風云系列氣象衛(wèi)星“面面觀”

劉浩

微信已經(jīng)成為當下國人溝通的重要工具，很多人起床后的第一件事就是登錄微信，刷刷朋友圈，看看新聞。目前，微信啟動頁的背景圖是一張名叫“藍色瑪瑙”（又名“藍色彈珠”）的照片，它是美國國家航空航天局（NASA）在世界范圍內(nèi)公開的第一張完整的地球照片，其視角位于非洲大陸上空，由1972年阿波羅17號載人飛船的一名航天員拍攝。2016年底，我國第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星—風云四號A星成功發(fā)射，并于次年實現(xiàn)業(yè)務運行。為了慶祝風云四號A星取得的巨大突破，2017年9月25日17時—9月28日17時，微信運營商將啟動頁的背景圖更換成了該衛(wèi)星拍攝的衛(wèi)星云圖。該圖拍攝于2017年6月7日，是可見光三個通道合成的東半球圓盤圖。對比兩幅背景圖，可以發(fā)現(xiàn)，后者的視角從非洲大陸移動到了中國的上空。

風云四號A星只是我國風云系列氣象衛(wèi)星中的一員。截至2024年1月，我國已發(fā)射21顆風云衛(wèi)星，其中9顆在軌運行。它們在高空中日夜堅守、觀云相雨，為筑牢防災減災第一道防線立下了汗馬功勞。那么，“風云家族”都有哪些成員？它們身懷哪些絕技？又是如何跟氣象災害作斗爭的呢？本文將通過多種角度帶大家領略它們的獨特魅力。

“如影隨形”與“葵花向日”

有的讀者可能會問，這么多風云氣象衛(wèi)星同時“盯”著地球，真的有必要嗎？正所謂“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”，不同的衛(wèi)星，高度有別、角度有異，“看到”的風云自然有所差異。

前文提到的風云四號A星屬于地球靜止軌道氣象衛(wèi)星，簡稱靜止衛(wèi)星。靜止衛(wèi)星位于赤道上空，公轉方向與地球的自轉方向相同，并且公轉的周期與地球自轉的周期一致。所以從地面看，它始終懸在我們的上空一動不動（相對靜止），與地球如影隨形，這也是靜止衛(wèi)星名稱的由來。根據(jù)萬有引力定律和向心力公式，可以計算出靜止衛(wèi)星距離地面的高度大致是固定的，約為35800千米。靜止衛(wèi)星的優(yōu)勢在于，它可以對同一個區(qū)域進行持續(xù)監(jiān)測。

還有一種衛(wèi)星叫近極地太陽同步軌道衛(wèi)星，簡稱極軌衛(wèi)星。這類衛(wèi)星的軌道平面與太陽始終保持固定的取向。也就是說，在隨地球一起繞太陽旋轉的過程中，極軌衛(wèi)星的軌道面與日地連線（太陽視線）的夾角始終保持不變。極軌衛(wèi)星的這個特點與“葵花向日”有異曲同工之妙。利用這一優(yōu)勢，極軌衛(wèi)星可以監(jiān)測到全球的天氣，尤其是靜止衛(wèi)星難以監(jiān)測到的兩極地區(qū)。而且，由于所處軌道比較低，極軌衛(wèi)星所獲資料的空間分辨率會更高。

極軌衛(wèi)星在地球上空巡游，約每100分鐘繞地球一周。那么，它何時經(jīng)過我國上空呢？“葵花向日”般的特點使得它每天會在特定的時刻（地方時）經(jīng)過指定區(qū)域。按照經(jīng)過我國上空的時間，可將其分為上午星、下午星和黎明星三類。例如，F(xiàn)Y-3F由北向南經(jīng)過赤道上空的時間為10點15分，在此之前，它剛剛經(jīng)過我國上空，所以是一顆上午星；FY-3D由南向北經(jīng)過赤道上空的時間為14點，此后，它將繼續(xù)北行經(jīng)過我國上空，所以FY-3D是一顆下午星；FY-3E由北向南經(jīng)過赤道上空的時間為5點30分，此前經(jīng)過我國上空時恰逢破曉之際，故稱之為黎明星。

還有一顆出現(xiàn)時間不太有規(guī)律的風云衛(wèi)星—FY-3G。它是我國首顆低傾角軌道降水測量衛(wèi)星，主要用于災害性天氣系統(tǒng)降水監(jiān)測，可提供全球中低緯度地區(qū)降水三維結構信息。FY-3G與其他極軌衛(wèi)星有許多不同之處：它的軌道是傾斜的（FY-3G的傾角只有50°，其他極軌衛(wèi)星的傾角為98°～99°）；距地高度比其他極軌衛(wèi)星低許多（FY-3G的距地高度只有400多千米，其他極軌衛(wèi)星的距地高度為800多千米）；軌道平面與太陽之間的取向不固定（非太陽同步）。嚴格來說，F(xiàn)Y-3G并不屬于極軌衛(wèi)星。它的運動范圍為南北緯50°之間，能夠更高效、更精準地觀測地球降水，可針對性地解決臺風等災害性天氣系統(tǒng)強降水監(jiān)測問題，因此也被稱為“降水星”。

“法眼”眾多與通道浩繁

在小說《西游記》中，有個名叫百眼魔君（又名多目怪）的妖精，它兩脅下有1000只眼，眼中迸放金光，十分厲害。咱們的風云氣象衛(wèi)星也身懷絕技且有多個“法眼”，這些“法眼”便是上面搭載的各種儀器。不同儀器的通道不同、朝向不同，探測對象也不盡相同。

氣象衛(wèi)星的主要監(jiān)測對象是地球大氣系統(tǒng)的溫度、濕度和云雨演變等氣象要素，通過探測大氣系統(tǒng)發(fā)射、反射或散射的電磁輻射來實現(xiàn)監(jiān)測目的。電磁輻射的波長范圍很廣，包括太陽輻射、地球大氣的熱輻射和無線電輻射等，從波長10^-10微米的宇宙射線到波長10¹⁰微米的無線電波，都屬于電磁輻射的范疇。人眼可以看到的可見光僅屬于電磁波譜中的一小段。與人眼相比，氣象衛(wèi)星可以接收的輻射范圍要大得多。如地表、云層發(fā)出的紅外輻射，大氣層中氣體發(fā)射的紅外輻射，地面和云體反射的太陽輻射，大氣分子、氣溶膠等對太陽輻射的散射輻射等，都難逃氣象衛(wèi)星的“法眼”。

氣象衛(wèi)星搭載的每個儀器擁有若干個探測通道，通道越多，大氣垂直分層探測就越精細，對大氣溫濕度的分層認知就越精準。例如，在FY-3F中，大氣垂直探測通道的數(shù)量比FY-3C提升了近47倍，微波溫度計大氣探測通道有17個，微波濕度計大氣探測通道有15個，紅外高光譜大氣探測儀探測通道有3000多個。借助微波通道不受天氣影響及高光譜探測通道更精細的優(yōu)勢，微波和光學大氣探測儀器的深度聯(lián)合可以探測人眼難以捉摸的大氣溫濕度廓線信息，為地球大氣做高頻次、高精度的“CT掃描”，讓暴雨、臺風等災害性天氣無處遁形。

衛(wèi)星獲取的氣象資料對數(shù)值天氣預報精度的提高和氣候變化預測與評估具有重要意義。以FY-3G為例，與其他衛(wèi)星被動接收信號不同，F(xiàn)Y-3G可以主動發(fā)射電磁波，對降水進行專門監(jiān)測，這是因為FY-3G上搭載了“鎮(zhèn)星之寶”—降水測量雷達（PMR）。用PMR測量的降水強度不僅更準確，還可以獲得降水類型、降水層高度等多種降水信息。也就是說，PMR能夠提供臺風、暴雨、暴雪等降水的三維結構，助力氣象預報員加深對風暴結構、云的結構以及天氣系統(tǒng)的理解，提高降水預報預測的準確率。

總之，“風云家族”成員“法眼”眾多、通道浩繁，可以對地球大氣系統(tǒng)的溫度、濕度和云雨演變等氣象要素進行立體監(jiān)測，為天氣預報、氣候預測、災害監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測等氣象業(yè)務的開展提供有力支撐。

俯瞰風云與防災減災

《蘇東坡文集》中有一篇《颶風賦》，詳細記錄了颶風（古代多將臺風稱為颶風，現(xiàn)在主要根據(jù)產(chǎn)生地點對兩者進行劃分）來臨的前兆、來臨時的情形及影響?！皵嗄揎嫼６敝?，赤云夾日而南翔”，這是臺風外圍云系所造成的大氣光學現(xiàn)象，對臺風的到來有很好的指征作用。這種指征雖然準確但時效性太差，因為“語未卒，庭戶肅然，槁葉蔌蔌”。話音剛落，臺風就已刮入庭院，弄得大家驚慌失措。當晚作者不敢熟睡，多次搬動床鋪并占卜颶風停止的時間……

面對颶風，今人不必如此狼狽，因為臺風從生成到發(fā)展再到消散的全過程都已被“風云家族”看得一清二楚，這為防汛防臺工作贏得了寶貴的“提前量”。

與暴雨、沙塵暴、暴雪等災害性天氣不同，臺風的生成和發(fā)展多在遠海，那里一般是海洋氣象觀測的盲區(qū)，因此衛(wèi)星成為監(jiān)測臺風發(fā)生、發(fā)展過程的得力助手。經(jīng)過同化，衛(wèi)星的監(jiān)測數(shù)據(jù)會輸入數(shù)值預報模式中，從而計算出臺風的路徑、強度等信息，為預報員提供重要參考?，F(xiàn)在，我國臺風路徑預報的誤差已由過去的200千米縮小到70千米，躋身世界先進水平，“風云家族”功不可沒。其實，對臺風的預報、預警只是“風云家族”對氣象服務所做貢獻的一個縮影，暴雨、暴雪、強對流、沙塵暴等災害性天氣的氣象服務中都少不了它們的參與……

50多年來，我國風云氣象衛(wèi)星事業(yè)實現(xiàn)了從無到有、從跟跑到并跑再到部分領跑的跨越。半個世紀前，周恩來總理高瞻遠矚地提出“要搞我們自己的氣象衛(wèi)星”，并于1970年親自批準研制氣象衛(wèi)星的任務。1988年9月7日，我國用長征四號運載火箭成功發(fā)射風云一號A極軌氣象衛(wèi)星（FY-1A），獲取了清晰的遙感圖像，從此告別了完全依賴外國氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歷史。2018年6月5日，風云二號系列“收官星”FY-2H成功發(fā)射，成為服務“一帶一路”建設的新品牌，開啟了風云衛(wèi)星服務國際社會的新紀元。2024年，“風云家族”會按計劃持續(xù)“上新”—FY-4C、FY-3H將翱翔太空，提供更多更優(yōu)的觀測服務。

50多年來，一代代氣象人和航天人攜手共進、勇于創(chuàng)新、接續(xù)奮斗，讓風云氣象衛(wèi)星成為我國重要的空間基礎設施。目前，氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品被廣泛應用于海洋、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保、水利、交通、航空、電力等行業(yè)，為全球用戶提供海量數(shù)據(jù)和不可替代的氣象觀測服務。

在全球氣候變暖的背景下，極端災害性天氣呈現(xiàn)出廣發(fā)、頻發(fā)、重發(fā)、并發(fā)的態(tài)勢，“風云家族”將不斷更新“法眼”，增加通道，根據(jù)天氣、氣候形勢的變化和科技的發(fā)展更新裝備，“打怪升級”，持續(xù)擔負“俯瞰風云變幻，助力防災減災”的重任。

【責任編輯】諶 燕