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一、引言

我國幅員遼闊，氣象災(zāi)害頻發(fā)，臺風(fēng)、暴雨洪澇、干旱、霧霾等氣象災(zāi)害每年均給我國帶來巨大的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失和人員傷亡。氣象衛(wèi)星作為綜合氣象觀測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是雷達(dá)、地面觀測站和高空觀測的重要補(bǔ)充，具有觀測廣、時效快、不受自然條件和國界限制的優(yōu)勢，可以在防災(zāi)減災(zāi)和科學(xué)研究中發(fā)揮重要的作用。

1969年周恩來總理高瞻遠(yuǎn)矚地提出“應(yīng)該搞我們自己的氣象衛(wèi)星”，并于1970年親自批準(zhǔn)下達(dá)了研制氣象衛(wèi)星的任務(wù)。自此我國氣象衛(wèi)星事業(yè)走上了自主發(fā)展的道路。隨著1988年風(fēng)云一號A星（FY-1A）的成功發(fā)射，結(jié)束了我國沒有氣象衛(wèi)星的歷史，自此我國氣象衛(wèi)星走上了發(fā)展的快車道。截至2018年，我國已成功發(fā)射了17顆風(fēng)云（FY）系列氣象衛(wèi)星（圖1），包括8顆極軌氣象衛(wèi)星和9顆靜止氣象衛(wèi)星，成為世界上少數(shù)幾個同時具有極軌和靜止兩個系列業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的國家和地區(qū)之一。風(fēng)云氣象衛(wèi)星從整體上實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化、系列化發(fā)展，實現(xiàn)了從“試驗應(yīng)用型”向“業(yè)務(wù)服務(wù)型”轉(zhuǎn)變的目標(biāo)，實現(xiàn)了世界氣象衛(wèi)星領(lǐng)域“中、美、歐”三強(qiáng)鼎立的國際格局，在生態(tài)文明建設(shè)、服務(wù)防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)對氣候變化領(lǐng)域為我國的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)。同時，風(fēng)云衛(wèi)星在服務(wù)“一帶一路”建設(shè)，服務(wù)“共建人類命運(yùn)共同體”等工作中發(fā)揮著積極作用。后續(xù)將研制和發(fā)射風(fēng)云四號02批和風(fēng)云三號03批新一代靜止和極軌氣象衛(wèi)星，建立風(fēng)云四號衛(wèi)星雙星運(yùn)行、在軌備份的業(yè)務(wù)格局，建立風(fēng)云三號上午、下午、降水、晨昏四星組網(wǎng)觀測的能力，進(jìn)一步完善全球覆蓋的氣象遙感業(yè)務(wù)體系，氣象衛(wèi)星及應(yīng)用將達(dá)到同期國際一流水平。

圖1 截至2018年，我國已成功發(fā)射17顆風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星

近年來，我國非常重視氣象衛(wèi)星在國際服務(wù)中的作用。2018年6月10日，中國國家主席習(xí)近平在上海合作組織青島峰會上講話時鄭重承諾：“中方愿利用風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星為各方提供氣象服務(wù)”。2018年7月10日，習(xí)近平主席在中阿合作論壇第八屆部長級會議開幕式的講話中提出：“要共建‘一帶一路’空間信息走廊，發(fā)展航天合作，推動中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和氣象遙感衛(wèi)星技術(shù)服務(wù)阿拉伯國家建設(shè)”。2018年9月4日，我國在中非合作論壇—北京行動計劃（2019—2021）中明確承諾“愿繼續(xù)為非洲國家提供風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品及必要的技術(shù)支持，繼續(xù)向非洲國家提供氣象和遙感應(yīng)用設(shè)施和教育培訓(xùn)援助，支持非洲氣象（天氣和氣候服務(wù)）戰(zhàn)略的實施，提升非洲國家防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)對氣候變化的能力”。

二、風(fēng)云氣象衛(wèi)星最新進(jìn)展

近年來，風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)組網(wǎng)布局日臻成熟，衛(wèi)星在觀測范圍、探測能力上均有較大提升，地面應(yīng)用系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理、傳輸、存儲和共享服務(wù)能力上也有跨越式發(fā)展。

1.風(fēng)云衛(wèi)星業(yè)務(wù)組網(wǎng)布局

風(fēng)云衛(wèi)星在靜止和極軌系列均成功升級換代的基礎(chǔ)上，極軌氣象衛(wèi)星實現(xiàn)了“上、下午星業(yè)務(wù)組網(wǎng)觀測”，靜止氣象衛(wèi)星實現(xiàn)了“多星觀測、在軌備份、適時加密”的業(yè)務(wù)布局，在觀測范圍和探測能力上均較上一代衛(wèi)星有較大提升。目前共有8顆風(fēng)云衛(wèi)星在軌運(yùn)行，其中5顆靜止軌道氣象衛(wèi)星，分別定點(diǎn)于東經(jīng)79°（FY-2H）、東經(jīng)86.5°（FY-2E）、東經(jīng)99.5°（FY-2G）、東經(jīng)104.7°（FY-4A）、東經(jīng)112°（FY-2F），極軌氣象衛(wèi)星3顆，分別為FY-3B（下午星）、FY-3C（上午星）、FY-3D（下午星）。

2. 衛(wèi)星探測能力增強(qiáng)

風(fēng)云三號D星（FY-3D）上裝載了10臺套先進(jìn)的遙感儀器，除了微波溫度計、微波濕度計、微波成像儀、空間環(huán)境監(jiān)測儀器包和全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀等5臺繼承性儀器之外，紅外高光譜大氣探測儀、近紅外高光譜溫室氣體監(jiān)測儀、廣角極光成像儀、電離層光度計為全新研制、首次上星搭載。核心儀器中分辨率光譜成像儀進(jìn)行了大幅升級改進(jìn)，性能顯著提升。250m分辨率通道增加至6個，包括兩個250m紅外分裂窗通道，可在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測服務(wù)中發(fā)揮重要作用。紅外高光譜大氣垂直探測儀采用了國際上最先進(jìn)的傅里葉干涉探測技術(shù)，可以提高大氣溫度和大氣濕度廓線反演精度1倍以上，極大提升了對我國中長期數(shù)值天氣預(yù)報的支撐能力。廣角極光成像儀為FY-3D帶來了一項新技能——對兩極極光強(qiáng)度和范圍進(jìn)行監(jiān)測。而極光與電場、磁場密切相關(guān)，觀測極光活動可以了解高層大氣高能粒子、電場、磁場變化情況。電離層光度計則側(cè)重于監(jiān)測電離層電場狀態(tài)，它能反演高層大氣電子濃度的垂直分布，測量氧氣原子和氮?dú)夥肿拥臉O紫外波段氣輝輻射強(qiáng)度。FY-3D衛(wèi)星遙感探測儀器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 FY-3D 衛(wèi)星遙感探測儀器技術(shù)參數(shù)

我國靜止軌道衛(wèi)星遙感儀器的探測能力已經(jīng)與國際水平相當(dāng)，部分探測能力已經(jīng)趕超歐洲和美國。2016年12月11日，我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號衛(wèi)星的首顆星FY-4A成功發(fā)射，將接替第一代靜止軌道氣象衛(wèi)星——風(fēng)云二號，確保我國靜止軌道氣象衛(wèi)星觀測業(yè)務(wù)的連續(xù)、穩(wěn)定。FY-4A配備的掃描成像輻射計通道數(shù)量增加了2.8倍，達(dá)到14個。其觀測時間分辨率提高1倍，最快可以每1min生成一次區(qū)域觀測圖像。最高空間分辨率較之前提高了6倍，達(dá)到500m。這些新能力，將讓FY-4A以全新的方式來揭示臺風(fēng)、暴雨、洪澇、森林火災(zāi)、沙塵暴和空間天氣的變化規(guī)律。FY-4A還搭載了世界上首個靜止軌道干涉式大氣垂直探測儀，其在垂直光譜探測通道達(dá)到1700個，可對大氣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高精度定量探測，相當(dāng)于對大氣進(jìn)行CT掃描。這也是國際上靜止軌道氣象衛(wèi)星的首次裝載，將首次實現(xiàn)靜止軌道大氣高精度溫度、濕度廓線探測，獲取的高光譜大氣數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性。FY-4A的觀測能力是現(xiàn)有觀測系統(tǒng)的上千倍，將極大提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確率和精細(xì)化水平。FY-4A閃電成像儀，1s可以拍攝500張閃電圖，探測區(qū)域范圍內(nèi)的閃電頻次和強(qiáng)度，這可以用來實現(xiàn)對強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測與跟蹤，提供閃電災(zāi)害預(yù)警，也是國內(nèi)首次應(yīng)用。FY-4A衛(wèi)星遙感儀器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 FY-4A衛(wèi)星遙感儀器技術(shù)參數(shù)

3. 衛(wèi)星觀測范圍向西擴(kuò)展

“一帶一路”沿線國家氣象資料匱乏，自然災(zāi)害嚴(yán)重。世界氣象組織及亞太空間合作組織希望中國能將新發(fā)射的風(fēng)云二號H星（FY-2H）定點(diǎn)位置向西布局，更廣泛惠及成員國。2018年4月23日，中國氣象局、國防科工局和亞太空間合作組織簽署風(fēng)云氣象衛(wèi)星應(yīng)用合作意向書，確定將FY-2H定點(diǎn)位置從原定的東經(jīng)86.5°移至東經(jīng)79°，使我國靜止軌道氣象衛(wèi)星觀測范圍向西擴(kuò)展到東經(jīng)4°附近。監(jiān)測范圍包括亞洲50個國家、非洲41個國家、歐洲39個國家、大洋洲9個國家，“一帶一路”沿線64個國家（圖2）。2018年6月5日，風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的最后一顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星FY-2H成功發(fā)射，7月28日，F(xiàn)Y-2H順利到達(dá)東經(jīng)79°赤道上空，于7月30日開始傳回該地區(qū)圖像，圖像質(zhì)量較前序風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星有較大提升。在軌測試結(jié)束后，F(xiàn)Y-2H將正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，可以實現(xiàn)最快半小時一次的全圓盤觀測，實現(xiàn)每日28次對“一帶一路”地區(qū)的觀測，生成針對“一帶一路”地區(qū)的精細(xì)化服務(wù)產(chǎn)品。此外，其他風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星運(yùn)行模式逐步成熟，F(xiàn)Y-2E和FY-2G運(yùn)行雙星觀測模式，F(xiàn)Y-2G在每小時整點(diǎn)獲取全圓盤觀測數(shù)據(jù)，F(xiàn)Y-2E在每小時半點(diǎn)獲取全圓盤觀測數(shù)據(jù)。FY-2F運(yùn)行按需區(qū)域掃描模式，根據(jù)用戶需求針對指定區(qū)域進(jìn)行最快6min間隔的觀測。

圖2 目前在軌的4顆風(fēng)云二號靜止氣象衛(wèi)星覆蓋范圍示意圖

4. 衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時效有較大提高

為了提高風(fēng)云衛(wèi)星獲取全國以及全球數(shù)據(jù)的時效，國家衛(wèi)星氣象中心已經(jīng)建成了一套“1+5+2”地面站網(wǎng)體系，即1個數(shù)據(jù)處理中心（位于北京）、5個境內(nèi)數(shù)據(jù)接收站（分別位于北京、廣州、佳木斯、烏魯木齊、喀什）和2個境外數(shù)據(jù)接收站（分別位于瑞典基律納和東南極洲毛德皇后地）。2017年新建成的喀什氣象衛(wèi)星接收地面站使FY-3D的國內(nèi)接收數(shù)據(jù)范圍向西延伸了12°，提高了中國境內(nèi)資料接收的時效性。兩個境外數(shù)據(jù)接收地面站的啟用，使全球風(fēng)云三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時效從原來的3h提高到2h以內(nèi)。

5. 衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)能力大幅提升

依托強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和存儲能力，借助“天地一體化”的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過多種渠道為各類用戶提供高時效的數(shù)據(jù)服務(wù)。風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)用戶覆蓋范圍十分廣泛，國內(nèi)用戶覆蓋包括31個省市自治區(qū)和港澳臺地區(qū)，國際用戶覆蓋84個國家，其中包括40個“一帶一路”國家。針對用戶對風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)的需求，可通過衛(wèi)星直收站、中國氣象局廣播系統(tǒng)（CMACast）、全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）、地面專線、網(wǎng)站訂購、綠色網(wǎng)絡(luò)通道以及協(xié)議人工服務(wù)等多種服務(wù)方式和渠道獲取風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)。風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)（http://data.nsmc.org.cn）的注冊人數(shù)已經(jīng)超過6萬人，年數(shù)據(jù)服務(wù)量已經(jīng)超過3PB（圖3）。

圖3 風(fēng)云衛(wèi)星共享服務(wù)成果 （左：2008—2017年服務(wù)數(shù)據(jù)量；右：2005—2017年網(wǎng)站注冊人數(shù)）

6. 衛(wèi)星定量產(chǎn)品種類更加豐富

風(fēng)云氣象衛(wèi)星目前可通過數(shù)十個遙感儀器從太空獲取陸表、海表、大氣以及近地空間的輻射值和遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理生成1級數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，研發(fā)出數(shù)百種氣象衛(wèi)星產(chǎn)品，產(chǎn)品種類更加豐富，覆蓋云和大氣、陸表、海表、冰雪、輻射、閃電和空間天氣等多種類型，可直接應(yīng)用于多個領(lǐng)域，風(fēng)云衛(wèi)星產(chǎn)品表如表3所示。

表3 風(fēng)云氣象衛(wèi)星產(chǎn)品表

續(xù)表3

三、風(fēng)云衛(wèi)星應(yīng)用進(jìn)展

1. 風(fēng)云衛(wèi)星在氣象方面的應(yīng)用

氣象衛(wèi)星最主要的應(yīng)用就是氣象領(lǐng)域，氣象衛(wèi)星資料在天氣預(yù)報、數(shù)值模式、氣候分析等工作中已經(jīng)不可或缺。

數(shù)值天氣預(yù)報。衛(wèi)星資料已經(jīng)成為全球數(shù)值天氣預(yù)報所依賴的最重要的觀測系統(tǒng)。目前，中國氣象局正大力開展衛(wèi)星資料在數(shù)值預(yù)報中的應(yīng)用研究，這是提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確率的重要手段，將衛(wèi)星探測資料加入到數(shù)值預(yù)報的三維同化系統(tǒng)中，能顯著提高數(shù)值天氣預(yù)報的精度和時效。風(fēng)云二號衛(wèi)星的一些產(chǎn)品，如衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)、水汽晴空輻射等，經(jīng)過同化試驗后表明有顯著的應(yīng)用潛力。由于第一代風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星只有成像儀器，難以對數(shù)值天氣預(yù)報提供強(qiáng)有力的支持，因此，我國在發(fā)展第二代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號時，將紅外和被動微波垂直探測技術(shù)作為優(yōu)先考慮的對象。風(fēng)云三號衛(wèi)星大氣探測儀器資料，是數(shù)值預(yù)報模式直接輻射同化的重要資料源，已陸續(xù)應(yīng)用到業(yè)務(wù)模式中。同時，由于海面氣象臺站稀少，風(fēng)云氣象衛(wèi)星已成為臺風(fēng)觀測最主要的手段。云圖和其他氣象衛(wèi)星定量觀測資料用于分析和預(yù)報臺風(fēng)的位置、強(qiáng)度和天氣，做到了一個不漏，大大減小了臺風(fēng)所造成的損失。

氣候分析。以衛(wèi)星遙感為主的空基觀測是近四十年發(fā)展起來的一項新型探測技術(shù)，它具有覆蓋范圍廣、信息量大、重復(fù)頻率高、信息源可靠等諸多優(yōu)勢，是其他任何常規(guī)觀測都無法替代的重要信息源。未來十到二十年，以遙感手段特別是基于空間的衛(wèi)星遙感技術(shù)將逐步成為主要探測手段，以遙測手段特別是基于地基的遙測系統(tǒng)將作為綜合探測的基準(zhǔn)系統(tǒng)。我國大范圍降水和溫度的異常分布與厄爾尼諾、拉尼娜事件為代表的太平洋海表水溫異常、陸地上的植被分布、極地和青藏高原上的積雪分布等大范圍陸地表面狀態(tài)異常有關(guān)系。氣象衛(wèi)星提供了這些大范圍海洋和陸地表面狀態(tài)異常的信息，為短期氣候預(yù)測提供了支撐。

2. 風(fēng)云衛(wèi)星在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

我國是環(huán)境和自然災(zāi)害種類較多、發(fā)生頻繁的國家之一，風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星在洪澇、森林草原火情、沙塵暴、雪災(zāi)、水環(huán)境和海冰等監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星建立了我國氣象衛(wèi)星監(jiān)測大氣成分的里程碑，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了從衛(wèi)星遙感監(jiān)測獲取全球的臭氧總量、臭氧廓線、可見光氣溶膠光學(xué)厚度以及紫外氣溶膠指數(shù)產(chǎn)品，可以實現(xiàn)對我國以及全球大氣臭氧濃度、氣溶膠污染、霾、沙塵、火山灰以及區(qū)域秸稈焚燒煙霾的強(qiáng)度和分布等大氣環(huán)境狀況進(jìn)行實時監(jiān)測?？蔀槲覈h(huán)境氣象業(yè)務(wù)的開展提供衛(wèi)星定量監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3. 風(fēng)云衛(wèi)星在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是氣象衛(wèi)星資料應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，可以為農(nóng)業(yè)提供諸如日照、降水、氣溫、陸表溫度、植被分布、蒸散、土壤濕度、地面反照率、地面輻射及地面熱通量等氣象參數(shù)和陸面參數(shù)。隨著風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星全球數(shù)據(jù)獲取能力的提升，可以提供全球主要農(nóng)作物區(qū)域分布以及產(chǎn)量估算等產(chǎn)品。同時，通過與高分辨率衛(wèi)星相結(jié)合，由遙感、氣象數(shù)據(jù)耦合形成的面狀氣象參數(shù)產(chǎn)品可以為農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測與預(yù)警提供更為豐富的數(shù)據(jù)源，對全球和全國重點(diǎn)區(qū)域的作物病蟲害發(fā)生面積和發(fā)生程度，以及小麥、水稻、玉米等作物的主要病蟲害發(fā)生現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。衛(wèi)星遙感農(nóng)作物長勢和產(chǎn)量預(yù)估對農(nóng)作物期貨市場亦有指導(dǎo)意義。除此之外，利用氣象衛(wèi)星可以對全球土地荒漠化以及局部區(qū)域的干旱情況進(jìn)行跟蹤和分析，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢預(yù)測，為政府部門決策提供依據(jù)。

4. 風(fēng)云衛(wèi)星在重大服務(wù)保障、防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用

多年來，風(fēng)云衛(wèi)星在決策、公共氣象服務(wù)、重大氣象災(zāi)害和重大事件活動氣象服務(wù)保障工作中發(fā)揮了重要作用。風(fēng)云四號衛(wèi)星在天氣監(jiān)測分析中的初步應(yīng)用取得顯著效果。FY-4A衛(wèi)星資料開展了沙塵暴、臺風(fēng)、強(qiáng)對流等災(zāi)害天氣領(lǐng)域的應(yīng)用，在“十九大”氣象服務(wù)保障、“一帶一路”國際合作高峰論壇、第13屆全運(yùn)會（天津）、金磚國家領(lǐng)導(dǎo)人第9次會晤（廈門）、內(nèi)蒙古自治區(qū)成立70周年慶?；顒印20峰會、2018年青島上合組織峰會等重大活動氣象保障服務(wù)中發(fā)揮了重要作用，為氣象決策提供了強(qiáng)有力的支撐，顯著提升了遙感應(yīng)用服務(wù)效果。

除了以上幾個主要應(yīng)用領(lǐng)域，風(fēng)云衛(wèi)星在醫(yī)學(xué)、交通、航空、金融等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用空間。利用風(fēng)云衛(wèi)星生成氣候?qū)W變量可用于傳染病流行研究。利用風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星生成的對流層頂折疊和閃電產(chǎn)品，可用于民航航路規(guī)劃和實時監(jiān)測，大霧產(chǎn)品可用于交通指揮中心、高速公路管控以及大型物流公司的陸路運(yùn)輸。

四、展望

風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星已經(jīng)成功完成了靜止、極軌兩個系列氣象衛(wèi)星的更新?lián)Q代，進(jìn)入了新的發(fā)展階段。風(fēng)云三號后續(xù)衛(wèi)星計劃共4顆，包括3顆近極地太陽同步軌道衛(wèi)星（按照晨昏、上午、下午各1顆布局）和1顆傾斜軌道降水測量衛(wèi)星，增強(qiáng)全球觀測能力，尤其是對數(shù)值預(yù)報應(yīng)用的支持。風(fēng)云四號后續(xù)光學(xué)系列業(yè)務(wù)衛(wèi)星的分辨率將提高到2km（紅外），全圓盤觀測時間分辨率達(dá)到1min，新增快速成像儀可獲取1min間隔的區(qū)域圖像，最高分辨率達(dá)到250m。后續(xù)風(fēng)云衛(wèi)星的性能將全面達(dá)到和部分超越國際先進(jìn)水平，可以為我國農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、海洋、環(huán)保、交通、航空航天、教育以及公眾服務(wù)等領(lǐng)域提供有力支撐，為全球尤其是“一帶一路”沿線國家提供優(yōu)質(zhì)的氣象服務(wù)。