行，性能相對穩(wěn)定，同時形成了包含大型計算機構(gòu)成的地面資料接收處理系統(tǒng)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要用于大型科研項目以及對重大天氣和遙感事件的監(jiān)測中，數(shù)據(jù)共享服務介質(zhì)以磁帶為主；第二階段為20世紀90年代末至21世紀初，極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星的觀測方式、精度以及頻率都有了較大發(fā)展，使氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)需求逐步擴大，并隨著計算機逐漸普及以及互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，也使共享服務手段得到提升，第一次建立起通過互聯(lián)網(wǎng)對指定用戶提供氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務的平臺；第三階段為21世紀初至今，氣象衛(wèi)星儀器和數(shù)量不斷增多，每日存檔數(shù)據(jù)量逐步增長至TB級別，公眾和專業(yè)人員對氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的需求不斷擴大，互聯(lián)網(wǎng)逐漸成為數(shù)據(jù)共享服務的主要手段。

到2014年，每日在國家衛(wèi)星氣象中心存檔的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品共計92類，數(shù)據(jù)量2.2TB，存檔總量達到6.5PB，其中風云三號衛(wèi)星的數(shù)據(jù)量最多，占總存檔量的84%。

目前主要以美國、歐洲、日本和中國為主的國際氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享機制已經(jīng)日臻成熟，世界氣象組織（WMO）和地球觀測組織（GEO）在其中起到領導和協(xié)調(diào)的作用，并搭建了全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的共享平臺。

一、 國際氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享情況

1.國際組織領導下的全球氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享

WMO從2003年起開始建立一個通用、綜合、高效的信息服務平臺（WIS），用于支撐WMO各項計劃及各個成員之間的數(shù)據(jù)共享，WIS中的資料存檔服務中心（DCPC）承擔了包括氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)共享服務功能。GEO從2005年正式提出地球觀測數(shù)據(jù)衛(wèi)星分發(fā)系統(tǒng)（GEONETCast）的概念，目前由中國氣象局（CMA）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）和歐洲氣象衛(wèi)星應用組織（EUMETSAT）分別運營覆蓋全球的數(shù)據(jù)廣播分發(fā)系統(tǒng)（CMACast、GEONETCast Americas 和EUMETCast），借助通信衛(wèi)星，把地基和空基觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品及時傳送給廣大用戶，目前已經(jīng)擁有超過3000個用戶。

2.美國的公益性氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享

美國在氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)共享方面一直走在世界前列，凡是政府資助產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均采取“完全與開放”數(shù)據(jù)共享政策和公益性共享機制。美國通過多個政府機構(gòu)，將采集的各類氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品向全球開放，為全球科學工作者提供便利的數(shù)據(jù)服務。

美國國家航空航天局（NASA）的數(shù)據(jù)共享服務基于1990年成立的分布式動態(tài)數(shù)據(jù)中心（DAAC），目前共有12個數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)量每天都在大幅增長中，如 Terra衛(wèi)星每天大約新增194GB的數(shù)據(jù)。用戶通過登錄任何一個DAAC的 EOS數(shù)據(jù)門戶網(wǎng)站（EDG），均可在一個統(tǒng)一的界面上搜索、訂購或下載數(shù)據(jù)。

NOAA負責運行管理多顆靜止和極軌衛(wèi)星，國家環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)和信息中心（NESDIS）直屬于NOAA，負責提供由衛(wèi)星和其他來源獲取得到的全球環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.歐洲氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享

歐洲的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務在歐盟的基本框架下，以EUMETSAT為主導，主要為歐洲各個成員國和科研業(yè)務用戶提供氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的共享，目前有兩種方式：EUMETCast廣播和EUMETSAT網(wǎng)站。準實時數(shù)據(jù)用戶可以通過搭建廣播接收系統(tǒng)，接收EUMETCast廣播的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及其他氣象資料，其他用戶通過EUMETSAT網(wǎng)站直接注冊用戶，并實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的檢索和下載。

二、 我國氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享狀況

1.氣象衛(wèi)星服務數(shù)據(jù)和產(chǎn)品

經(jīng)過40多年的發(fā)展，我國已經(jīng)成功發(fā)射14顆風云系列氣象衛(wèi)星，其中靜止軌道氣象衛(wèi)星（風云二號）7顆，極地軌道氣象衛(wèi)星7顆（其中風云一號4顆，風云三號3顆）。除此之外，國家衛(wèi)星氣象中心還存儲了從20世紀80年代至今，接收處理的美國、日本和歐洲20多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。隨著衛(wèi)星儀器的時間分辨率、光譜分辨率和空間分辨率的逐步提高，數(shù)據(jù)產(chǎn)品種類越來越豐富，數(shù)據(jù)量也越來越多。到2014年，每日在國家衛(wèi)星氣象中心存檔的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品共計92類，數(shù)據(jù)量2.2TB（圖1），存檔總量達到6.5PB，其中風云三號衛(wèi)星的數(shù)據(jù)量最多，占總存檔量的84%。

靜止和極軌兩個系列氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品根據(jù)衛(wèi)星和儀器的特點不同而各具特色（表1）。我國第一代靜止氣象衛(wèi)星風云二號共分為三個批次：01批衛(wèi)星包括兩顆星FY-2A和FY-2B，屬于試驗型地球靜止氣象衛(wèi)星；02批有三顆衛(wèi)星FY-2C、FY-2D 和FY-2E，為業(yè)務型地球靜止氣象衛(wèi)星；03批有三顆星FY-2F、FY-2G和FY-2H，主要業(yè)務定點位置在東經(jīng)86.5°、105°和112°，實現(xiàn)了對歐亞大陸和太平洋中西部的覆蓋。風云二號衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品以高時效、高時間分辨率圖像產(chǎn)品為主，主要用于天氣分析，特別是用于中尺度強對流災害性天氣系統(tǒng)臨近預警和預報，監(jiān)視生命周期較短的中小尺度天氣系統(tǒng)等。我國極軌氣象衛(wèi)星目前已經(jīng)發(fā)展了兩個系列（風云一號和風云三號），風云一號共4顆衛(wèi)星，F(xiàn)Y-1D作為該系列的最后一顆業(yè)務衛(wèi)星，已經(jīng)于2012年停止運行。風云三號共分為三個批次，01批衛(wèi)星包括兩顆星FY-3A和FY-3B，屬于試驗型極軌氣象衛(wèi)星；02批包括兩顆衛(wèi)星FY-3C和FY-3D，為業(yè)務型極軌氣象衛(wèi)星；03批暫定為四顆衛(wèi)星，在儀器性能和運行模式等方面將有更多改進。極軌氣象衛(wèi)星具有全球觀測能力和高分辨率兩大特點，可以以比較高的時間頻次和分辨率觀測地球兩極地區(qū)，可以為中期數(shù)值天氣預報提供全球海溫、濕度、云和輻射等氣象參數(shù)，同時監(jiān)測大范圍的自然災害、生態(tài)和環(huán)境變化，實現(xiàn)對全球變化的跟蹤和監(jiān)測。

2.數(shù)據(jù)共享服務現(xiàn)狀和成果

天地一體化的數(shù)據(jù)共享服務體系利用現(xiàn)代化的通信、網(wǎng)絡和IT技術，通過通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星自身、氣象寬帶網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)，為不同需求的用戶提供獲取氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的多種渠道：衛(wèi)星廣播（包括直收站和CMACast）、專線網(wǎng)絡（中國氣象局地面寬帶網(wǎng)）、互聯(lián)網(wǎng)以及人工協(xié)議服務。

隨著數(shù)據(jù)共享服務體系的逐步完善，國家衛(wèi)星氣象中心已經(jīng)實現(xiàn)完全自動化的數(shù)據(jù)檢索共享系統(tǒng)，風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務網(wǎng)（http://satellite.nsmc.org.cn）自2005年開通以來，逐漸受到廣大氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)用戶的認可，已經(jīng)成為中國風云衛(wèi)星用戶獲取風云衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及相關衛(wèi)星數(shù)據(jù)的主要途徑之一。每年對外共享數(shù)據(jù)超過400TB，為400多個各類國家、省部級項目提供氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)支持。服務領域不僅主要包括國內(nèi)外氣象、遙感、環(huán)境、航空航天、農(nóng)林牧漁等傳統(tǒng)行業(yè)，同時也在建筑、電力、水利、汽車、石油、醫(yī)學、質(zhì)檢等其他領域發(fā)揮重要作用。

網(wǎng)站注冊人數(shù)和數(shù)據(jù)訂單也逐年增多，2014年的訂單數(shù)（42284個），較2005年增長26倍。風云衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到廣大用戶的認可，在網(wǎng)站訂單的統(tǒng)計結(jié)果中，風云衛(wèi)星數(shù)據(jù)的文件數(shù)占總體的97%，數(shù)據(jù)量占總數(shù)據(jù)量的90%。

3.用戶空間和行業(yè)分布

風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務網(wǎng)通過全自動化的數(shù)據(jù)準備流程，在無人值守的情況下實現(xiàn)7×24小時的數(shù)據(jù)訂購和服務。截至2014年，網(wǎng)站注冊用戶已經(jīng)超過3.3萬人（圖2）。國內(nèi)注冊用戶分布在全國各地，包括港澳臺地區(qū)在內(nèi)的所有省（市、自治區(qū)）。除此之外，來自全世界70多個國家的用戶也通過英文網(wǎng)站下載風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。

圖1　國家衛(wèi)星氣象中心每日衛(wèi)星數(shù)據(jù)存檔數(shù)據(jù)量（1998—2014年）

表1　靜止氣象衛(wèi)星和極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類對比

根據(jù)現(xiàn)有用戶資料統(tǒng)計分析表明，網(wǎng)站國內(nèi)注冊用戶主要來自于121個行業(yè)，其中47%的用戶來自于教育行業(yè)，這些用戶主要由高校教師、本科、碩士和博士研究生構(gòu)成，專業(yè)以遙感和大氣科學為主；18.6%的用戶來自于氣象行業(yè)；14.9%的用戶來自于研究和試驗發(fā)展行業(yè)，即中科院、農(nóng)科院等相關科研行業(yè)。電力、國家機構(gòu)、生態(tài)保護、工程技術、電氣制造業(yè)和農(nóng)業(yè)等行業(yè)也是主要用戶來源。

圖2　風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務網(wǎng)國內(nèi)和國際用戶分布

4.數(shù)據(jù)用途分析

經(jīng)過多年的應用實踐和數(shù)據(jù)免費共享，氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)逐步得到國內(nèi)外用戶的認可，在氣象及相關領域中得到了廣泛應用（圖3），包括預報研究、遙感監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、氣候變化研究、大氣污染防控、重大氣象服務和氣象要素特征分析等方面。

圖3　風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要用途

5.衛(wèi)星數(shù)據(jù)在科學研究中的應用

為了進一步跟蹤用戶對風云衛(wèi)星數(shù)據(jù)在獲取、應用、質(zhì)量等方面的需求，國家衛(wèi)星氣象中心從2013年開始對網(wǎng)站用戶開展大范圍的用戶調(diào)查。通過分析2014年的調(diào)查結(jié)果，可知風云衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)在各類科研項目中得到廣泛使用，所有參與調(diào)查的用戶利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)在正式刊物上發(fā)表文章226篇，其中中文文章192篇，英文文章34篇，重點支持各類科研項目611個（表2）。

表2 風云衛(wèi)星數(shù)據(jù)支持各類項目

三、 我國氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享趨勢展望

1.衛(wèi)星觀測能力不斷提高

隨著我國氣象衛(wèi)星的不斷發(fā)展，衛(wèi)星監(jiān)測手段將更加豐富，時空分辨率和光譜分辨率均有所加強，同時衛(wèi)星的壽命和運行成功率也隨之提高，可以為用戶提供更加精確、穩(wěn)定的服務。

風云三號（03批）衛(wèi)星在不斷改進現(xiàn)有儀器觀測性能的基礎上，還有可能增加降雨雷達衛(wèi)星和晨昏軌道衛(wèi)星。降雨雷達衛(wèi)星可以克服雨量站和地基雷達的局限，實現(xiàn)對降水更準確的監(jiān)測和預警。晨昏軌道衛(wèi)星將完善和豐富我國現(xiàn)有的現(xiàn)代氣象業(yè)務觀測體系，可向我國的8點鐘會商業(yè)務及時提供微光、紅外和微波的綜合觀測信息，也可以在凌晨時刻提供針對臺風、暴雨和強對流等的衛(wèi)星監(jiān)測。

風云四號系列衛(wèi)星將在未來兩年內(nèi)發(fā)射，將提供更高時空分辨率的觀測數(shù)據(jù)，同時也提供了更加機動的區(qū)域掃描功能、閃電定位以及垂直探測的能力。

2.衛(wèi)星遙感產(chǎn)品更加豐富

衛(wèi)星遙感產(chǎn)品從定性分析逐漸發(fā)展為定量化遙感。隨著定位和定標技術的不斷發(fā)展，風云三號衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)將建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗系統(tǒng)，可以為用戶定期提供風云衛(wèi)星數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢驗報告，利用多源空基和地基探測數(shù)據(jù)提高風云衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的精度。產(chǎn)品內(nèi)容越來越豐富，涵蓋大氣產(chǎn)品、溫濕度廓線產(chǎn)品、輻射產(chǎn)品、地表產(chǎn)品、海洋產(chǎn)品和大氣成分產(chǎn)品，在空間和時間上全面彌補地面氣象觀測站和雷達的缺陷。同時，也可以為數(shù)值預報提供更加豐富的衛(wèi)星同化產(chǎn)品，提高數(shù)值預報的準確率。

3.天地一體化的數(shù)據(jù)共享服務體系日趨完善

隨著IT技術的迅猛發(fā)展，國家衛(wèi)星氣象中心積極探索采用新技術實現(xiàn)氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的快速服務和精細化服務，完善新一代天地一體化的數(shù)據(jù)共享和服務體系（圖4）。在數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分發(fā)以及遙感應用等方面不斷推陳出新。未來將在國家級層面，依托于海量分布式存儲與國家級CIMISS平臺，實現(xiàn)實時更新的風云衛(wèi)星數(shù)據(jù)PB級全集（歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)）直達用戶桌面共享。在省級層面，依托于天上衛(wèi)星直接廣播、CMACast播發(fā)、地上CIMISS系統(tǒng)分發(fā)，實現(xiàn)內(nèi)容互補、互為備份的實時衛(wèi)星數(shù)據(jù)高效服務。國家級與省級衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享形成固化統(tǒng)一的衛(wèi)星數(shù)據(jù)與定量產(chǎn)品編目結(jié)構(gòu)，與衛(wèi)星遙感應用平臺無縫連接，透明調(diào)用。同時不斷豐富衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，借助互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術，搭建開放數(shù)據(jù)平臺，推進衛(wèi)星數(shù)據(jù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。同時，氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作為國家民用空間基礎設施建設的一部分，與陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心、海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心互相支持、互為補充、互為備份，共同推進遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源的共享。

基于氣象衛(wèi)星各種能力的不斷加強，國家衛(wèi)星氣象中心通過后續(xù)氣象衛(wèi)星地面系統(tǒng)工程建設，逐步形成以國家衛(wèi)星氣象中心數(shù)據(jù)中心為主中心，建設一個數(shù)據(jù)備份中心，多個地域分中心的分布式天地一體化數(shù)據(jù)共享和服務體系。

4.服務手段趨于多元化

1）針對氣象行業(yè)用戶：借助氣象信息化建設，充分利用衛(wèi)星廣播和地面專線，實現(xiàn)國省一體的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務，根據(jù)對靜止衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星的不同需求，為MICAPS和遙感應用平臺提供及時、高效、專業(yè)的數(shù)據(jù)支撐；

圖4　天地一體化的氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)共享服務體系

2）針對專業(yè)用戶：大力發(fā)展國家民用空間基礎設施——氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心，與陸地衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星兩大數(shù)據(jù)中心互為補充，公開長時間序列衛(wèi)星數(shù)據(jù)集，開放算法和數(shù)據(jù)集交流共享平臺，為國內(nèi)外遙感專業(yè)用戶提供天地一體化的數(shù)據(jù)共享服務；

3）針對企業(yè)用戶：利用公有云等IT新技術，開放企業(yè)級數(shù)據(jù)檢索和可視化產(chǎn)品調(diào)用接口，通過支持若干個應用示范項目，為企業(yè)創(chuàng)新和萬眾創(chuàng)業(yè)提供豐富的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品接入平臺；

4）針對公眾用戶：根據(jù)公眾需求，開發(fā)多元化的增值服務和產(chǎn)品，并開放數(shù)據(jù)接口，支持多樣化的客戶端平臺，建立可視化的演示平臺，同時與高校、公開課組織合作，加強風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的科普和培訓，讓更多的公眾了解衛(wèi)星氣象知識；

5）針對國際合作用戶：加強與美國、歐洲、日本等國家以及WMO、GEO等國際組織的合作，以衛(wèi)星廣播和國際交換為主，同時輔以公有云技術，為不發(fā)達地區(qū)和其他國際用戶提供風云衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務。

深入閱讀

馮筠,高峰,黃新宇.2005.構(gòu)建天地一體化的全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)——三次國際地球觀測峰會與CEOSS.地球科學進展,12(20):1327-1333.

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（作者單位：國家衛(wèi)星氣象中心）