全球先進地球靜止軌道氣象衛星一覽

　　編者的話：12月11日0時11分04秒，我國新一代地球靜止軌道氣象衛星「風雲四號」01星搭乘「長徵三號乙遙42」運載火箭在西昌衛星發射中心成功發射。幾天後，它將抵達東經99.5度約3.6萬公裡赤道上空，正式獲得「風雲四號A星」的新名字。在同一個地球靜止軌道上，它將和許多主要國家的靜止軌道衛星成為「鄰居」。

　　在這些「小夥伴」裡，有剛比「風雲四號」01星早一個月定居的GOES-16、「向日葵9號」，有兩年前定居的「向日葵8號」和五年前定居的Electro-L，它們有的來自美國，有的來自日本，還有的來自俄羅斯。按照計劃，再過兩年，來自歐洲的MTG-I也將成為「風雲四號」01星的「新夥伴」。

　　這些先進的靜止軌道氣象衛星在太空「攜手」，密切監視著地球天氣的「一舉一動」，在氣象、水利、農業、林業、環境、能源、航空和海洋等領域成為人類安排活動的重要「參謀」。

風雲四號01星 

　　美國GOES-16：將為氣象預報帶來「革命性變化」

　　當地時間11月19日晚，美國GOES-R衛星由「阿特拉斯5」（Atlas V）運載火箭送入軌道。經過大約10天的5次變軌，衛星順利定點於西經89.5度，並被正式命名為GOES-16，以美國新一代靜止氣象衛星首顆星身份，進入了GOES衛星序列。

　　GOES-16代表著美國高軌氣象衛星的最先進水平，搭載有高速多光譜相機、閃電成像儀和一套空間天氣儀器，可提供西半球連續的高解析度颶風和其他風暴圖像。美國稱，GOES-16將給氣象預報帶來「革命性變化」。

　　三類載荷各有突破

　　GOES-16配備的先進基準成像儀（ABI）探測通道增加為覆蓋可見光和近紅外的16個（原為5個通道），空間解析度是原有GOES衛星成像儀的五倍。「結合都卜勒雷達數據，衛星光譜圖像將提高我們對風暴消長的認識。」美國國家氣象局觀測處主任約瑟夫·皮卡說。

　　「對於天氣預報員來說，GOES-16的發射就像是從黑白電視時代進入超高畫質電視時代。」美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）主管衛星和信息的副局長史蒂芬·沃爾茲說，「這將意味著更快、更準確的天氣預報和預警，意味著可以挽救更多生命，並為國家和地方官員等提供更好的決策服務。」

　　GOES-16的觀測範圍是整個西半球。「GOES-16能夠每五分鐘提供地球西半球圖像；對於颶風或雷暴，能做到每30秒拍攝一張圖像。」NOAA的GOES-16項目主任格雷戈·曼特介紹，「圖像獲取後，將在幾秒鐘或幾分鐘內傳給預報員。」GOES-16還是國際上搭載首個閃電成像儀的衛星，能夠提供每秒200次的西半球雷電場紅外圖像。

　　GOES-16還配有磁力計、用於探測太陽輻射如何影響上層大氣的紫外線X射線傳感器、用於持續監測太陽的紫外線成像儀，以及用於測量來自太陽會影響通信和導航的帶電粒子的傳感器。

　　2036年前的換代計劃

　　作為美國新一代靜止氣象衛星，GOES-16的成功發射開啟了NOAA靜止氣象衛星更新換代的序幕。

　　「美國很注重規劃的科學性、合理性，長期保持兩顆衛星處於連續業務觀測位置，建立了衛星在軌備份以及應急區域觀測機制。」風雲四號01星地面應用系統總設計師張志清此前在接受採訪時說。具體來說，在任何時候，都有兩顆GOES衛星在軌運行，其中一顆位於美國東部上方（GOES-東，西經75度），另一顆位於美國西部上方（GOES-西，西經137度）。在過去數年的不同時間點，包括在2012年颶風「桑迪」肆虐期間，NOAA都曾把其中一顆GOES衛星調為一種試驗性的超快掃描模式，其數據更新速度達到每分鐘一次。根據NOAA官方公布的最新計劃，GOES-16將於2017年5月左右進入西經137度或西經75度的操作經度。

　　這一次美國新一代靜止氣象衛星換代項目由NOAA負責管理，美國國家航空航天局（NASA）提供支持，具體由洛克希德馬丁航天系統公司承接建造，包括GOES-16在內，計劃發射四顆衛星，項目總投資約110億美元，目標是在2036年前為西半球提供不間斷觀測。GOES-16同系列的下一顆氣象衛星GOES-S將於2018年初發射，GOES-T和GOES-U的發射時間分別是2019年左右和2025年左右，四顆衛星設計壽命都為11年。

　　四顆衛星的主要進展是，基準成像儀能力大幅提高，增加了先進的閃電成像儀。但遺憾的是，由於經費等原因，對觀測大氣垂直運動有十分重要作用的垂直探測儀器目前並沒有在計劃之列。（盧健）

　　日本向日葵8號和9號：大幅提高颱風觀測能力

　　11月2日，東京時間15時20分，在日本南部鹿兒島縣的種子島宇宙中心，H2A運載火箭第31次起航，將「向日葵9號」衛星送入太空。約30分鐘後，衛星與火箭成功分離進入預定軌道。再經過大約一周時間，「向日葵9號」就進入了高度約3.6萬公裡的地球同步軌道。

　　此前，代表著日本新一代靜止氣象衛星最高水平的是「向日葵8號」，它於2014年發射，是世界上首顆拍攝彩色圖像的地球同步軌道氣象衛星。「向日葵9號」與「向日葵8號」屬於同一類型，到達指定地點後，它將作為「向日葵8號」的備用衛星使用。按照計劃，「向日葵9號」將於2022年起代替「向日葵8號」進行氣象觀測。

　　據日本氣象廳介紹，形成兩顆衛星的體系後，將能確保長期穩定的觀測。該廳衛星整備計劃官大友猛表示：「希望兩顆衛星體系提供更高精度的氣象信息，幫助降低災害影響。」

　　這兩顆新一代的靜止氣象衛星定位於東經140度，採用三軸穩定方式，裝有先進的葵花成像儀（AHI），這與美國地球靜止環境業務衛星GOES-R的先進基線成像儀（ABI）相似。通過葵花成像儀正常掃描全圓盤圖的時間小於10分鐘，也可以在選定的時間對特定區域進行掃描，每2.5分鐘能夠獲得一幅區域圖像，它的在軌工作壽命預期為8年。

　　它們的成像儀還擁有16個可見光和紅外通道，可見光的高空間解析度達到0.5公裡到1公裡，紅外高空間解析度達到1公裡到2公裡，再加上成像速度快，觀測區域和時間靈活可變等特點，使日本氣象廳得以改進和生成很多新的產品，其中包括大氣運動矢量、晴空輻射、雲網格信息、洋面溫度等。以有重大改進的大氣運動矢量為例，更高的空間解析度和更頻繁的觀測對大氣運動目標提供了更高的跟蹤精度。

　　此外，在「向日葵8號」的有力支持下，日本氣象廳還開發了不穩定性指數和火山灰監測產品。不穩定性指數是根據多通道觀測數據，利用一維變分方法從大氣溫度和溼氣廓線計算出來的數據，用於天氣預報，能夠更早地預測暴雨和雷暴等惡劣天氣。因為直接影響飛機飛行，火山灰的監測近年來越來越受到重視，利用「向日葵8號」能夠測得火山灰強度和高度定量信息。

　　回顧歷史，日本第一顆地球靜止軌道氣象衛星GMS-1於1977年7月14日發射，之後陸續發射了5顆「地球靜止氣象衛星」，一直運行到2003年。在此期間，東亞太平洋和澳大利亞地區的衛星觀測主要依賴日本地球靜止氣象衛星。接替該系列衛星的是日本「多用途運輸衛星」（MTSAT），這是由日本運輸省和日本氣象廳合作投資的，具備氣象觀測和飛行控制功能。在「向日葵8號」之前運行的多用途運輸衛星2號，即「向日葵7號」，它於2006年2月18日發射，定位於東經145度，2010年7月1日成為主用業務衛星。

　　與 「向日葵7號」相比，「向日葵8號」和「向日葵9號」都是專用氣象衛星，沒有飛行控制等功能，但它們更優的性能和先進的探測儀器使得其解析度較此前提高一倍，觀測間隔也大幅縮短，特別是對颱風的觀測能力大大提高。在2015年「蘇迪羅」和2016年「尼伯特」「鯰魚」等颱風的監測中，「向日葵8號」提供了更加清晰的颱風圖像，幫助預報員更好地捕捉到了颱風中心附近的風向及風速。（張格苗）

　　歐洲MTG系列：歐洲最大型太空計劃成果

　　歐洲下一代地球同步軌道氣象衛星計劃為MTG系列，該計劃由歐洲氣象衛星組織（EUMETSAT）和歐洲空間局（ESA）聯合提出，將以MTG-I（成像衛星）和MTG-S（探測衛星）雙星運行，各自承載不同的探測儀器，計劃發射6顆衛星（4顆MTG-I和2顆MTG-S）。該計劃被稱為歐洲實施的最大型、最複雜的太空計劃之一，首顆MTG-I衛星預計將於2018年發射。

　　ESA最初於1972年提出氣象衛星計劃，開始重點發展地球同步軌道應用，並於1977年11月23日成功發射了Meteosat-l衛星。1983年，歐洲16國籌建研製第二代地球靜止軌道氣象衛星（MSG），並規劃了4顆可至少持續工作到2018年的衛星。自2000年起，歐洲氣象衛星開發組織（EUMETSAT）與歐空局（ESA）開始規劃下一代地球同步軌道氣象衛星（簡稱MTG）。

　　MTG系列衛星均採用三軸穩定平臺。MTG-I衛星上的主要載荷包括組合成像儀、閃電成像儀、數據採集系統以及搜救系統；MTG-S衛星上的主要載荷包括紅外探測儀和紫外可見光近紅外探測儀。

　　其中，MTG-I星搭載的組合成像儀將繼承其上一代靜止衛星系列自旋可見光紅外成像技術，將高解析度快速成像和全圓盤高光譜解析度成像功能合併實現。在正常的工作模式下，組合成像儀覆蓋地球圓盤一次只需要10分鐘。此外，組合成像儀在雲、氣溶膠、溼度和火災探測等方面的性能都得到了改進，並增加了新通道，提高了時間解析度、空間解析度和輻射測量解析度。

　　MTG-S衛星上的「主角」則是地球同步軌道的紅外探測儀，能夠提供大氣水汽和溫度水平、垂直的立體分布和瞬時分布（即四維結構）信息。紅外探測儀具有800個長波紅外光譜通道和920個中波紅外光譜通道，能夠在60分鐘內凝視和掃描整個地球圓盤。紅外探測儀能穿透雲和雨的毫米波波段，其觀測對象包括長波紅外波段的臭氧帶和中波紅外波段的一氧化碳。通過對自由對流層進行測量，紅外探測儀可以得到邊界層以下的汙染增強等級信息。（牛彥元）

　　俄羅斯Electro-L：曾拍出地球最清晰圖像

 

　　俄羅斯2011年發射的靜止氣象業務衛星Electro-L在2012年火了一把。當年5月，Electro-L僅用一個鏡頭拍攝到了地球高清完整照片，解析度達到121兆像素，創造了截至2012年史前最清晰的地球圖像。

　　與之前由拍攝合成的大部分地球圖片不同，Electro-L氣象衛星所拍攝的地球完整圖片來自一個拍攝鏡頭，而不是通過多張圖片合成完整的一張圖片。由於僅通過一個拍攝鏡頭拍到地球全貌並不容易，因此這張完整高清地球照片顯得非常珍貴。

　　早在上個世紀，蘇聯就宣布要發射靜止軌道通信、海洋和氣象衛星-N1（GOMS-N1），但計劃一再推遲，一直到1994年11月才發射。它是三軸穩定衛星，定位於東經76度。但發射後成像儀故障，未能獲取可見光圖像。

　　第二代衛星Electro-L系列的第一顆Electro-L N1（又稱為GOMS-N2）於2011年1月23日發射，三軸穩定姿態，定位於東經76度，裝有10通道成像儀（MSU-GS），與歐洲「第二代氣象衛星」的改進型自旋可見光紅外成像儀（SEVIRI）相似，有3個可見光通道，7個紅外通道和太陽地球物理探測器（GGAK）。同系列還有兩顆衛星計劃發射，一顆是Electro-L N2，定位於西經14.5度，另一顆是Electro-L N3，定位於東經166度。這3顆衛星將組成覆蓋俄羅斯國土的靜止氣象衛星觀測網。

　　事實上，由於俄羅斯國土大多處於高緯地區，靜止氣象衛星觀測效果欠佳，極軌衛星觀測頻次又不夠密，因此需要大橢圓軌道衛星觀測。俄羅斯的大橢圓軌道衛星系統將通過Arctica項目來實現，該系統同時有兩顆衛星在橢圓軌道運行，軌道周期12小時，每顆衛星對高緯地區觀測6.4個小時後由另一顆衛星觀測，使得一天24小時都能獲得觀測資料。

　　不過，雖然大橢圓軌道衛星仍然使用和Electro-L一樣的衛星，探測儀器也相同，但已經不在地球靜止軌道上了。（張格苗）

　　（來源：《中國氣象報》2016年12月14日四版 責任編輯：張林）