何錫玉 蔡夕方 朱亞平 張雷

（ 中國人民解放軍91001部隊，北京 100161）

0 引言

衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、觀測連續(xù)性強、不受自然條件和地域限制的優(yōu)勢，是監(jiān)測和預防氣象災害及其他自然災害的有效手段。我國從20世紀70年代開始實施自己的氣象衛(wèi)星計劃，經過40多年的工作，已經成功發(fā)射了風云一號（FY-1）、風云二號（FY-2）、風云三號（FY-3）、風云四號（FY-4）系列氣象衛(wèi)星共16顆，其中極地軌道系列氣象衛(wèi)星(FY-1、FY-3)共8顆，完成了極軌氣象衛(wèi)星從試驗應用型向業(yè)務服務型的轉變，從第一代極軌氣象衛(wèi)星到第二代極軌氣象衛(wèi)星的轉變，從單一探測到綜合探測的轉變，從定性應用到定量應用的轉變，實現了業(yè)務化、系列化和定量化的發(fā)展目標。

1 風云極軌氣象衛(wèi)星發(fā)展歷程

風云一號衛(wèi)星分為兩個批次，各兩顆星。01批的FY-1A星于1988年7月9日發(fā)射，FY-1B星于1990年9月3日發(fā)射。02批衛(wèi)星在01批星的基礎上，改進了姿態(tài)控制系統的可靠性和掃描輻射計的性能，將原先5個通道（0.48～0.63 μm、0.53～0.58 μm、0.58～0.68 μm、0.725～1.10 μm、10.5～12.5 μm）增加到10個通道（0.43～0.48 μm、0.48～0.53 μm、0.53～0.58 μm、0.58～0.68 μm、0.84～0.89 μm、0.900～0.965 μm、1.58～1.64 μm、3.55～3.93 μm、10.3～11.3 μm、11.5～12.5 μm）；甚高分辨率圖像傳輸數傳碼速率相應提高一倍，由0.6654 Mbps提高到1.3308 Mbps；星上裝置了固態(tài)存儲器，實現了延時圖像傳輸的數字化。這一系列的改進使02批星性能得到大幅度的提高，壽命都大大超過2年的設計壽命。02批的FY-1C星于1999年5月10日發(fā)射，FY-1D星于2002年5月15日發(fā)射。

風云三號衛(wèi)星是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星，它是在風云一號衛(wèi)星技術基礎上的發(fā)展和提高，在功能和技術上向前跨進了一大步，具有質的變化。風云三號01星（FY-3A）和風云三號02星（FY-3B）上搭載了眾多先進的探測儀器，包括可見光紅外掃描輻射計、紅外分光計、微波輻射計、中分辨率成像光譜儀、微波成像儀、紫外臭氧探測器、地球輻射收支探測器、空間環(huán)境監(jiān)測器等。風云三號03星（FY-3C）充分繼承了FY-A/B星的成熟技術，核心遙感儀器技術狀態(tài)在原有基礎上進一步提升性能。星上搭載了12臺套遙感儀器，包括：可見光紅外掃描輻射計、紅外分光計、微波溫度計、微波濕度計、微波成像儀、中分辨率光譜成像儀、紫外臭氧垂直探測儀、紫外臭氧總量探測儀、地球輻射探測儀、太陽輻射測量儀、空間環(huán)境監(jiān)測儀器包和全球導航衛(wèi)星掩星探測儀。而風云三號04星（FY-3D）裝載了10臺套先進的遙感儀器，除了微波溫度計、微波濕度計、微波成像儀、空間環(huán)境監(jiān)測儀器包和全球導航衛(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行了大幅升級改進，性能提升顯著。這些先進的探測儀器具體為解決三維大氣探測，大幅度提高全球資料獲取能力，進一步提高云區(qū)和地表特征遙感能力，從而能夠獲取全球、全天候、三維、定量、多光譜的大氣、地表和海表特性參數。

FY-3氣象衛(wèi)星的應用目的包括四個方面：①為中期數值天氣預報提供全球均勻分辨率的氣象參數；②研究全球變化包括氣候變化規(guī)律，為氣候預測提供各種氣象及地球物理參數；③監(jiān)測大范圍自然災害和地表生態(tài)環(huán)境；④為各種專業(yè)活動（航空、航海等）提供全球任一地區(qū)的氣象信息，為軍事氣象保障服務（http://www.nsmc.org.cn/NSMC/Channels/100184.html）。風云三號01批為試驗星，包括兩顆衛(wèi)星，即風云三號01星（FY-3A）和風云三號02星（FY-3B），已分別于2008年5月27日和2010年11月5日成功發(fā)射。風云三號02批衛(wèi)星是我國第二代業(yè)務極軌氣象衛(wèi)星，風云三號03星（FY-3C）是02批衛(wèi)星的首發(fā)星，于2013年9月23日成功發(fā)射。風云三號04星（FY-3D）是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星第二顆業(yè)務星，于2017年11月15日成功發(fā)射。

2 應用研究進展

2.1 衛(wèi)星數據預處理

風云極軌氣象衛(wèi)星為三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，FY-1衛(wèi)星使用的地平穿越式紅外地平儀，姿態(tài)測量精度較低，無法直接用于遙感數據地理定位計算過程中的姿態(tài)校正，主要通過地標點匹配計算方法來估計衛(wèi)星的姿態(tài)誤差，然后采用參數化方法進行遙感圖像地理定位計算。第二代極軌氣象衛(wèi)星FY-3星上搭載了高動態(tài)GPS接收機，實時提供星載GPS測量的衛(wèi)星三維位置信息，并由星載陀螺儀和星敏感器自動測量衛(wèi)星姿態(tài)數據。FY-3衛(wèi)星地理定位算法進一步提高了坐標系統轉換精度，同時采用衛(wèi)星的精密定軌和高精度軌道預報相結合的方法，提高了GPS測量數據的可靠性和軌道計算的可靠性及連續(xù)性。

近年來，國家氣象衛(wèi)星中心先后研發(fā)了交叉定標、地球穩(wěn)定目標定標、月亮定標、深對流云定標等多種定標技術，建立了一套將發(fā)射前實驗室定標、多場地定標、月亮定標、深對流云定標和交叉定標融為一體的綜合定標系統。該系統利用不同定標方法的優(yōu)勢，經綜合分析得到反射太陽波段在軌響應變化特征，有效解決了場地定標存在的問題。目前風云氣象衛(wèi)星太陽反射波段平均定標偏差在5%左右。與太陽反射通道相比，由于大氣紅外探測儀（AIRS）和干涉式紅外大氣探測儀（IASI）等紅外高光譜遙感器的出現，紅外通道的交叉定標更為成熟。FY-3衛(wèi)星紅外與微波通道星上定標技術相對成熟，目前紅外通道定標偏差平均在0.5 K左右，微波通道平均定標偏差在1 K以內。

為了滿足數值預報應用需求，明確提出到2020年風云衛(wèi)星紅外波段在軌輻射定標精度達到0.4 K，微波在軌輻射定標精度達到0.8 K，可見近紅外波段在軌輻射定標精度在5%以內。

2.2 衛(wèi)星載荷探測及產品反演

風云極軌氣象衛(wèi)星可提供數十種定量產品，產品分為大氣、陸地、海洋、空間天氣等幾大類。以FY-3A/B星載儀器為例，儀器光譜范圍十分寬廣，實現了對地球大氣的全天候的多用途綜合探測及產品反演。其中可見光紅外掃描輻射計（VIRR）可探測反演云、植被、雪、冰、陸/海表溫度、氣溶膠、火點等；紅外分光計（IRAS）突破了紅外窄帶濾光片（3 cm）的研制技術，實現了較高光譜分辨率紅外大氣垂直溫濕廓線的探測反演；IRAS和微波溫度計（MWTS）、微波濕度計（MWHS）組成的大氣探測儀器包，利于紅外和微波探測優(yōu)勢互補，協同反演，提高大氣參數溫濕廓線、降水等的反演精度；中分辨率光譜成像儀（MERSI），實現了寬視場（2000 km）和高分辨率（250 m）的全球云和地表特征監(jiān)測，也是世界上首次獲得了全球地表和云特征的自然景觀影像圖譜；微波成像儀（MWRI）采用雙極化探測技術，可進行全天候動態(tài)跟蹤監(jiān)測臺風等強對流天氣，監(jiān)測地面干濕程度，反演洋面風速等；紫外臭氧總量探測儀（TOU）和紫外臭氧垂直探測儀（SBUS），不僅能獲取大氣柱臭氧總量，而且可以探測臭氧在不同大氣壓高度層的分布；太陽輻射監(jiān)測儀（SIM）和地球輻射監(jiān)測儀（ERM）為了解和研究太陽輻射及地氣系統輻射收支提供了寶貴的資料；空間環(huán)境監(jiān)測儀（SEM）可探測高能粒子、星體內輻射、衛(wèi)星表面電位差和粒子事件等，為其他飛行器和中國神州飛船安全飛行提供服務。

從FY-3C星開始，風云極軌氣象衛(wèi)星產品生成系統有較大改進，主要表現在：進一步改進了定量產品反演算法；完善了數據存儲分發(fā)格式；修正了FY-3A/B星產品系統中存在的一些錯誤；建立了產品算法及質量檢驗文檔；新增了大氣掩星探測、極地云導風等產品，產品序列更加完整。FY-3C星定量產品精度整體優(yōu)于FY-3A/B星，同時，首次提供5 km分辨率全球整幅定量遙感產品，用于開展氣候及全球變化研究。

2.3 衛(wèi)星資料同化

風云極軌氣象衛(wèi)星為環(huán)境監(jiān)測、天氣預報、資料同化等提供全球觀測資料。第二代極軌氣象衛(wèi)星發(fā)射成功后，其上搭載的大氣紅外探測器、微波溫度探測器、微波濕度探測器、微波輻射成像儀、GNSS掩星探測儀等載荷為數值天氣預報提供了大量的觀測數據，如圖 1所示。尤其是FY-3的微波觀測資料的利用一直是研究的一個熱點，陸其峰在ECMWF的工作中，定量評價了FY-3A衛(wèi)星觀測資料的質量及應用前景，為FY-3A衛(wèi)星輻射資料的應用打下了基礎。Chen等在陸其峰工作基礎上，在ECMWF同化系統中利用FY-3A/B的微波濕度計資料（MWHS）進行的試驗表明，MWHS觀測資料是對ECMWF微波濕度資料的很好補充，且對數值預報結果產生了積極作用，因此ECMWF將FY-3A/B的MWHS觀測資料加入其同化系統中。Heather Lawrence等對FY-3C的MWHS Ⅱ觀測資料進行了質量評估，并將其應用到ECMWF同化系統中，結果表明對預報系統預報準確度有改進。我國自主研制的全球數值天氣預報系統GRAPES已將FY-3C的微波濕度計Ⅱ型（MWHS Ⅱ）、FY-3B/C的微波成像儀（MWRI）、FY-3C的全球導航衛(wèi)星掩星探測儀（GNOS）等觀測資料進行了同化應用；軍用數值天氣預報系統也已將大量的FY-3衛(wèi)星觀測資料應用到業(yè)務化同化系統中，有效提升了數值天氣預報軍事保障能力。

3 典型應用

風云極軌氣象衛(wèi)星裝載多種探測儀器，可提供豐富的全球影像產品、大氣產品、陸表產品、海洋產品、輻射產品、空間監(jiān)測產品等，在大氣、海洋空間環(huán)境監(jiān)測、數值預報、軍事保障應用等方面發(fā)揮了重要作用。

3.1 全球業(yè)務觀測

FY-3衛(wèi)星具備對大氣、海洋和地表狀態(tài)進行全球、全天候條件下的多光譜和三維精確觀測的能力，能為提高中國及其他亞洲國家，乃至全世界的天氣預報的質量和自然災害與環(huán)境的監(jiān)測水平做出貢獻。圖2為FY-3C可見光紅外掃描輻射計2015年5月16日全球影像圖。

圖 1 FY-3A/B/C/D用于數值天氣預報的探測載荷[8] ① 來源：國家衛(wèi)星氣象中心數據服務http://satellite.nsmc.org.cn/PortalSite/Default.aspx。Fig.1 The FY-3A/B/C/D instrument suits for NWP

圖 2 2015年5月16日FY-3C/VIRR全球影像圖Fig.2 Global image of the FY-3C/VIRR on 16 May 2015

3.2 大氣三維探測

FY-3衛(wèi)星上攜帶有先進的微波探測儀器和紅外垂直探測儀，不僅可以了解云和大氣的表面特性，而且可以了解大氣溫度濕度的垂直結構分布，實現了我國氣象衛(wèi)星從二維遙感成像到三維綜合大氣探測，在極軌氣象衛(wèi)星領域更進一步縮小與美國、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)的差距，增強我國參與國際合作和競爭的能力。

1）臺風三維監(jiān)測。衛(wèi)星遙感以其面積大、全天候和全天時的觀測優(yōu)勢，是監(jiān)測臺風的有效手段。微波濕度計是FY-3衛(wèi)星上的重要載荷，FY-3C星微波濕度計II型是我國FY-A/B星微波濕度計的升級換代產品，在150 GHz、183 GHz的基礎上增加了89 GHz、118 GHz探測頻率，探測通道也由5個增加到15個，顯著提升了微波濕度計的探測能力，實現了多通道的細分探測，并且能夠深入云層探測臺風內部亮溫分布，通過其內部亮溫分布對臺風內部結構進行診斷，對臺風路徑的預報提供技術手段。圖3為FY-3C微波濕度計探測1323號臺風菲特（Fitow）內部結構圖。

2）全球溫濕廓線反演。大氣溫度和濕度廓線是數值天氣預報和實時天氣預報的重要輸入參數，利用星載微波探測儀被動探測全球范圍的大氣溫度和濕度分布及其變化，可彌補偏遠地區(qū)常規(guī)探空氣象資料的不足，是獲取全球大氣溫濕場的最佳選擇之一。

FY-3衛(wèi)星首次搭載的微波遙感器件有微波溫度計（MWTS）、微波濕度計（MWHS）分別用于探測大氣溫度和濕度廓線。圖 4為FY-3C微波濕溫度計和AMSU-B觀測資料反演的大氣溫濕廓線，其結果較為一致。

3.3 海洋環(huán)境監(jiān)測

風云三號不僅可提供豐富的全球大氣產品還可以提供豐富的海洋環(huán)境產品，包括海面溫度、海冰監(jiān)測、海面風速、海洋水色等。

1）海面溫度。海面溫度在海洋動力研究、海洋漁業(yè)等方面有重要的作用，利用衛(wèi)星資料反演海面溫度是獲得大范圍海面溫度重要的途徑。圖5為FY-3C/VIRR反演的全球月平均白天SST分布。

（2）海冰監(jiān)測。海冰對海洋水文要素的垂直分布、海水運動、海洋熱狀況及大洋底層水的形成有重要影響，對航運、建港也構成一定威脅。我國渤海和黃海北部海域，每年冬季皆有不同程度的結冰現象。利用風云三號衛(wèi)星資料，可對渤海的海冰災害進行監(jiān)測。圖 6為2010年1月13日FY-3A/MERSI渤海海冰監(jiān)測圖（圖片來源：中國遙感信息服務網http://rsapp.nsmc.org.cn/uus/index.jsp）。

圖 3 2013年10月2日FY-3C星微波濕度計探測1323號臺風菲特內部亮溫分布[14]（a）118 GHz；（b）183 GHzFig.3 Internal brightness temperature distribution of Typhoon Fitow detected by the FY-3C/MWHS on 2 October 2013(a) 118 GHz; (b) 183 GHz

圖4 FY-3C/MWHTS與AMSU-B觀測資料反演大氣溫濕廓線對比[15]（a）溫度均方差根誤差；（b）濕度均方差根誤差Fig.4 Comparison of temperature and humidity profiles retrieved from the FY-3C/MWHTS and AMSU-B observations:Root mean square errors for temperature (a) and humidity (b)

圖 5 2017年7月（a）、2017年9月（b）、2017年12月（c）和2018年3月（d）的全球月平均白天SST分布圖（FY-3C/VIRR）Fig.5 Global monthly daytime SST of FY-3C/VIRR in July 2017(a),September 2017 (b),December 2017(c),and March 2018(d)

3.4 數值預報應用

數值預報是現代氣象預報預測業(yè)務的基礎。目前，國際上影響和制約數值預報準確率和預報時效的關鍵是大氣運動的初始場和大氣物理及化學過程的處理。根據國家經濟社會發(fā)展需求，中國氣象局在“國家級氣象現代化總體方案”中明確提出到2020年以中國風云衛(wèi)星資料同化應用為核心，研發(fā)多源衛(wèi)星觀測資料數據同化系統，實現衛(wèi)星遙感探測資料占所同化觀測資料總量的80%以上。

風云極軌氣象衛(wèi)星能夠提供全球的溫、濕、云輻射等氣象參數，為中期數值天氣預報提供全球均勻分辨率的氣象參數；能夠全天候、全天時獲取全球大氣亮溫分布圖像，進而反演全球降雨及溫度和濕度的垂直分布，為中長期數值天氣預報以及全球環(huán)境和氣候變化研究提供服務。圖7為FY-3C星的MWHS II、MWTS II觀測資料同化在臺風海鷗路徑預報偏差中的試驗，綠色實線代表只同化了常規(guī)觀測資料的臺風路徑預報結果偏差，紅色實線表示同化了常規(guī)資料和MWTS II觀測資料的臺風路徑預報結果偏差，藍色實線表示同化了常規(guī)觀測和MWHS II觀測資料的臺風路徑預報結果偏差?？梢缘贸?，在臺風路徑預報偏差上，只同化常規(guī)觀測資料的試驗結果偏差最大，而在常規(guī)觀測資料上加上MWTS II觀測資料或MWHS II觀測資料都對臺風路徑預報產生了正影響。

3.5 軍事保障應用

隨著軍隊作戰(zhàn)使命任務的拓展和戰(zhàn)略轉型建設逐步深化，大量高新技術武器裝備系統及作戰(zhàn)平臺的使用尤其是海上作戰(zhàn)平臺的使用對信息化建設的需求越來越迫切，特別是航母編隊的建設及發(fā)展，大氣海洋環(huán)境保障需求幾乎覆蓋全球，全球化軍事行動、非戰(zhàn)爭軍事行動、新型武器系統和作戰(zhàn)平臺對軍事大氣海洋環(huán)境保障能力提出了更高的要求。

現階段，針對軍事大氣海洋環(huán)境保障需求，充分挖掘FY-3衛(wèi)星數據產品在軍事大氣海洋環(huán)境保障中的應用，研究制定基于FY-3衛(wèi)星數據產品的軍事大氣海洋保障應用系統，從而提升軍事大氣海洋環(huán)境保障綜合能力，主要體現在以下幾方面：

1）利用FY-3衛(wèi)星獲取全球可見光和紅外云圖，針對軍事訓練作戰(zhàn)任務的特點進行反演監(jiān)測，重點監(jiān)測海上和目標區(qū)低云大霧的發(fā)生及演變情況，為水面艦艇航行和航空飛行安全、精確制導武器運用保障提供實時云霧環(huán)境信息。

2）利用FY-3衛(wèi)星獲取全球海面風場和海面溫度信息，為海上軍事行動和艦（艇）載武器裝備運用提供實時海況信息保障；獲取低軌道空間粒子輻射能譜和輻射劑量，為航天器故障分析和運行安全保障提供實時粒子輻射監(jiān)測信息。

3）利用FY-3衛(wèi)星資料反演生成大氣海洋環(huán)境參數定量產品，為軍用大氣海洋數值預報提供初始場。

圖 6 2010年1月13日10:50（北京時）FY-3A/MERSI渤海海冰監(jiān)測圖Fig.6 Bohai Sea ice monitoring of FY-3A/MERSI at 10:50 BT on January 13, 2010.

圖 7 臺風海鷗路徑預報偏差試驗（FY-3C/MWHTS）Fig.7 The path deviation forecast test of Typhoon Kalmaegi

4 展望

在國家創(chuàng)新戰(zhàn)略發(fā)展框架下，風云極軌氣象衛(wèi)星系統工程要在國家建設中發(fā)揮科技支撐作用，支撐國家提高應對自然災害與突發(fā)事件的能力，提升國家防災減災能力，保障國家安全；支撐國家戰(zhàn)略新興產業(yè)發(fā)展，滿足日益擴展的社會對風云衛(wèi)星遙感信息的服務需求；繼續(xù)拓展完善風云三號全球觀測能力，參與國際對地觀測活動，推進國際化合作，保障國家利益。

第二代極軌氣象衛(wèi)星風云三號03批衛(wèi)星將瞄準氣象衛(wèi)星國際發(fā)展先進水平，發(fā)展以數值天氣預報為主要應用目標的晨昏星；以地球表面成像觀測為主要應用目標的上午星；以大氣定量探測和氣候變化監(jiān)測為主要應用目標的下午星；以災害性天氣系統強降水監(jiān)測為主要應用目標的降水星，進一步完善和豐富我國現有的現代氣象業(yè)務觀測體系。建成世界一流的風云極軌氣象衛(wèi)星觀測體系，實現我國第二代極軌氣象衛(wèi)星的組網業(yè)務化觀測，帶動我國氣象衛(wèi)星應用進入成熟發(fā)展階段，實現氣象現代化所確定的2020年氣象衛(wèi)星及應用發(fā)展目標。