姜园园+陈轶夫+陈励

“风云四号”全身有多项新装备，不仅看得更清，反应更快，能对大气做“切片”，“抓”闪电，还能提供不同的观测模式

2016年12月26日，成功定点10天后，中国新一代静止气象卫星“风云四号”A星状态良好，将开展为期一年的在轨测试和试验。

“风云四号”A星是中国首颗静止轨道上三轴稳定的定量遥感卫星，代表着当今气象卫星最先进水平，在多方面实现了重大技术突破。其成功发射，也拉开了中国静止轨道气象卫星升级换代的序幕。

这颗被称为“风四郎”的最牛气象卫星，将为中国乃至全球气象、气候观测带来哪些变化？

看得更清，反应更快

“风四郎”上天后，有网友问道：“风云二号”分辨率1.25公里，“风云四号”500米，可是谷歌地图分辨率都达到1米了，我们是不是落后500年？

这个问题的答案，涉及气象卫星和其他卫星的不同：气象卫星最“关心”的拍摄对象并非地表的建筑物，而是高空中无时无刻不处在运动状态的大气。因此，二者不可如此类比。

与中国第一代静止气象卫星“风云二号”的1.25公里相比，“风云四号”的500米可见光最高分辨率有了6倍的提高;红外通道的分辨率也从“风云二号”的5公里提高到了2公里和4公里。

这位让“风云四号”拥有更佳视力的功臣是“风云四号”四大载荷之一—先进的静止轨道辐射成像仪，它也是迄今为止中国静止轨道最先进的成像仪。

从通道数来看，先进的静止轨道辐射成像仪在“风云二号”5个通道的基础上，增加到14个通道，包括可见光、近红外和红外通道等。

除了能看得更清楚以外，“风云四号”的反应也更敏捷，这与“风云四号”的三轴稳定结构密切相关。

“‘风云二号采取的是类似陀螺旋转的自旋稳定结构，技术难度相对较小，但缺点显而易见：在自转过程中，从35800公里外观测地球，只有一小部分时间可以扫描地球，其他大部分时间都在扫描太空。”国家卫星气象中心副主任魏彩英告诉《瞭望东方周刊》。

而相较于自旋稳定，三轴稳定就像把相机放在三角架上，可以24小时“凝视”地球。结果是，完成1幅圆盘图观测，时间可由“风云二号”所需的30分钟缩短至15分钟。此外，“风云四号”还可以灵活地对想要观测的区域进行高频次连拍，针对东西、南北各一千公里区域的观测时间仅需要1分钟。

做“切片”，“抓”闪电

当大气垂直运动变化剧烈时，就会生成让人谈之色变的强对流天气。摸清大气垂直运动的“脉搏”，就能及时预报强对流天气的发生、发展。

在大气垂直探测仪器装载于气象卫星之前，有一个设备可以帮助天气预报人员获得大气温度、湿度的垂直分布情况，那就是全国一百多个探空站每天上下午定时施放的探空气球。

“但探空气球存在地域局限性。”中国工程院院士许健民告诉《瞭望东方周刊》，在没有人的偏远陆地和海洋就无法通过施放探空气球来获取探空资料。有了卫星垂直探测技术以后，为在世界任何地方收集大气垂直资料提供了可能性。

“风云四号”搭载的是世界首个静止轨道干涉式红外探测仪。这个探测仪有1600多个探测通道，就像CT切片一样，把晴空大气在垂直方向上切层，获得大气垂直方向上的精细数据。重要的是，“风云四号”与地球保持相对静止，1个小时就能完成一次对中国及周边区域大气的垂直探测，相较于极轨卫星多星组网探测频次和探空站的12小时一次，在时间分辨率方面强势胜出;同时，静止轨道干涉式红外探测仪的空间分辨率是16公里，大大优于探空站200公里的平均间隔。

强对流天气往往都伴随着强烈而密集的闪电，因而闪电监测也被人们称作是强对流天气的“示踪器”。

鉴于闪电对强对流天气独特的指示作用，以及静止卫星观测平台突出的时空覆盖优势，近年来，发展地球静止轨道卫星闪电成像仪，以实现对闪电和强对流天气的实时、连续观测成为国际上闪电探测的一个重要发展课题。

然而，“抓”闪电却绝不简单。“风云四号”A星地面应用系统总设计师张志清告诉《瞭望东方周刊》，一般来说，闪电持续时间很短，比人类眨眼的速度还快。“风云四号”仪器团队中“抓闪电”的高手就是静止轨道闪电成像仪，这也是中国首次在卫星上安装这一仪器。

“风云四号”上还搭载了空间天气仪器包，能够对地球同步轨道的带电粒子辐射和磁场环境进行实时监测。

值得一提的是，“风云四号”首次使用了全新研制的SAST5000平台，将成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪器包安装在一个卫星平台上，在世界上首次实现对大气的多手段综合观测。

如果与各国下一代静止气象卫星的纵向比较，“风云四号”与GOES-R、MTG、Himawari-8/9等卫星在技术难度和复杂度方面处于同一水平线上的卫星系列，是中国实现静止轨道气象卫星跨越式发展的重要标志。

中国气象卫星家族

“风四郎”是中国的气象卫星体系的最新一员。这个大家庭由静止气象卫星和极轨气象卫星组成。

“风云四号”卫星地面应用系统副总设计师郭强介绍，虽然都是气象卫星，但极轨气象卫星和静止气象卫星有其各自独特的作用，对于天气气候预测预报和研究来说，这两种卫星缺一不可。

静止气象卫星轨道高度高，一颗卫星即能覆盖地球的三分之一区域，并能够时时刻刻对所负责区域进行高频次不间断的观测，对于尺度较大的天气过程来说，静止气象卫星可随时获取观测区域内的各类天气过程数据。

极轨气象卫星轨道和太阳保持同步，所以地球上每一个地方被同一颗极轨气象卫星观测到的本地时间都是一样的。极轨气象卫星的这一特点使卫星遥感探测资料具有长期可比性，能够给气候和生态研究提供地球同纬度同一本地时间的重要数据。

随着全球气候变暖，南北极气候变化日益牵动着研究者的心。由于位于赤道同步轨道的静止气象卫星对极地高纬度地区没有观测能力，因此中国气象卫星极地和高纬度观测的任务也主要由穿越极地的极轨气象卫星承担。

当前，中国静止气象卫星“风云二号”D/E/F/G四星和极轨气象卫星“风云三号”A/B/C三星在轨。“风云二号”卫星可以提供最高每25分钟一次全地球圆盘观测、每6分钟一次区域观测资料;“风云三号”卫星可每天对地球同一区域完成4次三维立体观测。

目前，“风云”卫星数据全球开放，实时共享。

截至2016年7月，中国国家卫星气象中心在全球拥有超过2400家数据广播系统用户，超过500个中规模静止气象卫星用户利用站，超过3000家数据用户终端;18个亚太国家和地区正实时共享“风云”卫星数据;全球90多个国家和地区使用“风云”卫星数据。

卫星资料正为中国的暴雨、洪涝、沙尘暴等灾害性天气监测预报提供可靠依据。以台风为例，2015年中国台风24小时路径预报误差首次低于70公里，24小时至120小时各时效预报准确率均高于日本和美国，达到世界领先水平。

国家卫星气象中心主任杨军表示，“风云”卫星以其先进的技术水平、运行的可靠性和较高的稳定性，已成为全球对地观测网中名副其实的主力军。

“天气预报将更及时准确”

“随着更为先进的‘风云四号气象卫星的投入使用，我们的天气预报将更加准确及时。”多位气象领域专家对“风云四号”表示了期待。

中国气象局数值预报中心副主任龚建东介绍，在天气预报中，一方面预报员会依赖对以往天气过程进行总结和对天气发展演变经验进行提炼;另一方面，预报员会在数值天气预报的基础上，根据预报经验“做加法”。

“数值天气预报是一个初值问题。”龚建东解释，即给定一个初始时刻的大气三维状态，利用已知的大气运动方程，建立数值模式，对未来进行预测。初始时刻观测的信息越丰富、越完备，初值越准确，对后来的预报准确率提高所起到的作用就越大。

“从全球范围来看，有相当大的区域，是人类不适合长期值守的，比如海洋、沙漠、高原、极区。对于这部分地区，就需要大量的卫星遥测信息来提供更有效的信息。”龚建东说。

从观测要素的丰富性角度来讲，常规观测要素主要涉及大气的风、温、压、湿，而卫星可以帮忙补充大气里的云、气溶胶、陆表等信息，可以提供更加综合的观测信息。

因此，国际上的全球模式里，卫星观测占资料总量的比例达到90%。

但相比于全球模式，区域模式对资料获取的时效性要求更高。“因为资料只有在比较短的时间内到达，才能发挥作用。”龚建东说。

而“风云四号”的成功发射，让龚建东对气象卫星资料在区域模式中的深入应用抱有很大的期待。

以中小尺度天气系统为例，它们虽然“个头小”，但其破坏力大，是灾害的重要来源。

2016年江苏盐城出现的龙卷风就是典型的小尺度天气系统。这些天气过程系统的生命周期很短，从半小时到一两个小时，长的到10个小时，快速生成、快速消亡。对此类天气现象的模式预报，目前雷达发挥了很大作用。

但在龚建东看来，新一代静止卫星也能提供高时间频次的观测，能够快速发现系统演变过程。比如“风云四号”提供了一种特殊的观测模式——区域观测模式。“如果跟雷达结合起来，就能获得更加完整的系统图像。”

另外，“风云四号”搭载了更先进的仪器，可以提供丰富的大气垂直探测与云信息，将改善初始时刻三维结构分析，进而改善预报。

未来，气候变暖，极端天气和气候事件将会更多;经济社会发展、政府决策和人民群众生产生活对预报准确率的需求更高;城镇化进程加快，气象对民生的影响和作用更大;资源约束加剧，农业、能源、环境、海洋等领域对气象服务的要求更高。

面对这些新需求，风云卫星的下一个20年有着怎样的蓝图？

“为满足观测需求，我们需要突破传统的静止和极轨卫星体系，建成一套多卫星、多轨道融合的观测体系。”杨军说。

航天科技集团公司八院院长助理张春明认为，未来“风云”气象卫星应采用综合星与专用星座的组网体系。其中，高轨卫星侧重于低纬度高频次数据的观测，实现连续、全天候、三维云雨15分钟高频次观测;低轨卫星侧重于高纬度高频次数据的观测，具备灾害天气快速响应能力，全面实现降水、风场、云、大气成分等精细化探测能力。在此基础上，应研发中轨道气象试验卫星，对高、低轨卫星上成熟的气象载荷进行中轨探测试验。

中科院重大任务局上海分院书记王建宇表示，微小卫星星座，也应成为极轨卫星和静止卫星的有效补充，提供“高实时”和“全覆盖”的卫星数据。