風(fēng)云四號(hào)01星
編者的話：12月11日0時(shí)11分04秒，我國(guó)新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云四號(hào)”01星搭乘“長(zhǎng)征三號(hào)乙遙42”運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。幾天后，它將抵達(dá)東經(jīng)99.5度約3.6萬(wàn)公里赤道上空，正式獲得“風(fēng)云四號(hào)A星”的新名字。在同一個(gè)地球靜止軌道上，它將和許多主要國(guó)家的靜止軌道衛(wèi)星成為“鄰居”。
在這些“小伙伴”里，有剛比“風(fēng)云四號(hào)”01星早一個(gè)月定居的GOES-16、“向日葵9號(hào)”，有兩年前定居的“向日葵8號(hào)”和五年前定居的Electro-L，它們有的來(lái)自美國(guó)，有的來(lái)自日本，還有的來(lái)自俄羅斯。按照計(jì)劃，再過(guò)兩年，來(lái)自歐洲的MTG-I也將成為“風(fēng)云四號(hào)”01星的“新伙伴”。
這些先進(jìn)的靜止軌道氣象衛(wèi)星在太空“攜手”，密切監(jiān)視著地球天氣的“一舉一動(dòng)”，在氣象、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境、能源、航空和海洋等領(lǐng)域成為人類安排活動(dòng)的重要“參謀”。
美國(guó)GOES-16：將為氣象預(yù)報(bào)帶來(lái)“革命性變化”
當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月19日晚，美國(guó)GOES-R衛(wèi)星由“阿特拉斯5”（Atlas V）運(yùn)載火箭送入軌道。經(jīng)過(guò)大約10天的5次變軌，衛(wèi)星順利定點(diǎn)于西經(jīng)89.5度，并被正式命名為GOES-16，以美國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星首顆星身份，進(jìn)入了GOES衛(wèi)星序列。
GOES-16代表著美國(guó)高軌氣象衛(wèi)星的最先進(jìn)水平，搭載有高速多光譜相機(jī)、閃電成像儀和一套空間天氣儀器，可提供西半球連續(xù)的高分辨率颶風(fēng)和其他風(fēng)暴圖像。美國(guó)稱，GOES-16將給氣象預(yù)報(bào)帶來(lái)“革命性變化”。
三類載荷各有突破
GOES-16配備的先進(jìn)基準(zhǔn)成像儀（ABI）探測(cè)通道增加為覆蓋可見(jiàn)光和近紅外的16個(gè)（原為5個(gè)通道），空間分辨率是原有GOES衛(wèi)星成像儀的五倍?！敖Y(jié)合多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星光譜圖像將提高我們對(duì)風(fēng)暴消長(zhǎng)的認(rèn)識(shí)?！泵绹?guó)國(guó)家氣象局觀測(cè)處主任約瑟夫·皮卡說(shuō)。
“對(duì)于天氣預(yù)報(bào)員來(lái)說(shuō)，GOES-16的發(fā)射就像是從黑白電視時(shí)代進(jìn)入超高清電視時(shí)代。”美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）主管衛(wèi)星和信息的副局長(zhǎng)斯蒂芬·沃爾茲說(shuō)，“這將意味著更快、更準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警，意味著可以挽救更多生命，并為國(guó)家和地方官員等提供更好的決策服務(wù)?！?/p>
GOES-16的觀測(cè)范圍是整個(gè)西半球?！癎OES-16能夠每五分鐘提供地球西半球圖像；對(duì)于颶風(fēng)或雷暴，能做到每30秒拍攝一張圖像?！盢OAA的GOES-16項(xiàng)目主任格雷戈·曼特介紹，“圖像獲取后，將在幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)傳給預(yù)報(bào)員?！盙OES-16還是國(guó)際上搭載首個(gè)閃電成像儀的衛(wèi)星，能夠提供每秒200次的西半球雷電場(chǎng)紅外圖像。
GOES-16還配有磁力計(jì)、用于探測(cè)太陽(yáng)輻射如何影響上層大氣的紫外線X射線傳感器、用于持續(xù)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)的紫外線成像儀，以及用于測(cè)量來(lái)自太陽(yáng)會(huì)影響通信和導(dǎo)航的帶電粒子的傳感器。
2036年前的換代計(jì)劃
作為美國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星，GOES-16的成功發(fā)射開(kāi)啟了NOAA靜止氣象衛(wèi)星更新?lián)Q代的序幕。
“美國(guó)很注重規(guī)劃的科學(xué)性、合理性，長(zhǎng)期保持兩顆衛(wèi)星處于連續(xù)業(yè)務(wù)觀測(cè)位置，建立了衛(wèi)星在軌備份以及應(yīng)急區(qū)域觀測(cè)機(jī)制?！憋L(fēng)云四號(hào)01星地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師張志清此前在接受采訪時(shí)說(shuō)。具體來(lái)說(shuō)，在任何時(shí)候，都有兩顆GOES衛(wèi)星在軌運(yùn)行，其中一顆位于美國(guó)東部上方（GOES-東，西經(jīng)75度），另一顆位于美國(guó)西部上方（GOES-西，西經(jīng)137度）。在過(guò)去數(shù)年的不同時(shí)間點(diǎn)，包括在2012年颶風(fēng)“桑迪”肆虐期間，NOAA都曾把其中一顆GOES衛(wèi)星調(diào)為一種試驗(yàn)性的超快掃描模式，其數(shù)據(jù)更新速度達(dá)到每分鐘一次。根據(jù)NOAA官方公布的最新計(jì)劃，GOES-16將于2017年5月左右進(jìn)入西經(jīng)137度或西經(jīng)75度的操作經(jīng)度。
這一次美國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星換代項(xiàng)目由NOAA負(fù)責(zé)管理，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提供支持，具體由洛克希德馬丁航天系統(tǒng)公司承接建造，包括GOES-16在內(nèi)，計(jì)劃發(fā)射四顆衛(wèi)星，項(xiàng)目總投資約110億美元，目標(biāo)是在2036年前為西半球提供不間斷觀測(cè)。GOES-16同系列的下一顆氣象衛(wèi)星GOES-S將于2018年初發(fā)射，GOES-T和GOES-U的發(fā)射時(shí)間分別是2019年左右和2025年左右，四顆衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命都為11年。
四顆衛(wèi)星的主要進(jìn)展是，基準(zhǔn)成像儀能力大幅提高，增加了先進(jìn)的閃電成像儀。但遺憾的是，由于經(jīng)費(fèi)等原因，對(duì)觀測(cè)大氣垂直運(yùn)動(dòng)有十分重要作用的垂直探測(cè)儀器目前并沒(méi)有在計(jì)劃之列。
日本向日葵8號(hào)和9號(hào)：大幅提高臺(tái)風(fēng)觀測(cè)能力
11月2日，東京時(shí)間15時(shí)20分，在日本南部鹿兒島縣的種子島宇宙中心，H2A運(yùn)載火箭第31次起航，將“向日葵9號(hào)”衛(wèi)星送入太空。約30分鐘后，衛(wèi)星與火箭成功分離進(jìn)入預(yù)定軌道。再經(jīng)過(guò)大約一周時(shí)間，“向日葵9號(hào)”就進(jìn)入了高度約3.6萬(wàn)公里的地球同步軌道。
此前，代表著日本新一代靜止氣象衛(wèi)星最高水平的是“向日葵8號(hào)”，它于2014年發(fā)射，是世界上首顆拍攝彩色圖像的地球同步軌道氣象衛(wèi)星?！跋蛉湛?號(hào)”與“向日葵8號(hào)”屬于同一類型，到達(dá)指定地點(diǎn)后，它將作為“向日葵8號(hào)”的備用衛(wèi)星使用。按照計(jì)劃，“向日葵9號(hào)”將于2022年起代替“向日葵8號(hào)”進(jìn)行氣象觀測(cè)。
據(jù)日本氣象廳介紹，形成兩顆衛(wèi)星的體系后，將能確保長(zhǎng)期穩(wěn)定的觀測(cè)。該廳衛(wèi)星整備計(jì)劃官大友猛表示：“希望兩顆衛(wèi)星體系提供更高精度的氣象信息，幫助降低災(zāi)害影響?！?/p>
這兩顆新一代的靜止氣象衛(wèi)星定位于東經(jīng)140度，采用三軸穩(wěn)定方式，裝有先進(jìn)的葵花成像儀（AHI），這與美國(guó)地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-R的先進(jìn)基線成像儀（ABI）相似。通過(guò)葵花成像儀正常掃描全圓盤圖的時(shí)間小于10分鐘，也可以在選定的時(shí)間對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行掃描，每2.5分鐘能夠獲得一幅區(qū)域圖像，它的在軌工作壽命預(yù)期為8年。
它們的成像儀還擁有16個(gè)可見(jiàn)光和紅外通道，可見(jiàn)光的高空間分辨率達(dá)到0.5公里到1公里，紅外高空間分辨率達(dá)到1公里到2公里，再加上成像速度快，觀測(cè)區(qū)域和時(shí)間靈活可變等特點(diǎn)，使日本氣象廳得以改進(jìn)和生成很多新的產(chǎn)品，其中包括大氣運(yùn)動(dòng)矢量、晴空輻射、云網(wǎng)格信息、洋面溫度等。以有重大改進(jìn)的大氣運(yùn)動(dòng)矢量為例，更高的空間分辨率和更頻繁的觀測(cè)對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提供了更高的跟蹤精度。
此外，在“向日葵8號(hào)”的有力支持下，日本氣象廳還開(kāi)發(fā)了不穩(wěn)定性指數(shù)和火山灰監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。不穩(wěn)定性指數(shù)是根據(jù)多通道觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用一維變分方法從大氣溫度和濕氣廓線計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)，用于天氣預(yù)報(bào)，能夠更早地預(yù)測(cè)暴雨和雷暴等惡劣天氣。因?yàn)橹苯佑绊戯w機(jī)飛行，火山灰的監(jiān)測(cè)近年來(lái)越來(lái)越受到重視，利用“向日葵8號(hào)”能夠測(cè)得火山灰強(qiáng)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(wèi)星GMS-1于1977年7月14日發(fā)射，之后陸續(xù)發(fā)射了5顆“地球靜止氣象衛(wèi)星”，一直運(yùn)行到2003年。在此期間，東亞太平洋和澳大利亞地區(qū)的衛(wèi)星觀測(cè)主要依賴日本地球靜止氣象衛(wèi)星。接替該系列衛(wèi)星的是日本“多用途運(yùn)輸衛(wèi)星”（MTSAT），這是由日本運(yùn)輸省和日本氣象廳合作投資的，具備氣象觀測(cè)和飛行控制功能。在“向日葵8號(hào)”之前運(yùn)行的多用途運(yùn)輸衛(wèi)星2號(hào)，即“向日葵7號(hào)”，它于2006年2月18日發(fā)射，定位于東經(jīng)145度，2010年7月1日成為主用業(yè)務(wù)衛(wèi)星。
與 “向日葵7號(hào)”相比，“向日葵8號(hào)”和“向日葵9號(hào)”都是專用氣象衛(wèi)星，沒(méi)有飛行控制等功能，但它們更優(yōu)的性能和先進(jìn)的探測(cè)儀器使得其分辨率較此前提高一倍，觀測(cè)間隔也大幅縮短，特別是對(duì)臺(tái)風(fēng)的觀測(cè)能力大大提高。在2015年“蘇迪羅”和2016年“尼伯特”“鯰魚”等臺(tái)風(fēng)的監(jiān)測(cè)中，“向日葵8號(hào)”提供了更加清晰的臺(tái)風(fēng)圖像，幫助預(yù)報(bào)員更好地捕捉到了臺(tái)風(fēng)中心附近的風(fēng)向及風(fēng)速。
歐洲MTG系列：歐洲最大型太空計(jì)劃成果
歐洲下一代地球同步軌道氣象衛(wèi)星計(jì)劃為MTG系列，該計(jì)劃由歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）和歐洲空間局（ESA）聯(lián)合提出，將以MTG-I（成像衛(wèi)星）和MTG-S（探測(cè)衛(wèi)星）雙星運(yùn)行，各自承載不同的探測(cè)儀器，計(jì)劃發(fā)射6顆衛(wèi)星（4顆MTG-I和2顆MTG-S）。該計(jì)劃被稱為歐洲實(shí)施的最大型、最復(fù)雜的太空計(jì)劃之一，首顆MTG-I衛(wèi)星預(yù)計(jì)將于2018年發(fā)射。
ESA最初于1972年提出氣象衛(wèi)星計(jì)劃，開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展地球同步軌道應(yīng)用，并于1977年11月23日成功發(fā)射了Meteosat-l衛(wèi)星。1983年，歐洲16國(guó)籌建研制第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星（MSG），并規(guī)劃了4顆可至少持續(xù)工作到2018年的衛(wèi)星。自2000年起，歐洲氣象衛(wèi)星開(kāi)發(fā)組織（EUMETSAT）與歐空局（ESA）開(kāi)始規(guī)劃下一代地球同步軌道氣象衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱MTG）。
MTG系列衛(wèi)星均采用三軸穩(wěn)定平臺(tái)。MTG-I衛(wèi)星上的主要載荷包括組合成像儀、閃電成像儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及搜救系統(tǒng)；MTG-S衛(wèi)星上的主要載荷包括紅外探測(cè)儀和紫外可見(jiàn)光近紅外探測(cè)儀。
其中，MTG-I星搭載的組合成像儀將繼承其上一代靜止衛(wèi)星系列自旋可見(jiàn)光紅外成像技術(shù)，將高分辨率快速成像和全圓盤高光譜分辨率成像功能合并實(shí)現(xiàn)。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，組合成像儀在云、氣溶膠、濕度和火災(zāi)探測(cè)等方面的性能都得到了改進(jìn)，并增加了新通道，提高了時(shí)間分辨率、空間分辨率和輻射測(cè)量分辨率。
MTG-S衛(wèi)星上的“主角”則是地球同步軌道的紅外探測(cè)儀，能夠提供大氣水汽和溫度水平、垂直的立體分布和瞬時(shí)分布（即四維結(jié)構(gòu)）信息。紅外探測(cè)儀具有800個(gè)長(zhǎng)波紅外光譜通道和920個(gè)中波紅外光譜通道，能夠在60分鐘內(nèi)凝視和掃描整個(gè)地球圓盤。紅外探測(cè)儀能穿透云和雨的毫米波波段，其觀測(cè)對(duì)象包括長(zhǎng)波紅外波段的臭氧帶和中波紅外波段的一氧化碳。通過(guò)對(duì)自由對(duì)流層進(jìn)行測(cè)量，紅外探測(cè)儀可以得到邊界層以下的污染增強(qiáng)等級(jí)信息。
俄羅斯2011年發(fā)射的靜止氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星Electro-L在2012年火了一把。當(dāng)年5月，Electro-L僅用一個(gè)鏡頭拍攝到了地球高清完整照片，分辨率達(dá)到121兆像素，創(chuàng)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(wèi)星所拍攝的地球完整圖片來(lái)自一個(gè)拍攝鏡頭，而不是通過(guò)多張圖片合成完整的一張圖片。由于僅通過(guò)一個(gè)拍攝鏡頭拍到地球全貌并不容易，因此這張完整高清地球照片顯得非常珍貴。
早在上個(gè)世紀(jì)，蘇聯(lián)就宣布要發(fā)射靜止軌道通信、海洋和氣象衛(wèi)星-N1（GOMS-N1），但計(jì)劃一再推遲，一直到1994年11月才發(fā)射。它是三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，定位于東經(jīng)76度。但發(fā)射后成像儀故障，未能獲取可見(jiàn)光圖像。
第二代衛(wèi)星Electro-L系列的第一顆Electro-L N1（又稱為GOMS-N2）于2011年1月23日發(fā)射，三軸穩(wěn)定姿態(tài)，定位于東經(jīng)76度，裝有10通道成像儀（MSU-GS），與歐洲“第二代氣象衛(wèi)星”的改進(jìn)型自旋可見(jiàn)光紅外成像儀（SEVIRI）相似，有3個(gè)可見(jiàn)光通道，7個(gè)紅外通道和太陽(yáng)地球物理探測(cè)器（GGAK）。同系列還有兩顆衛(wèi)星計(jì)劃發(fā)射，一顆是Electro-L N2，定位于西經(jīng)14.5度，另一顆是Electro-L N3，定位于東經(jīng)166度。這3顆衛(wèi)星將組成覆蓋俄羅斯國(guó)土的靜止氣象衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)。
事實(shí)上，由于俄羅斯國(guó)土大多處于高緯地區(qū)，靜止氣象衛(wèi)星觀測(cè)效果欠佳，極軌衛(wèi)星觀測(cè)頻次又不夠密，因此需要大橢圓軌道衛(wèi)星觀測(cè)。俄羅斯的大橢圓軌道衛(wèi)星系統(tǒng)將通過(guò)Arctica項(xiàng)目來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)同時(shí)有兩顆衛(wèi)星在橢圓軌道運(yùn)行，軌道周期12小時(shí)，每顆衛(wèi)星對(duì)高緯地區(qū)觀測(cè)6.4個(gè)小時(shí)后由另一顆衛(wèi)星觀測(cè)，使得一天24小時(shí)都能獲得觀測(cè)資料。
不過(guò)，雖然大橢圓軌道衛(wèi)星仍然使用和Electro-L一樣的衛(wèi)星，探測(cè)儀器也相同，但已經(jīng)不在地球靜止軌道上了。