FY-4衛(wèi)星應(yīng)用和發(fā)展

張志清，陸 風(fēng)，方 翔，唐世浩，張曉虎，許映龍，韓 威，聶肅平，申彥波，周毓荃

(1.中國氣象局 國家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081； 2.中國氣象局 國家氣象中心,北京 100081； 3.中國氣象局 國家氣候中心,北京 100081； 4.中國氣象局 公共氣象服務(wù)中心,北京 100081； 5.中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081)

FY-4衛(wèi)星應(yīng)用和發(fā)展

張志清1，陸 風(fēng)1，方 翔1，唐世浩1，張曉虎1，許映龍2，韓 威2，聶肅平3，申彥波4，周毓荃5

(1.中國氣象局 國家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081； 2.中國氣象局 國家氣象中心,北京 100081； 3.中國氣象局 國家氣候中心,北京 100081； 4.中國氣象局 公共氣象服務(wù)中心,北京 100081； 5.中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081)

介紹了我國新一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(FY-4)衛(wèi)星應(yīng)用及其發(fā)展。給出了FY-4衛(wèi)星裝載的先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀、靜止軌道干涉式紅外探測儀、閃電成像儀和空間環(huán)境監(jiān)測儀4種主要觀測儀器，以及衛(wèi)星的觀測能力和提供的定量化產(chǎn)品，并與我國現(xiàn)有的業(yè)務(wù)衛(wèi)星風(fēng)云二號(FY-2)衛(wèi)星和國際同期在軌靜止氣象衛(wèi)星性能進(jìn)行了比較。FY-4光學(xué)衛(wèi)星系列與美國GOES-R、日本Himawari-8/9衛(wèi)星和歐洲MTG衛(wèi)星性能相似，屬于與國際同期發(fā)展的先進(jìn)靜止氣象衛(wèi)星。給出了FY-4A星獲得的圖像和數(shù)據(jù)。列出了FY-4A星的基本定量產(chǎn)品，給出了使用的儀器、數(shù)據(jù)特性、物理意義，以及應(yīng)用領(lǐng)域、方法和范例。描述FY-4衛(wèi)星提供的定量化產(chǎn)品及其在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候、生態(tài)環(huán)境、專業(yè)氣象服務(wù)、人工影響天氣、空間天氣監(jiān)測預(yù)警等領(lǐng)域的應(yīng)用，并介紹了FY-4A星在軌測試期間的部分應(yīng)用。對FY-4后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星發(fā)展進(jìn)行了展望。

FY-4衛(wèi)星； 先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀； 靜止軌道干涉式紅外探測儀； 閃電成像儀； 空間環(huán)境監(jiān)測儀； 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)； 氣候； 生態(tài)環(huán)境； 專業(yè)氣象服務(wù)； 人工影響天氣； 空間天氣監(jiān)測預(yù)警

0 引言

中國是世界上遭受自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。聯(lián)合國公布的全球因自然災(zāi)害造成人員死亡，其中60%以上是由氣象災(zāi)害造成的，而造成的經(jīng)濟(jì)損失所占比例則更高。作為中國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星，F(xiàn)Y-4衛(wèi)星承擔(dān)地球區(qū)域大氣和地表的高頻次觀測，主要應(yīng)用目標(biāo)是為提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供監(jiān)測數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。在現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)發(fā)展中，天氣預(yù)報(bào)技術(shù)和觀測技術(shù)既是依賴的關(guān)系，又是越來越相互促進(jìn)的關(guān)系。觀測的要素增加、精度提高、更高空間分辨率、更高時(shí)間分辨率等，已成為促進(jìn)和提高中小尺度模式的天氣預(yù)報(bào)水平的發(fā)展動力與支撐條件；數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的發(fā)展和精細(xì)化的天氣預(yù)報(bào)更是對觀測提出了更高的要求。無論是天氣服務(wù)、減災(zāi)防災(zāi)，還是應(yīng)對氣候變化，生態(tài)文明建設(shè)，高精度、高頻次定量化監(jiān)測和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率是核心與關(guān)鍵。

FY-4衛(wèi)星是中國繼FY-2衛(wèi)星之后，發(fā)展的新一代靜止氣象衛(wèi)星[1]。按發(fā)展規(guī)劃分為光學(xué)星和微波星兩個系列。2016年12月11日成功發(fā)射的是光學(xué)衛(wèi)星系列的科研試驗(yàn)衛(wèi)星(FY-4A星)。該衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式的大型遙感平臺攜帶多種觀測儀器，包括先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀、靜止軌道干涉式紅外探測儀、靜止軌道閃電成像儀和空間環(huán)境監(jiān)測儀器等[2]。2016年12月17日，定點(diǎn)于東經(jīng)99.5°；2016年12月26日，啟動在軌測試，有效載荷開機(jī)工作；2017年1月19日，先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀紅外通道加電工作，獲取全部14個通道的原始圖像；2017年2月9日，干涉式大氣垂直探測儀紅外探測通道加電工作，獲取原始干涉數(shù)據(jù)；2017年2月27日，F(xiàn)Y-4光學(xué)星系列的科研試驗(yàn)衛(wèi)星第一套圖像和數(shù)據(jù)發(fā)布；2017年5月18日至25日，衛(wèi)星從東經(jīng)99.5°漂移并定點(diǎn)于東經(jīng)104.5°，繼續(xù)在軌測試。衛(wèi)星發(fā)射和在軌測試情況表明：衛(wèi)星平臺和觀測儀器工作正常，性能穩(wěn)定，星地接口匹配，已建立了高時(shí)效的星地作業(yè)流程，圖像定位與配準(zhǔn)精度、輻射定標(biāo)精度均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了全部定量化產(chǎn)品的實(shí)時(shí)處理和生成。

與國際同期先進(jìn)的靜止氣象衛(wèi)星相比，F(xiàn)Y-4A星的技術(shù)獨(dú)特性是：成功解決了多臺帶有光學(xué)運(yùn)動部件的觀測儀器在同一平臺上工作而不產(chǎn)生相互間電磁和動力學(xué)干擾的工程技術(shù)難題(歐洲采用兩臺主要儀器分置于兩顆衛(wèi)星上的方案)，對單顆衛(wèi)星來說，是靜止氣象衛(wèi)星中裝載儀器數(shù)量和種類最多的，提高了衛(wèi)星的觀測能力和效率；在國際上首次實(shí)現(xiàn)了靜止軌道的紅外高光譜大氣探測；掌握了有自主核心知識產(chǎn)權(quán)的多臺載荷同步工作的高精度圖像導(dǎo)航和配準(zhǔn)技術(shù)，在工程中成功實(shí)現(xiàn)并為后續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

FY-4光學(xué)系列衛(wèi)星的主要任務(wù)是：獲取地球表面和云的多光譜、高精度定量觀測數(shù)據(jù)和圖像，特別是高頻次的區(qū)域圖像，全面提高對地球表面和大氣物理參數(shù)的多光譜、高頻次、定量探測能力；實(shí)現(xiàn)大氣三維結(jié)構(gòu)探測，獲得垂直分辨率和精度更高的溫度與濕度參數(shù)；實(shí)現(xiàn)閃電成像觀測，獲取觀測覆蓋區(qū)范圍內(nèi)的閃電分布圖；利用星載轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行衛(wèi)星圖像和產(chǎn)品的廣播分發(fā)及自然災(zāi)害警報(bào)信息發(fā)布；利用數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)自動收集多種地球環(huán)境參數(shù)資料；監(jiān)測太陽活動和空間環(huán)境，為空間天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和研究提供觀測數(shù)據(jù)[3]。

本文介紹了FY-4衛(wèi)星的應(yīng)用及發(fā)展。

1 FY-4A星觀測能力和提供的定量化產(chǎn)品

1.1觀測能力

發(fā)展新一代靜止氣象衛(wèi)星，其主要需求包括以下。

a)提高氣象預(yù)報(bào)預(yù)測準(zhǔn)確率的需求。提升氣象預(yù)報(bào)預(yù)測準(zhǔn)確率的核心是提高數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。隨著數(shù)值預(yù)報(bào)模式的不斷完善，對地球大氣系統(tǒng)的初值和邊值的種類、精度和時(shí)、空分辨率等提出了更高的要求。

b)應(yīng)對氣候變化的需求。氣候變化開始顯露出對人類生存條件的威脅，全球氣候變化的影響因素是復(fù)雜而多樣的，許多氣候變化的因子有機(jī)地結(jié)合在一起，并構(gòu)成一個因子系統(tǒng)，共同影響氣候變化，需要對這些氣候變化的因子進(jìn)行連續(xù)、準(zhǔn)確的觀測。

c)防災(zāi)減災(zāi)的需求。我國地處亞洲季風(fēng)活躍地區(qū)，幅員廣闊，豐富的氣候資源和復(fù)雜多變的地質(zhì)地貌，使臺風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對流天氣和洪澇、旱災(zāi)、沙塵暴、泥石流等多種主要重大自然災(zāi)害在我國頻繁發(fā)生。氣象災(zāi)害往往起源于常規(guī)觀測稀少的海洋、山區(qū)和高原，靜止氣象衛(wèi)星是重要監(jiān)測手段。

d)生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測的需求。生態(tài)文明建設(shè)是未來一個時(shí)期的重要任務(wù)，生態(tài)和環(huán)境相互依存，密不可分，靜止氣象衛(wèi)星可對洪澇、干旱、積雪、森林與草原火災(zāi)等生態(tài)環(huán)境進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和提供服務(wù)。

f)空間天氣監(jiān)測預(yù)警的需求。靜止氣象衛(wèi)星不僅是地球大氣的重要監(jiān)測平臺，而且是空間天氣監(jiān)測的理想平臺。

在國際上，我國靜止氣象衛(wèi)星已被納入地球觀測組織的發(fā)展規(guī)劃，作為靜止氣象衛(wèi)星星座的主要成員，要求其儀器配置和性能與國際兼容，便于數(shù)據(jù)的全球交換、共享和應(yīng)用。

靜止氣象衛(wèi)星的對地觀測能力，是衛(wèi)星的綜合性能指標(biāo)[4]。衛(wèi)星的觀測能力首先受制于平臺的性能、姿態(tài)控制方式和性能、能提供的能源、承載能力、數(shù)據(jù)傳輸容量、提供儀器工作的熱環(huán)境，以及工作壽命等，這些本應(yīng)為觀測儀器服務(wù)的要素，直接決定觀測儀器工作的邊界條件。在衛(wèi)星平臺具備條件后，儀器的性能則顯得更重要，直接決定觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。尤其是在地球同步軌道上，衛(wèi)星離地球約35 800 km，所要觀測的目標(biāo)距離遠(yuǎn)(是低軌道衛(wèi)星儀器觀測與地球目標(biāo)距離的40倍)，這就導(dǎo)致儀器獲取的目標(biāo)能量微弱。為獲得滿足定量產(chǎn)品的反演精度的觀測信息，設(shè)計(jì)的儀器光學(xué)結(jié)構(gòu)、掃描機(jī)構(gòu)、制冷裝置等龐大而復(fù)雜，相應(yīng)的儀器和衛(wèi)星重量也成倍增加，使靜止衛(wèi)星的技術(shù)難度明顯增大。

FY-2衛(wèi)星采用自旋穩(wěn)定姿態(tài)工作體制，相當(dāng)于陀螺能提供較高的姿態(tài)穩(wěn)定度，為成像和圖像的定位提供了有利條件[5]。它通過自旋掃描地球，在靜止軌道上觀測，地球視場張角約18°，即衛(wèi)星在自旋1周的360°中只有18°為有效觀測，其余部分是在掃描太空，觀測效率不足5%。因此，自旋穩(wěn)定姿態(tài)工作體制的衛(wèi)星無法開展高光譜大氣垂直探測、閃電觀測和對太陽及空間環(huán)境的定向觀測。

FY-4A星采用了當(dāng)今多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，利用新研發(fā)的三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制的大型遙感平臺，避免了自旋穩(wěn)定姿態(tài)工作平臺的局限性，衛(wèi)星裝載多種觀測儀器[6]。

FY-4A星性能與FY-2衛(wèi)星比較見表1。由表1可知：除新增大氣垂直探測和閃電觀測功能外，F(xiàn)Y-4A星裝載的先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀和空間天氣儀器顯著提升了性能。先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀的成像觀測通道從FY-2衛(wèi)星的5個擴(kuò)展到14個，全圓盤圖像觀測時(shí)間從0.5 h縮短到15 min，最高空間分辨率從1.25 km提高到0.5 km。

FY-4A星性能與國際同類衛(wèi)星比較見表2。由表2可知：FY-4A星的先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀，其14個成像通道與國際水平相當(dāng)；靜止軌道干涉式紅外探測儀在世界上首次實(shí)現(xiàn)了靜止軌道紅外高光譜探測，可獲取大氣溫濕度三維結(jié)構(gòu)，處于國際領(lǐng)先水平；靜止軌道閃電成像儀首次實(shí)現(xiàn)了對亞洲大洋洲區(qū)域的靜止軌道閃電持續(xù)觀測。國外僅美國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星GOES-R搭載了靜止軌道閃電成像儀對西半球美洲區(qū)域進(jìn)行觀測[7]。

表1 FY-4A星性能與我國現(xiàn)有業(yè)務(wù)衛(wèi)星對比

1.2定量化產(chǎn)品

FY-4A星定點(diǎn)后的在軌測試，建立了利于成像的衛(wèi)星工作坐標(biāo)系、星地業(yè)務(wù)測控流程、數(shù)據(jù)傳輸及處理流程，以及星地圖像導(dǎo)航與配準(zhǔn)流程，攜帶的全部儀器按設(shè)計(jì)要求進(jìn)入了工作狀態(tài)，連續(xù)獲取了圖像和數(shù)據(jù)。其中：先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀獲取并處理生成的彩色合成圖和14個單通道圖像如圖1所示；靜止軌道干涉式紅外探測儀在國際上首次在靜止軌道上獲取的紅外高光譜大氣垂直結(jié)構(gòu)的光譜圖如圖2所示；閃電分布圖如圖3所示；空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4、5所示。

表2 FY-4A星性能與國際同期在軌靜止氣象衛(wèi)星對比

圖1 FY-4A星AGRI第一套圖像Fig.1 The first set of images of FY-4A AGRI

圖2 FY-4A星GIIRS獲取的4個不同地區(qū)的大氣光譜圖Fig.2 Atmospheric spectrums of 4 different area by FY-4A GIIRS

圖3 2017年4月8日FY-4A星靜止軌道閃電成像儀獲取的我國中東部一次強(qiáng)雷暴過程Fig.3 A strong rainstorm process in middle and east of China by FY-4A GLM on April 8, 2017

圖4 FY-4A星監(jiān)測到的一次表面充電過程Fig.4 First surface charging monitored by FY-4A satellite

圖5 FY-4A星監(jiān)測到的高能電子通量變化Fig.5 High energy electron flux change monitored by FY-4A satellite

FY-4A星的原始觀測數(shù)據(jù)是目前運(yùn)行的FY-2衛(wèi)星的80倍，處理生成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)則是其160倍，可反演生成大氣、輻射、云、地表、降水等多種具有大氣物理意義的定量產(chǎn)品。這些遙感產(chǎn)品，可用于天氣分析、數(shù)值預(yù)報(bào)、氣候、生態(tài)環(huán)境、專業(yè)氣象服務(wù)、人工影響天氣，以及空間天氣預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)，也可用于二次開發(fā)應(yīng)用。FY-4A星基本定量產(chǎn)品見表3。這些產(chǎn)品在衛(wèi)星發(fā)射前已完成了算法研制和測試，在軌測試根據(jù)儀器性能進(jìn)行調(diào)試后即可投入應(yīng)用。與上一代業(yè)務(wù)衛(wèi)星FY-2衛(wèi)星相比，F(xiàn)Y-4衛(wèi)星能提供的產(chǎn)品種類和覆蓋的應(yīng)用領(lǐng)域顯著提升。

表3 FY-4A星基本定量產(chǎn)品

FY-4A星不同產(chǎn)品的使用儀器、數(shù)據(jù)特性、物理意義，以及應(yīng)用領(lǐng)域、方法和應(yīng)用范例如下。

云檢測用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀的可見光、近紅外和紅外波段的高時(shí)間、空間分辨率數(shù)據(jù)自動生成每個像素的云檢測信息，云檢測信息分為云、可能是云、晴空、可能是晴空四種。云檢測信息將廣泛用于需要每個像素云檢測信息的下游L2產(chǎn)品。如地表溫度和海面溫度產(chǎn)品只對晴空區(qū)域的像素進(jìn)行計(jì)算。在數(shù)值預(yù)報(bào)同化中，可用云檢測產(chǎn)品確定可同化進(jìn)入數(shù)值預(yù)報(bào)的成像儀像素信息。

云分類用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀的多個紅外通道數(shù)據(jù)經(jīng)一系列光譜和空間測試獲取6種不同的云類型：水、過冷水、混合(水和冰)、厚冰、薄冰和多層冰。云分類產(chǎn)品包含的多層云和卷云的信息是后續(xù)產(chǎn)品(如云頂高度產(chǎn)品)的重要輸入信息。另外，云類型產(chǎn)品也是下游L2云相關(guān)的產(chǎn)品(包括云光學(xué)特性和霧檢測等)的輸入數(shù)據(jù)。

降水估計(jì)用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀紅外通道亮溫?cái)?shù)據(jù)反演生成每個紅外像元的降水率。通過降水估計(jì)產(chǎn)品，可了解1/6/24 h內(nèi)的降水情況，監(jiān)測降水的強(qiáng)度、范圍、面積、趨勢走向等；降水估計(jì)產(chǎn)品可為天氣分析和預(yù)報(bào)、洪澇監(jiān)測預(yù)報(bào)服務(wù)；結(jié)合其他信息，可為模式模擬、同化提供重要的初始場數(shù)據(jù)。

大氣運(yùn)動矢量用一系列先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀紅外通道數(shù)據(jù)跟蹤云或水汽的運(yùn)動，并估計(jì)云或水汽的高度。產(chǎn)品在地球廣闊地區(qū)提供了重要的對流層風(fēng)信息，包括缺乏探空觀測的海洋和南半球陸地。該產(chǎn)品為數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)提供關(guān)鍵的風(fēng)的觀測信息，其使用已被證明可改善包括熱帶氣旋在內(nèi)的數(shù)值預(yù)報(bào)。此外，該產(chǎn)品可為天氣預(yù)報(bào)員改進(jìn)預(yù)報(bào)提供指導(dǎo)。

射出長波輻射是大氣頂部向上的總出射長波輻射的度量，提供了關(guān)于地球排放能源和大氣頂部總體能源的重要信息。它是確定大氣頂部的地球輻射收支的三個輻射預(yù)算參數(shù)之一，另兩個參數(shù)是入射的太陽輻射和反射的太陽輻射。射出長波輻射產(chǎn)品直接由多個成像儀通道每個像素的數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。該產(chǎn)品連同入射太陽總輻射和反射太陽輻射共同定義了大氣頂?shù)牡厍蜉椛涫罩?，了解地球的輻射收支對氣候監(jiān)測至關(guān)重要。

相當(dāng)黑體亮度溫度是指由氣象衛(wèi)星紅外窗區(qū)通道測得的輻射值，通過應(yīng)用普朗克函數(shù)處理轉(zhuǎn)換成輻射亮度溫度形成的信息產(chǎn)品。

到達(dá)地表的下行短波輻射又常被稱為地表入射太陽輻射，是指地球表面接收到的總太陽輻射能，它位于電磁光譜的短波部分，波長范圍約在0.2～4.0 nm間，包括到達(dá)地表的直接太陽輻射、大氣散射太陽輻射，以及經(jīng)大氣和地表間多次散射后最終到達(dá)地表的散射太陽輻射。作為地球表面獲得能量的首要來源，地表收入的太陽輻射控制了整個大氣與陸表、海表間的能量交換，因此對各種天氣、氣候的形成都有決定性的意義，在天氣預(yù)報(bào)、氣候研究等科研領(lǐng)域有直接的應(yīng)用。同時(shí)，到達(dá)地表的太陽輻射能也是驅(qū)動蒸散、植物生長、水分循環(huán)、材料老化等相關(guān)生物、物理過程的主導(dǎo)因子，這使地表入射太陽輻射信息對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測研究、水文監(jiān)測、作物生長模型研究、森林草場火險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警，以及建筑和國防科技等的發(fā)展來說非常關(guān)鍵。此外，在當(dāng)今全球能源短缺的背景下，太陽輻射能作為最重要的一種綠色可再生能源為各國所重視。開發(fā)太陽能資源和發(fā)展太陽能工業(yè)的一個基本前提，就是要對地表入射太陽輻射進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)和短期預(yù)測研究，在此基礎(chǔ)上建立和優(yōu)化太陽能的利用模型，對有效利用太陽能資源有至關(guān)重要的作用。在上述應(yīng)用領(lǐng)域中，需要精確知道到達(dá)地表的入射太陽輻射的數(shù)值及其在時(shí)間、空間上的分布和變化情況。

大氣溫度廓線是用干涉式大氣垂直探測儀高光譜數(shù)據(jù)反演獲得對流層溫度垂直分布信息的產(chǎn)品。該產(chǎn)品提供的大氣垂直溫度結(jié)構(gòu)信息可被天氣預(yù)報(bào)員和數(shù)值預(yù)報(bào)模式使用；使用該產(chǎn)品可計(jì)算一些表征大氣穩(wěn)定度的指數(shù)產(chǎn)品，為天氣預(yù)報(bào)員提供有關(guān)大氣穩(wěn)定性的指導(dǎo)，對惡劣天氣預(yù)報(bào)非常重要。

大氣濕度廓線是用干涉式大氣垂直探測儀高光譜數(shù)據(jù)反演獲得對流層濕度垂直分布信息的產(chǎn)品。該產(chǎn)品提供的大氣水分垂直分布信息對預(yù)測惡劣天氣至關(guān)重要。這種垂直濕度信息還用于初始化區(qū)域和中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的濕度場。

大氣穩(wěn)定度指數(shù)是指由大氣溫濕度廓線產(chǎn)品衍生出的表征大氣穩(wěn)定性指標(biāo)的產(chǎn)品，包括有效位能(CAPE)，抬升指數(shù)(LI)，沙氏指數(shù)(SI)和K指數(shù)(KI)產(chǎn)品。這些指數(shù)產(chǎn)品將有助于天氣預(yù)報(bào)員預(yù)測極端天氣，天氣預(yù)報(bào)員通過使用這些信息監(jiān)測不同地理位置隨時(shí)間的大氣穩(wěn)定性的快速變化，從而提高極端天氣的監(jiān)測/預(yù)警能力。

大氣臭氧廓線是用干涉式大氣垂直探測儀高光譜數(shù)據(jù)反演獲得對流層臭氧垂直分布信息的產(chǎn)品；臭氧總量產(chǎn)品反映了從地球表面到大氣層頂?shù)某粞蹩偤??？偝粞醍a(chǎn)品可向天氣預(yù)報(bào)員提供信息，有助于預(yù)測大氣紊流區(qū)域，并提供更好的空氣質(zhì)量預(yù)測。

大氣分層水汽是用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀多個紅外通道數(shù)據(jù)反演獲得對流層濕度垂直分布信息的產(chǎn)品。該產(chǎn)品提供的大氣水分垂直分布信息對預(yù)測惡劣天氣至關(guān)重要，這種垂直濕度信息還用于初始化區(qū)域和中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的濕度場。

大氣總可降水從大氣分層水汽產(chǎn)品衍生得到，代表大氣層中從地球表面到大氣頂部的總水汽含量。該產(chǎn)品將為天氣預(yù)報(bào)員和水文學(xué)家提供有用的信息，以便在需要預(yù)測事件的情況下改善其趨勢預(yù)測，如暴雨、山洪和季風(fēng)等的預(yù)測。產(chǎn)品還用于初始化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的濕度場。

氣溶膠檢測(包含沙塵檢測) 用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀提供的通道數(shù)據(jù)，利用不同氣溶膠的已知光譜吸收和散射特性檢測其在大氣中的存在。該產(chǎn)品將使天氣預(yù)報(bào)員能更好地監(jiān)測煙塵的區(qū)域，這可能是可見度和空氣質(zhì)量預(yù)測的關(guān)鍵因素。除短期預(yù)測外，該產(chǎn)品還能更好地監(jiān)測氣溶膠量和分布在整個大氣層的長期趨勢。

海表溫度提供先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀海洋區(qū)域每個晴空像素的海表溫度信息。產(chǎn)品有助于大量的業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括氣候監(jiān)測/預(yù)測、季節(jié)預(yù)報(bào)、天氣預(yù)報(bào)和海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)、軍事和國防作戰(zhàn)、海洋和大氣模式，以及旅游和商業(yè)漁業(yè)管理等。

積雪覆蓋用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀可見光和近可見光數(shù)據(jù)反演生成雪覆蓋信息產(chǎn)品。產(chǎn)品將支持大量業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括數(shù)值預(yù)報(bào)同化、水文預(yù)報(bào)/預(yù)警(包括河流和洪水預(yù)報(bào)、水資源管理、積雪檢測和分析，以及氣候研究等)。

地表溫度用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀長波紅外通道數(shù)據(jù)反演生成陸地表面的溫度信息產(chǎn)品。產(chǎn)品可用于水文、氣象和氣候領(lǐng)域的多種業(yè)務(wù)應(yīng)用。氣象預(yù)報(bào)員可用該產(chǎn)品預(yù)測霧和霜的發(fā)生；對地表凈輻射收支和監(jiān)測作物和植被狀況至關(guān)重要，也是溫室效應(yīng)和大氣與地面能量通量間的重要指標(biāo)；此外，可在氣候、大氣和地表模式中同化使用，以估計(jì)顯熱通量和潛熱通量。

云頂溫度/云頂高度/云頂氣壓用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀紅外通道數(shù)據(jù)反演獲取每個有云像素點(diǎn)的云頂?shù)臏囟?、高度和氣壓信息。這些云產(chǎn)品是生成其他下游產(chǎn)品的先決條件，包括云光學(xué)/微物理產(chǎn)品等。天氣預(yù)報(bào)員可使用這些云產(chǎn)品確定云的增長/消亡和降水的可能性。產(chǎn)品的其他業(yè)務(wù)應(yīng)用包括機(jī)場天氣預(yù)報(bào)、為地面觀測系統(tǒng)補(bǔ)充高層云信息、為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供云的初始化信息。

云粒子半徑與云光學(xué)厚度用相同的算法，白天使用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀的可見光和近紅外通道數(shù)據(jù)，夜間使用紅外通道數(shù)據(jù)，云光學(xué)和微物理特性算法將同時(shí)生成云光學(xué)厚度產(chǎn)品和云粒子半徑產(chǎn)品。兩個產(chǎn)品共同提供有關(guān)云輻射性質(zhì)的有價(jià)值信息；這兩個屬性將為全球氣候模式提供有關(guān)地球能源和輻射收支的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，從而提高氣候預(yù)測能力。

云相態(tài)用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀紅外通道數(shù)據(jù)生成4種不同的云相態(tài)：暖液態(tài)水(>0 ℃)、過冷液態(tài)水、混合和冰。產(chǎn)品是生成其他下游產(chǎn)品的先決條件，包括云頂高度、云光學(xué)屬性、霧檢測等產(chǎn)品；可使氣象學(xué)家更好地監(jiān)測和跟蹤云內(nèi)水汽成分的變化，提高航空氣象中的結(jié)冰預(yù)測能力，并改善極端天氣預(yù)警；也可用于如極端天氣預(yù)報(bào)和熱帶氣旋強(qiáng)度估計(jì)等氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用。

地表下行長波輻射提供地球表面熱紅外輻射通量向下的分量，該產(chǎn)品僅在先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀晴空像素進(jìn)行計(jì)算；地表上行長波輻射產(chǎn)品提供地球表面熱紅外輻射通量向上的分量，該產(chǎn)品僅在先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀晴空像素進(jìn)行計(jì)算。該產(chǎn)品是確定地表溫度場的重要要素，并對海洋和大氣環(huán)流產(chǎn)生極大影響；地表下行長波輻射產(chǎn)品與地表上行長波輻射、地表入射太陽輻射和反射短波輻射共同構(gòu)成了描述地球表面能量收支的四個關(guān)鍵要素。產(chǎn)品也可為氣候預(yù)測模式提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

反射短波輻射用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀多個可見光和紅外通道數(shù)據(jù)計(jì)算通過大氣頂部離開地球的短波輻射的總量。產(chǎn)品可在氣候模式和預(yù)測中使用。

氣溶膠光學(xué)厚度用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀多個通道數(shù)據(jù)測量大氣頂部晴空像素的反射特性，然后將這些反射特性作為氣溶膠模型的輸入，計(jì)算表面反射率和氣溶膠性質(zhì)。產(chǎn)品提供的信息可在空氣質(zhì)量、能見度和航空預(yù)測等應(yīng)用領(lǐng)域使用，此外可為氣候模式提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)，有助于檢測和預(yù)測氣候變化。

對流初生采用目標(biāo)識別和跟蹤技術(shù)追蹤移動的云團(tuán)，利用多光譜閾值監(jiān)測云團(tuán)的發(fā)展。產(chǎn)品將使天氣預(yù)報(bào)員能識別出哪里正在發(fā)生對流、哪里可能發(fā)生對流、哪里已經(jīng)發(fā)生對流；天氣預(yù)報(bào)員可用該產(chǎn)品提供的信息制作潛在極端天氣的預(yù)測和預(yù)警。

火點(diǎn)/熱源點(diǎn)檢測用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀數(shù)據(jù)識別火點(diǎn)位置并獲取亞像元火焰特征。預(yù)報(bào)員能用該產(chǎn)品監(jiān)控大火，更重要的是可監(jiān)控火的快速變化趨勢。產(chǎn)品在消防工作中可為預(yù)測應(yīng)用提供重要信息。

低云/霧檢測用先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀空間和光譜信息識別霧或低層云。天氣預(yù)報(bào)員可用該產(chǎn)品制作和發(fā)布與交通和航空相關(guān)的霧預(yù)測和預(yù)警信息，有助于減少因霧造成的汽車交通事故和飛機(jī)事故。

地表比輻射率是地表輻射的能量與黑體在相同溫度情況下輻射的能量的比值。地表比輻射率產(chǎn)品僅在先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀晴空區(qū)域的地面像素進(jìn)行計(jì)算，通過檢測地表溫度的變化估計(jì)地表發(fā)射率。產(chǎn)品是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中同化紅外輻射的重要輸入。

地表反照率結(jié)合大氣校正和表面雙向反射分布函數(shù)(BRDF)建模，生成地表反照率和地表反射率。該產(chǎn)品是能源收支的關(guān)鍵參數(shù)，氣象學(xué)家通過該產(chǎn)品的變化趨勢制作地表性質(zhì)變化(如雪或冰蓋以及植被的變化)預(yù)測預(yù)警；氣候研究者可由該產(chǎn)品獲得與地球總輻射收支相關(guān)的寶貴的高分辨率數(shù)據(jù)。

對流層頂折疊在對流層高層高空急流附近有一個極地、副熱帶與平流層空氣非地轉(zhuǎn)輻合區(qū)，在該區(qū)域常會有氣流擾動，這種擾動稱為對流層頂折疊。這些特征在衛(wèi)星觀測的水汽云圖中非常明顯，常表現(xiàn)為大尺度的亮溫梯度分布。對流層頂折疊區(qū)是指由該邊界延伸一定距離至濕空氣團(tuán)的區(qū)域。對流層頂折疊檢測產(chǎn)品用于指示這些區(qū)域在大氣中的位置，并識別出最可能給飛行帶來擾動的區(qū)域。用對流層高層水汽通道數(shù)據(jù)計(jì)算對流層頂折疊的水平分布，另外用數(shù)值天氣模式作為輔助計(jì)算對流層頂折疊在大氣中垂直方向的分布特征。產(chǎn)品的四個關(guān)鍵輸出是對流層頂折疊高低空邊界，以及兩個危險(xiǎn)飛行方向，即最易遭遇中等-強(qiáng)擾動的方向。

閃電探測用FY-4衛(wèi)星閃電探測儀數(shù)據(jù)監(jiān)測閃電，生成閃電監(jiān)測產(chǎn)品。閃電探測產(chǎn)品有助于天氣預(yù)報(bào)員識別極端天氣，如識別迅速加劇的雷暴，并能準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)出雷暴和龍卷風(fēng)警報(bào)。

2 FY-4A星應(yīng)用前景

2.1天氣

氣象衛(wèi)星作為天氣觀測的重要技術(shù)手段，由于其全天時(shí)的觀測特點(diǎn)，在天氣預(yù)報(bào)中的作用已越來越重要和不可替代。FY-4A星兼具高頻次、高分辨率、垂直探測和機(jī)動加密探測能力，可極大提升暴雨、臺風(fēng)、強(qiáng)對流等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測分析預(yù)報(bào)能力[8]。其高頻次和高分辨率的探測能力可更準(zhǔn)確地把握暴雨/暴雪云團(tuán)、臺風(fēng)云團(tuán)、強(qiáng)對流云團(tuán)的發(fā)生發(fā)展消亡演變過程，尤其有助于提高臺風(fēng)定位、定強(qiáng)精度和閃電監(jiān)測能力。其云識別分類產(chǎn)品、降雨估計(jì)、閃電監(jiān)測、霧檢測、沙塵檢測、海表溫度、云導(dǎo)風(fēng)等定量反演產(chǎn)品，可極大增強(qiáng)暴雨、暴雪、臺風(fēng)、強(qiáng)對流、海霧、沙塵暴等災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)的客觀定量監(jiān)測分析預(yù)報(bào)能力。其垂直探測能力可提供高時(shí)空分辨率的大氣三維溫度和濕度結(jié)構(gòu)分析，彌補(bǔ)常規(guī)探空資料的不足，延伸大氣探測能力至人煙稀少地區(qū)和廣闊海洋，從而改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)初始場，提高數(shù)值預(yù)報(bào)模式精度和天氣預(yù)報(bào)的精細(xì)化能力；同時(shí)利用其反演獲得的大氣不穩(wěn)定指數(shù)等產(chǎn)品，可提前數(shù)小時(shí)發(fā)現(xiàn)暴雨和強(qiáng)對流等中小尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生前環(huán)境條件的變化，分析極端天氣可能出現(xiàn)的蛛絲馬跡，直接服務(wù)于短臨天氣預(yù)報(bào)預(yù)警。其機(jī)動加密監(jiān)測能力則有助于加強(qiáng)對高影響或關(guān)鍵區(qū)域?yàn)?zāi)害性天氣事件的高頻次持續(xù)監(jiān)測能力，提升高影響或關(guān)鍵區(qū)域重大災(zāi)害性天氣事件的預(yù)警響應(yīng)處置能力，為及時(shí)滾動發(fā)布相關(guān)重大災(zāi)害性天氣事件的預(yù)警信息提供基礎(chǔ)監(jiān)測信息和重要技術(shù)保障。

2.2數(shù)值預(yù)報(bào)

衛(wèi)星紅外高光譜探測資料在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中已得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)被證明是對預(yù)報(bào)效果有重要影響的一類衛(wèi)星遙感資料，包括高光譜紅外大氣探測儀(AIRS)、干涉式超高光譜紅外大氣探測儀(IASI)、穿軌跡紅外探測器(CrIS)等紅外高光譜探測儀器均搭載于極軌氣象衛(wèi)星，其時(shí)間分辨率為12 h左右。世界上首次在靜止衛(wèi)星上裝載的干涉式紅外大氣探測儀將實(shí)現(xiàn)對我國及周邊地區(qū)高頻次、間隔僅16 km的高空間分辨率、高光譜分辨率的大氣溫濕探測，彌補(bǔ)陸地探空站間隔約200 km、每天探測2次的嚴(yán)重不足，將極大改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)初始場，從而提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)精度。實(shí)現(xiàn)FY-4A星干涉式大氣垂直探測儀輻射率資料、成像儀晴空水汽輻射率資料，以及云導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品、云量等產(chǎn)品在全球和區(qū)域同化和預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GRAPES)中的應(yīng)用，對特別是強(qiáng)對流、颮線、雷暴等短生命史、影響大的災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)，以及臺風(fēng)等海上系統(tǒng)發(fā)生和發(fā)展的預(yù)報(bào)有重要應(yīng)用價(jià)值。

2.3氣候

與已在我國氣候業(yè)務(wù)中應(yīng)用的極軌衛(wèi)星產(chǎn)品相比，F(xiàn)Y-4A星產(chǎn)品具空間分辨率精細(xì)和時(shí)間觀測頻率密集的顯著特點(diǎn)，將在氣候和氣候變化應(yīng)用的諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要支撐作用。

a)關(guān)鍵氣候要素監(jiān)測服務(wù)

基于FY-4A星數(shù)據(jù)建立亞洲季風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測業(yè)務(wù)產(chǎn)品，開展以海表溫度、大氣水汽含量、大氣水汽輸送、大氣射出長波輻射產(chǎn)品為主的亞洲季風(fēng)爆發(fā)與結(jié)束，以及我國主要季風(fēng)雨帶進(jìn)程等關(guān)鍵現(xiàn)象的多層面、立體化氣候監(jiān)測應(yīng)用服務(wù)。

b)氣候模式定量化應(yīng)用

通過開展基于FY-4A星陸表溫度、土壤濕度、積雪覆蓋、海表溫度等數(shù)據(jù)產(chǎn)品為主的陸面和海洋關(guān)鍵要素的同化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)FY-4A星產(chǎn)品在我國業(yè)務(wù)氣候模式中的定量化應(yīng)用，提升業(yè)務(wù)氣候模式關(guān)鍵下墊面變量和參數(shù)的模擬準(zhǔn)確性和精度，從而提升我國業(yè)務(wù)氣候模式對東亞地區(qū)乃至全球次季節(jié)以上尺度短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)水平。

c)氣候?yàn)?zāi)害監(jiān)測評估服務(wù)

針對高溫、干旱、洪澇、雪災(zāi)、海冰變化、冰川消融等關(guān)鍵氣候?yàn)?zāi)害，基于高分辨率FY-4A星數(shù)據(jù)可開展重大氣候?yàn)?zāi)害的持續(xù)性監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)評估，結(jié)合臺站監(jiān)測，定量分析各類氣候?yàn)?zāi)害近期和長遠(yuǎn)影響。

d)生態(tài)脆弱區(qū)監(jiān)測評估服務(wù)

在我國北方典型荒漠化區(qū)域、農(nóng)牧交錯帶、三江源、石漠化等生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，基于FY-4A星產(chǎn)品進(jìn)行氣候和氣候變化影響評估分析，開展不同生態(tài)典型區(qū)植被現(xiàn)狀、距平、歷史曲線分析，定量評估生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，分析全球氣候變化對我國典型生態(tài)脆弱區(qū)的綜合影響。

e)氣候資源監(jiān)測評估服務(wù)

基于FY-4A星，可建立高時(shí)空分辨率的大氣風(fēng)速和凈入射短波輻射產(chǎn)品的精細(xì)化時(shí)空分布數(shù)據(jù)集，從而為我國氣候尺度的風(fēng)能和太陽能資源監(jiān)測和評估提供高時(shí)空分辨率的核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步結(jié)合業(yè)務(wù)氣候模式模擬和預(yù)報(bào)，一方面提升中國區(qū)域現(xiàn)有氣候資源數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度，另一方面通過為模式預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，可有效改善對風(fēng)能、太陽能資源的預(yù)測能力，為國家可再生能源政策制定及精細(xì)化能源規(guī)劃和布局提供合理的氣候依據(jù)。

2.4生態(tài)環(huán)境

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了如水土流失、土地沙化、草地退化、全球氣候變暖背景下氣象災(zāi)害增多等諸多生態(tài)問題，嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。衛(wèi)星遙感是開展生態(tài)監(jiān)測與評估的主要數(shù)據(jù)源，新一代靜止氣象衛(wèi)星FY-4衛(wèi)星也將依托其高時(shí)空分辨率的優(yōu)勢在生態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

與FY-2衛(wèi)星相比，F(xiàn)Y-4A星的先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀空間分辨率有6倍的提升，可動態(tài)獲取較高精度的陸地生態(tài)環(huán)境相關(guān)參數(shù)和信息，為開展草原、森林、內(nèi)陸水體和濕地、荒漠、城市等典型生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與評估提供數(shù)據(jù)支撐?；贔Y-4A星的先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀數(shù)據(jù)，能監(jiān)測植被變化，提取草原及荒漠面積、植被覆蓋度的信息，提供高精度的積雪覆蓋信息及雪災(zāi)監(jiān)測和評估、森林與草原火情監(jiān)測、大型湖泊水體范圍提取、干旱監(jiān)測、內(nèi)陸湖泊藍(lán)藻水華分布與強(qiáng)度變化動態(tài)監(jiān)測、城市熱環(huán)境的時(shí)空分布和動態(tài)變化監(jiān)測等。

FY-4A星資料在大氣環(huán)境監(jiān)測評估中也將發(fā)揮積極作用，利用FY-4A星可定量反演氣溶膠光學(xué)厚度，動態(tài)監(jiān)測沙塵范圍和強(qiáng)度、大霧范圍和霧區(qū)光學(xué)厚度、霾的分布等信息等，與風(fēng)云三號(FY-3)衛(wèi)星、地基觀測等多源數(shù)據(jù)結(jié)合，為開展大氣環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測與評估提供觀測支撐。

2.5專業(yè)氣象服務(wù)

FY-4A星產(chǎn)品在新能源、電力、交通、航空等國民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，將很大程度拓寬專業(yè)氣象服務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，實(shí)現(xiàn)“天基、空基、地基”立體式氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)在專業(yè)氣象服務(wù)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，提高專業(yè)氣象服務(wù)技術(shù)水平。

在新能源領(lǐng)域，基于FY-4A星產(chǎn)品可將太陽能資源評價(jià)數(shù)據(jù)的空間分辨率由原來的氣象臺站插值提高到4 km乃至1 km，改善太陽能資源分布圖譜和總量計(jì)算的精細(xì)化程度，有助于國家制定太陽能開發(fā)利用政策和發(fā)展規(guī)劃，利于發(fā)電企業(yè)更科學(xué)合理地進(jìn)行太陽能電站的選址、設(shè)計(jì)和管理，提高太陽能資源利用率。在交通領(lǐng)域，基于FY-4A星產(chǎn)品可推算道路路面溫度，進(jìn)行路面極端高低溫的實(shí)況分析，以及低能見度等不利天氣狀況的監(jiān)測，為道路行車安全和管理提供技術(shù)支撐。在航空領(lǐng)域，基于FY-4A星產(chǎn)品通過多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可開發(fā)出反映真實(shí)大氣的高分辨率實(shí)況格點(diǎn)產(chǎn)品，基于此產(chǎn)品可進(jìn)一步開發(fā)出飛機(jī)航線上的對流有效位能、抬升指數(shù)、積冰層、飛機(jī)顛簸指數(shù)、抬升凝結(jié)高度等，為通用航空、航空調(diào)度、飛行安全等提供重要參考。在電力領(lǐng)域，基于FY-4A星產(chǎn)品可監(jiān)測雷擊、火險(xiǎn)等災(zāi)害性天氣，并實(shí)現(xiàn)短時(shí)臨近預(yù)警，為電力檢修和安全生產(chǎn)提供參考。

2.6人工影響天氣

FY-4A星監(jiān)測及云特性反演產(chǎn)品在人工影響天氣領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。主要有：將高時(shí)空分辨率、多光譜的觀測資料，結(jié)合全國實(shí)時(shí)探空和地面觀測，可開發(fā)滿足人工影響天氣業(yè)務(wù)需求的FY-4A星云結(jié)構(gòu)特征和云降水物理過程反演產(chǎn)品，形成對云結(jié)構(gòu)特征及其演變規(guī)律的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力，這些監(jiān)測和反演產(chǎn)品對建立我國各類云系人工影響天氣作業(yè)概念模型和作業(yè)指標(biāo)判據(jù)將發(fā)揮關(guān)鍵作用；將在云模式預(yù)報(bào)檢驗(yàn)、大氣水循環(huán)和云水資源、人工增雨開發(fā)潛力評估等研究中得到應(yīng)用；將在人工影響作業(yè)條件預(yù)報(bào)檢驗(yàn)、作業(yè)條件監(jiān)測識別預(yù)警、作業(yè)方案設(shè)計(jì)、作業(yè)跟蹤指揮，以及作業(yè)效果檢驗(yàn)等人工影響天氣實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用；將在各地人工增雨、人工防雹，以及人工消減雨等各類人工影響天氣服務(wù)實(shí)踐中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.7空間天氣

FY-4A星空間環(huán)境探測器數(shù)據(jù)可用于災(zāi)害性空間天氣事件的監(jiān)測，并對太陽活動、地磁環(huán)境、電離層和高層大氣環(huán)境，以及衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境開展預(yù)報(bào)服務(wù)。高能粒子探測數(shù)據(jù)可直接用于預(yù)警一些潛在空間天氣威脅，太陽高能質(zhì)子(大于10 MeV)事件實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警；高能電子(大于2 MeV)流量數(shù)據(jù)可用于計(jì)算衛(wèi)星儀器發(fā)生充放電現(xiàn)象的概率，為衛(wèi)星儀器正常運(yùn)行監(jiān)測提供服務(wù)；粒子的投擲角分布則有助于進(jìn)一步了解同步軌道粒子的動力學(xué)過程，提高對輻射帶環(huán)境的理解和認(rèn)識；同步軌道的磁場探測數(shù)據(jù)不僅可驗(yàn)證全球磁場模型，同化到磁場模型中支持高精度磁場模型構(gòu)建，還能用于評估地磁活動水平，估算衛(wèi)星是否穿越磁層頂和舷激波，或?yàn)橐恍┛臻g天氣數(shù)值預(yù)報(bào)模型提供輸入，促進(jìn)對太陽風(fēng)-磁層相互作用過程的科學(xué)理解；可獲得衛(wèi)星充電、單粒子事件、輻射劑量和碎片等預(yù)警和預(yù)報(bào)指數(shù)，并在衛(wèi)星或載荷狀態(tài)異常時(shí)進(jìn)行綜合分析，甄別是否由空間天氣事件引起，為衛(wèi)星在軌安全運(yùn)行提供保障等。FY-4A星空間天氣監(jiān)測和預(yù)報(bào)預(yù)警將為能源、通信、航空、航天等多領(lǐng)域提供服務(wù)。

3 FY-4A星在軌測試期間應(yīng)用

FY-4A星及其地面應(yīng)用系統(tǒng)測試計(jì)劃持續(xù)1年。為盡快發(fā)揮效益，采取了邊調(diào)試邊試用的測試方式。在軌測試期間，正值春夏轉(zhuǎn)換，天氣形勢復(fù)雜，沙塵、暴雨強(qiáng)對流、臺風(fēng)等災(zāi)害天氣輪番登場。FY-4衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)利用FY-4A星獲取的測試資料，生成測試產(chǎn)品，針對性地開展了試驗(yàn)應(yīng)用。目前應(yīng)用FY-4A星監(jiān)測到的典型災(zāi)害天氣過程包括：2017年5月3日至7日北方地區(qū)最嚴(yán)重沙塵過程、6月20日至24日華北特大暴雨、6月底至7月初南方持續(xù)降水、1 702號臺風(fēng)苗柏和1 703號臺風(fēng)南瑪都；同時(shí)FY-4A星還對“一帶一路”國際合作高峰論壇專項(xiàng)氣象服務(wù)保障開展了專項(xiàng)觀測支持。

FY-4A星應(yīng)用中顯示出多通道掃描成像輻射計(jì)具識別沙塵細(xì)節(jié)紋理更清晰、臺風(fēng)內(nèi)部中小尺度云系結(jié)構(gòu)更明顯、能解析暴雨天氣不同層次水汽輸送等新增能力；閃電成像儀觀測到的國內(nèi)外閃電資料，也對強(qiáng)天氣的監(jiān)測應(yīng)用有很好的指示作用。在上述天氣過程和氣象服務(wù)保障中，F(xiàn)Y-4A星體現(xiàn)出公眾認(rèn)可度高、用戶期待值大的特點(diǎn)，預(yù)示未來投入業(yè)務(wù)應(yīng)用后的明顯應(yīng)用前景，在2017年下半年，將重點(diǎn)開展產(chǎn)品測試和試驗(yàn)使用，F(xiàn)Y-4A星新儀器、新產(chǎn)品的巨大應(yīng)用潛力，將隨著測試過程的進(jìn)一步展開，得到更加充分的發(fā)揮。預(yù)計(jì)衛(wèi)星和地面應(yīng)用系統(tǒng)將于2017年底具備投入業(yè)務(wù)使用能力。

FY-4A星三通道可見光彩色合成圖像如圖6所示。該圖像由于利用了FY-4A星500 m高分辨率的可見光通道，其分辨率較現(xiàn)有FY-2衛(wèi)星提高6倍，時(shí)間頻次提高1倍。2017年5月4日凌晨對該圖像產(chǎn)品的判識發(fā)現(xiàn)明顯的沙塵暴信息，隨著氣旋云系向東移動，沙塵影響范圍明顯向東擴(kuò)展，華北大部、內(nèi)蒙古大部、陜西北部、甘肅東部、寧夏大部、黑龍江北部與內(nèi)蒙古北部交界處、黑龍江西南部等地有明顯沙塵分布，東北西部沙塵區(qū)有云覆蓋。經(jīng)估算，衛(wèi)星可視的沙塵監(jiān)測面積約19.2萬km2。

FY-4衛(wèi)星可見光近紅外通道偽彩色合成圖像，利用了FY-4衛(wèi)星新增的卷云通道，可清晰地識別區(qū)域水云和冰云，這對航空氣象、強(qiáng)天氣分析，以及云團(tuán)發(fā)生發(fā)展的跟蹤有重要的應(yīng)用價(jià)值。2017年6月25日15：45的FY-4A星合成圖像如圖7所示。該時(shí)間段西南地區(qū)東部至長江中下游維持一條梅雨鋒雨帶(圖中藍(lán)色調(diào)和白色調(diào)云團(tuán))，在雨帶南側(cè)的湖南南部、浙江南部和福建北部有強(qiáng)對流云團(tuán)發(fā)展，上述地區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)降水。圖7中：強(qiáng)降水區(qū)域與對流旺盛發(fā)展到出現(xiàn)冰云(圖中藍(lán)色調(diào)云團(tuán))的區(qū)域非常一致。

圖6 FY-4A星三通道彩色合成圖像Fig.6 Color synthesis picture of three channels by FY-4A satellite

圖7 FY-4A星偽彩色合成圖像Fig.7 Pseudo-color synthesis picture by FY-4A satellite

4 FY-4衛(wèi)星發(fā)展

FY-4光學(xué)星在總體技術(shù)上與國際同期靜止氣象衛(wèi)星處于同等水平，并在大氣垂直探測方面具先行發(fā)展的優(yōu)勢。FY-4A星作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，主要用途是驗(yàn)證新技術(shù)，發(fā)展新應(yīng)用[9]。與MTG和GOES-R系列衛(wèi)星等相比，該星的成像儀器的空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率尚有一定差距[10]。為更好地滿足我國氣象事業(yè)對靜止氣象衛(wèi)星觀測資料的需求，并與國際接軌建立具有觀測數(shù)據(jù)兼容的衛(wèi)星星座，F(xiàn)Y-4后續(xù)光學(xué)系列業(yè)務(wù)衛(wèi)星的紅外成像空間分辨率將逐步達(dá)到2 km，全圓盤觀測時(shí)間分辨率達(dá)到1 min；攜帶快速成像儀，可獲取真彩色圖像，最高可見光分辨率250 m，2 000 km×2 000 km區(qū)域成像時(shí)間為1 min；進(jìn)一步提高探測儀的空間分辨率，保持中國在靜止軌道紅外高光譜大氣垂直探測的先行優(yōu)勢，并不斷提高應(yīng)用效益；靜止軌道閃電成像儀的性能將與MTG，GOES-R基本一致。預(yù)計(jì)在2020年前后，F(xiàn)Y-4光學(xué)系列衛(wèi)星的性能將全面達(dá)到和部分超越國際先進(jìn)水平。

5 結(jié)束語

我國FY-4光學(xué)星系列的科研實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功發(fā)射，在軌測試所取得的成果表明，星地總體方案正確，實(shí)現(xiàn)了全部功能，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)值，將在2018年全面投入試用，特別是在臺風(fēng)、暴雨、洪澇、干旱等自然災(zāi)害的監(jiān)測中發(fā)揮重要作用，提高天氣監(jiān)測和預(yù)報(bào)水平，為減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失和社會發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。隨著后續(xù)衛(wèi)星的發(fā)射，尤其是微波探測衛(wèi)星的發(fā)展，F(xiàn)Y-4衛(wèi)星將處于國際領(lǐng)先水平[9]。為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、海洋、環(huán)境、交通、能源、航空航天、國防建設(shè)、科研等各領(lǐng)域，為我國小康社會建設(shè)、生態(tài)文明建設(shè)和“一帶一路”戰(zhàn)略提供更堅(jiān)實(shí)的支撐和保障服務(wù)。

[1] YANG J, ZHANG Z, WEI C, et al. Introducing the new generation of Chinese geostationary weather satellites-FengYun4 (FY-4)[J]. Bull Amer Meteor Soc, 2016, DOI: 10.1175/BAMS-D-16-0065.1.

[2] LU F, SHOU Y, Channel simulation for FY-4 AGRI[C]// Geoscience and Remote Sensing Symposium.IEEE. Vancouve: [n. l.], 2011: 3265-3268. I.

[3] 張志清, 董瑤海, 丁雷, 等. 我國首顆第二代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云-4升空[J]. 國際太空, 2016(12): 6-12.

[4] 徐建平, 張志清. 各國靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)展[J]. 氣象科技, 2001, 29(2): 11-20.

[5] LU F, ZHANG X, XU J. Image navigation for the FY 2 geosynchronous meteorological satellite[J]. J Atoms Ocean Technol, 2008, 25(7): 1149-1165.

[6] 張如意, 李卿, 董瑤海, 等. 靜止氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)發(fā)展設(shè)想[J]. 上海航天, 2012, 29(5): 7-13.

[7] 楊軍, 許健民, 董超華. 風(fēng)云氣象衛(wèi)星40年：國際背景下的發(fā)展足跡[J]. 氣象科技進(jìn)展, 2011, 1(1): 6-13.

[8] 張曉虎, 陸風(fēng), 竇芳麗, 等. 國外地球同步軌道氣象衛(wèi)星成像觀測模式發(fā)展分析[J]. 氣象科技進(jìn)展, 2016, 6(1): 124-128.

[9] 董瑤海. 風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用展望[J]. 上海航天, 2016, 33(2): 1-8.

[10] 陸風(fēng), 張曉虎, 陳博洋, 等. 風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星成像觀測模式及其應(yīng)用前景[J]. 海洋氣象學(xué)報(bào), 2017, 37(2): 1-12.

ApplicationandDevelopmentofFY-4MeteorologicalSatellite

ZHANGZhi-qing1，LUFeng1，F(xiàn)ANGXiang1，TANGShi-hao1，ZHANGXiao-hu1，XUYing-long2，HANWei2，NIESu-ping3，SHENYan-bo4，ZHOUYu-quan5

(1. National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China;2. National Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China;3. National Satellite Climate Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China;4. Public Meteorological Service Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China;5. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing100081, China)

The application and its development of FY-4meteorological satellite was introduced in this paper, which was the new generation geostationary meteorological satellite in China. The four main instruments were presented, which were Advanced Geosynchronous Radiation Imager (AGRI), Geosynchronous Interferometric Infrared Sounder (GIIRS), Geostationary Lightning Mapping (GLM) and Space Environment Monitor. And so were the satellite’s observation and quantified products. The performances of FY-4satellite were compared with Chinese FY-2meteorological satellite and other geostationary meteorological satellites on orbit in the world. FY-4optical satellite series are similar to GOES-16of the United States, Himawari-8/9of Japan and MTG of European Meteorological Satellite Organization, which belong to the same period advanced meteorological satellite. The images and data obtained by FY-4A satellite were given. The basic quantified products of FY-4A satellite were listed. The using instrument, data characteristic, physical meaning, and application field, method and samples were also presented. The quantified products applications based on FY-4satellite in numerical weather predication, climate, eco-environment, specialized meteorological service, weather modification, space weather monitoring and warning were given. Some applications of FY-4A satellite during the test were given. The development of follow-up FY-4satellite series were prospected at last.

FY-4meteorological satellite; Advanced Geosynchronous Radiation Imager (AGRI); Geosynchronous Interferometric Infrared Sounder (GIIRS); Geostationary Lightning Mapping (GLM); Space Environment Monitor; numerical weather predication; climate; eco-environment; professional meteorological service; weather modification; space weather monitoring and warning

1006-1630(2017)04-0008-12

2017-06-13；

：2017-08-08

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助(2009AA12Z50)；國家自然科學(xué)基金資助(41575048，61527805，41175023)

張志清(1964—)，男，二級研究員，風(fēng)云二號和風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師，主要研究方向?yàn)闅庀笮l(wèi)星遙感。

P13

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.002