气象卫星发展历程和启示_方宗义.pdf

1、27Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 4（6）- 2014Article 研究论文气象卫星发展历程和启示方宗义（国家卫星气象中心，中国气象局，北京 100081）摘要： 简要地回顾了国内外气象卫星，特别是业务气象卫星的发展及其更新换代的变化。简要地介绍了业务气象卫星的功能及其在大气科学、地球系统科学中的作用和地位。在此基础上，探讨了由50多年来业务气象卫星快速发展的事实中得到的启示。关键词： 业务气象卫星，快速发展，功能和作用，启示DOI： 10.3969/j.issn.2095-1973.2014.06.003T

2、he Evolution of Meteorological Satellites and the Insight from ItFang Zongyi(National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081)Abstract: This paper briefly recollects the meteorological satellites at home and abroad, especially their development cause as w

3、ell as renovative and generation replacement changes of the operational meteorological satellites. It gives an elementary introduction to their function, role and position in atmospheric sciences and systematic sciences concerning the earth. Furthermore, proceeding from such a basis, the paper probe

4、s into the revelation derived from the fact that operational meteorological satellites have made rapid progress in the past 50 years or more.Keywords: operational meteorological satellite, rapid progress, function and role, revelation1 引言自 1960年 4月 1日 世 界 上 首 次 成 功 发 射 气 象 卫 星 以来1， 已 经 过 去 半 个 多 世 纪

5、 了 。 空 间 技 术 和 遥 感 技 术的 发 展 与 进 步 ， 地 球 科 学 和 人 类 生 存 与 发 展 的 需 求 牵引 ， 气 象 卫 星 在 天 气 分 析 预 报 、 数 值 天 气 预 报 、 气 候监 测 和 预 测 、 生 态 和 环 境 监 测 ， 特 别 是 在 对 热 带 气 旋和 中 尺 度 强 对 流 灾 害 性 天 气 监 测 和 预 警 方 面 的 成 效 ，极 大 地 促 进 了 气 象 卫 星 和 卫 星 气 象 学 的 发 展 。 本 文 将在 简 要 回 顾 和 总 结 国 内 外 气 象 卫 星 发 展 的 历 程 、 成 就和 作 用 的

6、基 础 上 ， 探 讨 从 中 得 到 的 启 示 。 从 过 去 半 个多 世 纪 气 象 卫 星 发 展 的 历 程 中 吸 取 成 功 的 经 验 和 失 败的 教 训 ， 寻 求 一 条 适 合 中 国 国 情 、 积 极 稳 妥 的 发 展 中国气象卫星的道路。2 气象卫星的发展历程2.1 极轨气象卫星的发展历程2.1.1 美国极轨气象卫星的发展 1960年 4月 1日 ， 美 国 发 射 了 第 一 颗 气 象 卫 星 null泰罗 斯 -1号 null（ TIROS-1， 电 视 红 外 观 测 卫 星 ） ， 从 而开 创 了 人 类 从 太 空 探 测 地 球 大 气 的 新

7、 纪 元 。 截 至 1965年 7月 2日 ， 总 共 发 射 了 10颗 泰 罗 斯 卫 星 ， 这 些 卫 星 均携 带 光 电 摄 影 系 统 和 红 外 辐 射 计 ， 前 者 用 以 在 白 天 拍摄 可 见 光 图 片 ， 后 者 昼 夜 均 可 工 作 。 经 过 以 上 10颗 气象 卫 星 对 卫 星 轨 道 （ 近 极 地 太 阳 同 步 轨 道 ） 、 自 旋 稳定 的 姿 态 控 制 （ 飞 轮 控 制 ） 、 遥 感 探 测 器 （ 光 电 摄 像系 统 和 红 外 辐 射 计 ） 和 图 像 传 输 方 式 （ APT， 自 动 图像 传 输 系 统 ） 等 的

8、试 验 验 证 ， 直 接 导 致 了 美 国 第 一 代试验业务气象卫星的诞生2。（1）美国第一代试验业务气象卫星 1966null1969年 ， 美 国 共 发 射 了 9颗 以 环 境 勘 测 局（ ESSA） 命 名 的 泰 罗 斯 业 务 气 象 卫 星 （ TOS） 。 此卫 星 由 环 境 科 学 服 务 局 （ 即 后 来 的 NESDIS） 负 责 运行 、 管 理 。 这 一 代 卫 星 的 主 要 功 能 是 获 取 全 球 范 围 的白天云图和实现云图的直接分发服务。（2）美国第二代业务气象卫星 1970null1978年 ， 美 国 共 发 射 了 5颗 以 美 国

9、国 家 海洋 和 大 气 管 理 局 （ NOAA） 命 名 的 气 象 卫 星 （ 包 括 改进 的 泰 罗 斯 卫 星 艾 托 斯 和 NOAA-1 -5） 。 这 是 第 一批 采 用 三 轴 稳 定 姿 态 控 制 技 术 的 业 务 气 象 卫 星 。 星 上的 可 见 光 及 红 外 扫 描 辐 射 计 （ SR） 和 1972年 开 始 采 用的 甚 高 分 辨 率 扫 描 辐 射 计 （ VHRR） 使 卫 星 不 但 实 现收稿日期：2013年8月2日；修回日期：2013年12月18日第一作者：方宗义（1938），Email: 气象科技进展28 Advances in Me

10、teorological Science and Technology 气象科技进展 4（6）- 2014了 昼 夜 连 续 定 量 观 测 ， 还 开 始 了 多 通 道 高 分 辨 率 扫 描辐射观测。（3）美国第三代业务气象卫星 1978null1998年 ， 美 国 共 发 射 了 新 一 代 泰 罗 斯 卫星 （ New Tiros） 10颗 ， 命 名 为 TIROS-N和 NOAA-6 NOAA-14。 卫 星 的 主 要 变 化 是 由 4个 或 5个 通 道的 先 进 甚 高 分 辨 率 扫 描 辐 射 计 （ AVHRR） 代 替 了VHRR； 增 加 了 由 高 分 辨

11、率 红 外 探 测 器 （ HIRS） 、 微波 探 测 器 （ MSU） 和 平 流 层 探 测 器 （ SSU） 组 成 的 探测 大 气 温 湿 度 垂 直 分 布 的 仪 器 组 合 TOVS， 同 时 还 有太 阳 后 向 散 射 紫 外 辐 射 计 （ SBUV） 和 空 间 环 境 监 测器 （ SEM） 。 气 象 卫 星 具 有 了 同 时 获 取 多 通 道 图 像 和大气温、湿度垂直分布的能力。（4）美国第四代业务气象卫星 1998null2009年 ， 美 国 共 发 射 了 5颗 先 进 的 泰 罗斯 -N系 列 卫 星 ， 命 名 为 NOAA-15 -19。 6通

12、 道 的AVHRR代 替 了 5通 道 的 AVHRR， HIRS-2取 代 了 HIRS，AMSU（ A/B)代 替 了 MSU和 SSU。 这 些 变 化 使 气 象 卫星 可 以 遥 感 有 云 情 况 下 的 大 气 温 、 湿 度 ， 实 现 了 全 天候 的 三 维 大 气 遥 感 探 测 ， 并 能 很 好 地 区 分 云 和 雪 。（5）美国第五代业务气象卫星 2011年 NPP卫 星 的 成 功 发 射 ， 标 志 着 美 国 以NOAA命 名 的 极 轨 业 务 气 象 卫 星 时 代 的 结 束 和 新 一 代以 NPP/JPSS（ 联 合 极 轨 卫 星 系 统 ） 命

13、 名 的 极 轨 业 务 气象 卫 星 时 代 的 开 始 。 NPP是 NOAA-19与 JPSS两 代 业 务卫 星 之 间 的 桥 梁 。 JPSS计 划 发 射 两 颗 ， JPSS-1、 -2，预 计 在 2017和 2023年 发 射 。 NPP卫 星 主 要 装 载 5种 仪器 ： 可 见 光 /红 外 成 像 辐 射 计 （ VIIRS） 、 先 进 技 术微 波 探 测 器 （ ATMS） 、 跨 轨 扫 描 红 外 大 气 探 测 器（ CrIS） 、 臭 氧 图 像 和 廓 线 仪 （ OMPS） 以 及 云 和 地球 辐 射 能 量 系 统 （ CERES） 。 星 上

14、 的 这 些 遥 感 探 测器 使 它 具 有 获 取 多 通 道 图 像 、 全 天 候 气 象 要 素 三 维 分布 、 气 溶 胶 和 云 的 微 物 理 特 性 、 大 气 成 分 和 地 球 大 气辐射收支等地球物理参数的能力。2.1.2 中国极轨气象卫星的发展 1988年 9月 7日 ， 命 名 为 null风 云 一 号 null的 中 国 极 轨气 象 卫 星 的 第 一 颗 卫 星 nullFY-1Anull发 射 成 功3。 卫 星获 得 了 高 质 量 的 可 见 光 图 像 ， 但 是 由 于 水 汽 对 探 测 器件 的 污 染 ， 红 外 图 像 没 有 成 功 。

15、 1990年 9月 3日 发 射 的nullFY-1Bnull解 决 了 红 外 图 像 获 取 问 题 。 但 因 三 轴 稳 定姿控方面的问题，使nullFY -1Anull和nullFY -1Bnull两颗卫星的寿命都没有达到设计要求。（1）中国第一代业务气象卫星1999年 5月 10日 发 射 的 经 过 改 进 的 nullFY-1Cnull卫星 ， 其 工 作 寿 命 超 过 了 设 计 要 求 ， 探 测 通 道 由 5个 增加 到 10个 。 2002年 5月 15日 发 射 的 nullFY-1Dnull卫 星 ， 其寿 命 超 过 7年 。 以 上 两 颗 极 轨 气 象

16、卫 星 构 成 了 中 国 的第一代业务星。（2）中国第二代业务气象卫星风 云 三 号 （ FY-3） 气 象 卫 星 是 我 国 第 二 代 极 轨业 务 气 象 卫 星 ， 是 FY-1号 气 象 卫 星 技 术 的 发 展 和 提高4。 它 具 有 探 测 大 气 三 维 要 素 和 参 数 、 大 幅 度 提 高全 球 资 料 获 取 能 力 ， 进 一 步 提 高 对 云 区 和 地 表 特 征的 遥 感 能 力 ， 从 而 能 够 获 取 全 球 、 全 天 候 、 三 维 、定 量 、 多 光 谱 的 大 气 、 地 表 和 海 表 特 性 参 数 。 FY-3A已 于 2008

17、年 5月 27日 发 射 升 空 ， FY-3B于 2010年 11月5日 发 射 ， 它 们 组 成 上 午 星 和 下 午 星 ， 实 现 双 星 组 网观 测 。 FY-3A/B卫 星 遥 感 仪 器 涉 及 可 见 、 红 外 、 紫外 、 微 波 多 个 谱 段 ， 总 共 有 11套 仪 器 。 表 1和 图 1分别 是 FY-3A气 象 卫 星 携 带 的 遥 感 仪 器 和 卫 星 本 体 。FY-3,02批 卫 星 为 业 务 星 ， 共 有 5颗 ， 设 计 寿 命 5年 ，可 以 持 续 发 展 10年 左 右 ， 其 技 术 状 态 和 水 平 与 欧 洲正 在 运 行

18、 的 METOP和 美 国 正 在 发 展 的 NPP极 轨 业 务气 象 卫 星 接 近 。2.1.3 欧洲极轨业务气象卫星的发展 欧 洲 气 象 卫 星 组 织 （ EUMETSAT） 的 极 轨 气 象 卫星 计 划 起 步 较 晚 ， 但 起 点 高 ， 其 第 一 代 极 轨 业 务 气 象卫星就具有较高水平，发挥了很好的作用。2006年 欧 洲 气 象 卫 星 组 织 发 射 了 第 一 代 业 务 极轨 气 象 卫 星 的 第 一 颗 星 METOP-A， 目 前 已 进 入 业 务运 行 状 态 。 METOP系 列 由 3颗 卫 星 构 成 ， METOP-B于 2012年

19、发 射 ， METOP-C预 计 2017年 发 射 。 该 系 列卫 星 包 括 9种 对 地 遥 感 仪 器 ， 其 中 具 有 显 著 特 色 的是 红 外 大 气 干 涉 探 测 器 （ IASI） 、 全 球 臭 氧 监 测 仪（ GOME） 、 GPS掩 星 探 测 器 （ GPS-S） 、 散 射 计（ ASCAT） 、 空 间 环 境 监 视 器 （ SEM） 。 在 9种 仪 器中 有 4项 由 美 国 NOAA提 供 ， 其 余 5项 由 欧 洲 自 行 研制。它的探测能力与美国的NPP相当。2.2 地球静止气象卫星的发展历程2.2.1 美国地球静止气象卫星的发展 1966

20、年 美 国 宇 航 局 （ NASA） 发 射 了 首 颗 地 球静 止 卫 星 nullnull应 用 技 术 卫 星 （ ATS-1） ， 在 星 上 进 行了 多 项 试 验 ， 利 用 地 球 静 止 轨 道 进 行 气 象 探 测 的 可能 性 是 其 中 之 一 。 星 上 的 旋 转 扫 描 云 相 机 （ SSCC）成 功 地 每 20min获 取 一 幅 地 球 全 圆 盘 可 见 光 图 像 。此 后 ， 宇 航 局 又 发 射 了 2颗 地 球 同 步 轨 道 气 象 卫 星（ SMS） ， 探 测 器 为 可 见 光 及 红 外 自 旋 扫 描 辐 射 计（VISSR）

21、。29Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 4（6）- 2014Article 研究论文（1）美国第一代业务静止气象卫星 1975null1978年 ， 美 国 共 发 射 了 3颗 命 名 为 地 球 同步 业 务 环 境 卫 星 GOES-1 -3的 地 球 静 止 业 务 气 象 卫星 。 星 上 的 主 要 遥 感 探 测 器 是 可 见 光 及 红 外 自 旋 扫 描辐射计。（2）美国的第二代业务静止气象卫星 1980null1987年 ， 美 国 共 发 射 了 4颗 GOES卫 星 ， 即GOES-4 -

22、7。 星 上 的 主 要 变 化 是 在 VISSR上 增 加 了 探测 大 气 温 、 湿 度 垂 直 分 布 的 能 力 ， 即 VISSR的 大 气 探测 器 （ VAS， 可 见 光 及 红 外 自 旋 扫 描 辐 射 计 大 气 探 测器），以上两代卫星的姿态都是自旋稳定。（3）美国第三代业务静止气象卫星 1994null2001年 ， 美 国 发 射 了 GOES-8 -12共 5颗 第三 代 业 务 静 止 气 象 卫 星 。 其 最 大 的 改 进 是 采 用 了 三 轴稳 定 的 卫 星 姿 态 控 制 技 术 ， 使 成 像 与 垂 直 探 测 独 立 同时进行，对局部区域

23、可以进行高频次监测。（4）美国第四代业务静止气象卫星 当 前 运 行 的 GOES-l3 -15为 第 四 代 业 务 静 止 气 象卫 星 （ 2006null2010年 ） ， 星 上 有 5通 道 成 像 辐 射 计 、19通 道 大 气 探 测 器 、 空 间 环 境 监 视 器 和 太 阳 X-Ray成像仪。美 国 再 下 一 代 业 务 静 止 气 象 卫 星 的 第 一 颗 卫 星GOES-R， 计 划 于 2016年 发 射 。 星 上 的 主 要 探 测 器 是先 进 基 线 成 像 仪 （ ABI） 、 闪 电 成 像 仪 （ GLM） 、空 间 环 境 监 测 器 （ S

24、 E I S S） 、 太 阳 紫 外 成 像 仪（ SUVI） 、 远 紫 外 和 X射 线 辐 照 度 探 测 器 （ EXIS）以 及 磁 力 计 （ MAG） 。 其 中 的 ABI由 16个 探 测 通 道 组成 ， 包 括 6个 可 见 光 和 近 红 外 通 道 、 10个 红 外 通 道 ，空 间 分 辨 率 为 可 见 光 0.5km， 近 红 外 1km， 红 外 2km，全 圆 盘 图 成 像 时 间 约 5min。 它 具 有 分 辨 率 更 高 、 通 道更 多 和 速 度 更 快 的 成 像 能 力 。 同 时 ， 它 也 将 显 著 地 增强对空间环境的监测能力。

25、2.2.2 欧洲静止气象卫星的发展 欧 洲 气 象 卫 星 组 织 （ EUMETSAT） 于 1977年 发 射第 一 颗 静 止 气 象 卫 星 Meteosat-1， 卫 星 采 用 自 旋 稳 定 的姿 态 控 制 方 式 ， 星 上 主 要 载 荷 为 3通 道 可 见 和 红 外 自 旋扫 描 辐 射 计 （ VISSR） ， 该 星 发 射 成 功 后 ， 由 VISSR中 的 水 汽 通 道 获 取 的 图 像 是 全 球 第 一 幅 水 汽 图 像 。（1）欧洲第一代业务静止气象卫星 1977null2001年 ， 欧 洲 气 象 卫 星 组 织 共 发 射 和 运行 了 7

26、颗 与 Meteosat-1同 一 型 号 的 静 止 气 象 卫 星 （ 包 括Meteosat-1），成为欧洲的第一代星。（2）欧洲第二代业务静止气象卫星 第 二 代 星 由 4颗 卫 星 组 成 。 2002null2012年 已 发 射3颗 ， 命 名 为 Meteosat-8 -10。 卫 星 仍 然 采 用 自 旋 稳定 的 姿 态 控 制 方 式 ， 但 扫 描 辐 射 计 的 通 道 数 增 加 到12个 ， 空 间 分 辨 率 可 见 光 通 道 1km， 红 外 和 水 汽 通 道3km，全圆盘观测时间15min，数据量化等级10bit。（3）欧洲再下一代业务静止气象卫星

27、EUMETSAT计 划 中 的 第 三 代 业 务 静 止 气 象 卫 星表1 FY-3A/B星载仪器基本参数仪器名称 光谱范围 光谱通道数扫描宽度 （）星下点分辨率（km）量化等级（bit）主要应用可 见 光 及 红 外 扫 描 辐 射 计 （ VIRR） 0.4412.5 m 10 null55.4 1.1 10 云、植被、雪、冰、陆/海表温度，气溶胶，火点等。红外分光计（IRAS） 0.6915.5 m 26 null49.5 17 13 大气温、湿度廓线，射出长波辐射等微波温度计（MWTS） 5057GHz 4 48.6 50 13 大气温度廓线、地表辐射率微波湿度计（MWHS） 15

28、0183GHz 5 null48.95 15 14 大气湿度廓线、降水强度中分辨率光谱成仪器（MERSI） 0.4112.5 m 20 null55.4 0.251.1 12 真彩色图像，云、植被、陆地覆盖类型，海色等。紫外臭氧垂直探测仪（SBUS） 252340nm 12 星下点 200 12 O3垂直分布紫外臭氧总量探测仪（T OU） 309361nm 6 null56.0 50 12 O3总量微波成像仪（MWRI） 10.6589GHz 10 null45.0 985 12 降水和云水、大气可降水、地表土壤水分、积雪等。地球辐射监测仪（ERM）0.23.8 m0.250 m2 null5

29、0.0 35 16反射太阳辐射通量射出长波辐射通量太阳辐射监测仪（SIM） 0.250 m 1 16 太阳常数空间环境监测仪（SEM）3.0300Mev0.155.7Mev探测高能粒子、星体内辐射容量、卫星表面电位差和粒子事件等图1 风云三号极轨气象卫星气象科技进展30 Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 4（6）- 2014MTG的 第 一 颗 星 将 于 2020年 发 射 。 卫 星 将 采 用 三 轴 稳定 的 姿 态 控 制 方 式 ， 携 带 的 新 型 多 光 谱 成 像 仪 和 大 气垂直探测器将大大

30、地增强其探测能力。2.2.3 中国业务静止气象卫星的发展 1986年 ， 我 国 第 一 颗 静 止 气 象 卫 星 null风 云 二 号 null正 式 列 入 国 家 计 划 。 第 一 颗 卫 星 于 1997年 6月 10日 在西 昌 卫 星 发 射 基 地 发 射 ， 被 命 名 为 nullFY-2Anull。 卫 星的 主 要 遥 感 观 测 仪 器 是 多 通 道 可 见 光 及 红 外 扫 描 辐 射仪 。 由 于 消 旋 天 线 故 障 ， nullFY-2Anull卫 星 没 有 达 到 设计 寿 命 。 2000年 6月 25日 发 射 的 nullFY-2Bnull

31、卫 星 也 未 达到设计寿命。（1）中国第一代业务静止气象卫星 2004null2012年 ， 中 国 共 发 射 了 4颗 业 务 静 止 气 象卫 星 FY-2C -2F。 与 试 验 星 相 比 ， 其 主 要 发 展 是 星 上的 可 见 光 及 红 外 自 旋 扫 描 辐 射 仪 的 探 测 通 道 由 3个 增加 到 5个 ， 数 据 量 化 等 级 增 至 10bit。 计 划 中 第 一 代 业务静止气象卫星还有两颗，即FY -2G和-2H。（2）中国下一代业务静止气象卫星 中 国 第 二 代 业 务 静 止 气 象 卫 星 FY-4计 划 于 2015年 前 后 发 射 ，

32、它 将 由 4颗 卫 星 组 成 。 卫 星 将 采 用 三 轴稳 定 姿 控 方 式 ， 主 要 载 荷 为 ： 多 通 道 成 像 仪 、 傅 里 叶红 外 大 气 探 测 仪 、 闪 电 成 像 仪 和 空 间 天 气 监 测 仪 器组 等 。 其 中 多 通 道 成 像 仪 具 有 14个 通 道 ， 波 长 范 围0.45 13.8m。 可 见 光 图 像 水 平 分 辨 率 为 0.5 1km，红 外 和 水 汽 为 2km。 全 圆 盘 图 成 像 时 间 15min， 区 域 图3000kmnull3000km， 3 5min， 区 域 和 时 段 可 选 。 这 将极 大 地

33、 增 强 对 暴 雨 、 强 对 流 等 中 小 尺 度 灾 害 性 天 气 系统的监测能力。2.2.4 日本和印度业务静止气象卫星的发展日 本 和 印 度 也 是 业 务 静 止 气 象 卫 星 的 运 行 国 家 ，但情况相对简单，简要情况如下。日 本 于 1977年 发 射 第 一 颗 业 务 静 止 气 象 卫 星 向日 葵 1号 （ Himawari-1） ， 定 位 于 140E的 赤 道 上 空 。星 上 的 主 要 遥 感 探 测 器 是 可 见 光 及 红 外 自 旋 扫 描 辐 射仪 。 1977null1995年 ， 共 发 射 5颗 同 类 卫 星 ， 对 外 统 称为

34、 GMS-1 -5。 2005和 2006年 日 本 分 别 发 射 多 功 能卫 星 （ MTSAT-IR和 MTSAT-2） 接 替 GMS卫 星 工 作 。与 此 前 的 GMS卫 星 相 比 ， 除 卫 星 的 姿 态 改 为 三 轴 稳定 的 姿 控 方 式 外 ， 星 上 的 遥 感 探 测 器 和 卫 星 的 功 能变 化 不 大 。 日 本 于 2014年 底 发 射 业 务 静 止 气 象 卫 星向 日 葵 8号 （ Himawari-8） 。 卫 星 装 载 先 进 的 向 日 葵成 像 仪 （ Advanced Himawari Imager， AHI） 。 AHI共 有

35、 16个 通 道 ， 可 见 光 分 辨 率 为 0.5/1km， 红 外 分 辨率 为 2km， 成 像 仪 正 常 扫 描 获 得 全 圆 盘 图 ， 时 间 小 于10min， 也 可 在 选 定 的 时 间 对 特 定 区 域 进 行 扫 描 ， 每2.5min获 得 一 幅 区 域 图 像 。 卫 星 的 资 料 发 送 方 式 也 会有 一 定 的 变 化 。印 度 是 较 早 发 射 和 运 行 静 止 气 象 卫 星 的 国 家 。 但长 时 期 以 来 都 采 用 区 域 波 束 传 送 资 料 ， 周 边 国 家 难 以共 享 其 成 果 ， 因 而 对 其 关 注 度 不

36、 高 。 第 一 代 INSAT-1卫星共4颗，第一颗INSA T-IA于1982年4月发射。第 二 代 INSAT-2卫 星 共 5颗 ， 卫 星 装 载 了 三 通 道VHRR成 像 仪 ， 可 见 光 通 道 分 辨 率 为 2km， 红 外 通 道分 辨 率 为 8km， 每 30min得 到 一 帧 全 圆 盘 图 像 。 第 三代 INSAT-3卫 星 共 计 6颗 ， 装 载 了 三 通 道 VHRR成 像 仪和 三 通 道 （ VIS/NIR/SWIR） CCD电 荷 耦 合 器 件 成 像仪，分辨率为1km。2.3 对地观测和科学试验卫星为 了 试 验 新 型 遥 感 探 测

37、 器 的 性 能 ， 为 了 为 重 大的 国 际 地 球 科 学 试 验 获 取 信 息 ， 一 些 国 家 的 空 间 科学 技 术 机 构 发 射 了 许 多 专 用 的 科 学 试 验 卫 星 和 对 地观 测 卫 星 ， 在 国 际 科 学 活 动 中 发 挥 了 重 要 作 用 。 其中 有 大 家 所 熟 知 的 美 国 国 家 航 空 航 天 局 （ NASA） 的雨 云 卫 星 计 划 （ Nimbus） ， NASA与 日 本 空 间 探 测局 （ JAXA） 合 作 的 null热 带 降 水 测 量 任 务 null卫 星 计 划（ TRMM） ， NASA为 行 星

38、使 命 计 划 发 射 的 地 球 观 测系 统 （ EOS的 Terra和 Aqua等 卫 星 ） ， 欧 空 局 （ ESA）的 环 境 卫 星 （ E N V I S AT） ， 印 度 空 间 研 究 组 织（ISRO）的海洋水色测量卫星（OCEANSA T2）等。为 了 利 用 多 颗 携 带 有 不 同 探 测 器 的 卫 星 同 时 对 地球 大 气 进 行 综 合 观 测 ， 以 便 更 好 地 了 解 地 球 系 统 各 圈层 及 其 相 互 作 用 ， NASA还 组 织 了 有 明 确 科 学 目 标 的nullA-Trainnull卫 星 队 列 观 测 计 划 。 这

39、 些 卫 星 在 太 阳 同 步轨 道 上 运 行 ， 过 赤 道 的 地 方 时 大 约 在 13:30， 相 差 时 间在 几 秒 到 几 分 钟 之 内 ， 几 乎 可 认 为 对 同 一 地 点 是 同 时观 测 。 目 前 有 6个 卫 星 在 nullA-Trainnull队 列 中 运 行 ， 如表2所示。2.4 空间导航卫星系统（GNSS）在气象领域中的应用导 航 卫 星 的 基 本 功 能 是 定 位 、 导 航 和 授 时 ， 这些 功 能 在 军 事 和 民 用 的 诸 多 方 面 均 得 到 重 要 而 广 泛 的应 用 。 除 此 之 外 ， 它 在 地 球 科 学

40、的 一 些 分 支 学 科 也 具有 重 要 的 应 用 价 值 。 如 ： 定 位 在 测 绘 科 学 技 术 和 地 壳形 变 监 测 中 的 应 用 ； 米 级 定 位 精 度 的 功 能 在 气 象 探 空气 球 定 位 、 跟 踪 方 面 的 应 用 等 。 另 一 方 面 ， 把 GNSS发 射 的 电 磁 波 作 为 双 分 雷 达 的 发 射 端 ， 利 用 地 面 、 飞机 和 低 轨 卫 星 等 平 台 上 安 装 的 高 精 度 接 收 机 作 为 接 收端 ， 通 过 在 地 面 接 收 GNSS电 磁 波 的 直 接 信 号 ， 低 轨31Advances in Me

41、teorological Science and Technology 气象科技进展 4（6）- 2014Article 研究论文卫 星 上 的 接 收 机 在 临 边 状 态 下 接 收 经 过 大 气 折 射 的 掩星 信 号 或 经 过 海 面 、 地 面 散 射 、 反 射 的 GNSS信 号 ，可 以 反 演 整 层 大 气 的 水 汽 总 量 ， 大 气 温 、 湿 度 垂 直 分布 ， 海 表 的 粗 糙 度 、 浪 和 风 ， 地 表 的 介 电 常 数 和 土 壤湿 度 等 。 这 些 参 数 都 是 地 球 系 统 科 学 研 究 中 必 不 可 少的 ， 但 要 在 全

42、球 尺 度 上 监 测 这 些 大 气 和 地 球 物 理 参 数是 一 件 极 为 困 难 的 事 情 。 GNSS在 这 方 面 的 应 用 对 地球系统科学真是雪中送炭。在 20世 纪 90年 代 利 用 GPS（ 由 美 国 发 射 的 GNSS卫 星 系 统 中 的 类 型 之 一 ） 接 收 机 接 收 的 经 过 与 大 气 相互 作 用 的 GNSS信 号 ， 获 取 大 气 参 数 的 工 作 取 得 了 两大 进 展 。 一 是 利 用 地 基 高 精 度 GPS接 收 机 信 号 ， 计 算整 个 气 柱 的 水 汽 总 量 。 这 项 工 作 已 在 多 个 国 家 得

43、 到 推广 使 用 ， 中 国 也 在 21世 纪 的 前 10年 ， 利 用 国 家 和 地 方的 联 合 项 目 ， 建 成 了 覆 盖 全 国 的 高 精 度 GNSS接 收 机网 ， 具 有 获 取 全 国 范 围 高 时 间 频 次 大 气 水 汽 总 量 分 布的 能 力 。 二 是 利 用 安 装 在 低 轨 卫 星 上 的 高 精 度 GNSS接 收 机 ， 利 用 它 在 掩 星 状 态 下 获 取 的 穿 过 大 气 密 度 分布 不 均 匀 的 GNSS信 号 ， 在 掩 星 状 态 下 信 号 会 发 生 折射 ， 通 过 对 这 种 电 磁 波 弯 曲 率 的 反 演

44、 ， 就 可 以 得 到 大气温度、湿度的垂直分布。由 于 无 线 电 掩 星 探 测 具 有 不 需 要 辐 射 定 标 、 垂 直分 辨 率 高 、 性 能 价 格 比 高 和 全 天 候 观 测 等 突 出 优 点 ，因 而 受 到 广 泛 重 视 ， 得 到 迅 速 发 展 。 国 外 ， 在 20世 纪90年 代 开 始 此 项 研 究 ， 并 在 21世 纪 初 投 入 业 务 。 2006年 由 美 国 和 台 湾 联 合 研 制 与 发 射 运 行 的 COSMIC计划 ， 获 取 了 大 量 掩 星 探 测 资 料 ， 在 数 值 天 气 预 报 中 发挥 了 显 著 作 用

45、 。 ECMWF的 资 料 表 明 ， 在 输 入 模 式 的23种 遥 感 资 料 中 ， 空 间 导 航 卫 星 null掩 星 探 测 资 料 的 作用 排 在 第 5位 （ 也 有 人 说 排 在 第 2或 第 3位 ） 。 目 前 在美 国 和 欧 洲 的 业 务 极 轨 气 象 卫 星 上 均 有 导 航 卫 星 null掩星 接 收 机 。 我 国 在 21世 纪 前 10年 开 始 研 究 ， 并 进 行了 星 载 试 验 。 2013年 9月 23日 发 射 的 FY-3 02批 卫 星 上安 装 有 针 对 GPS和 中 国 北 斗 两 类 导 航 卫 星 的 掩 星 接

46、收机 ， 进 行 遥 感 大 气 参 数 垂 直 分 布 的 业 务 试 验 。 初 步 结果 表 明 ， 利 用 北 斗 导 航 卫 星 掩 星 信 号 反 演 得 到 的 大 气温 、 湿 度 垂 直 分 布 的 精 度 与 利 用 GPS卫 星 掩 星 信 号 反演 的 精 度 大 体 相 当 。 差 别 在 于 GPS是 全 球 星 座 由 FY-3得 到 的 掩 星 事 件 多 ， 每 天 全 球 约 有 576个 。 目 前 的 北斗 导 航 卫 星 是 针 对 我 国 及 周 边 地 区 的 区 域 星 座 ， 因 而获 取 全 球 资 料 的 能 力 与 GPS有 差 距 ，

47、每 天 全 球 约 有 184个掩星事件。2.5 全球业务气象卫星探测系统全 球 业 务 气 象 卫 星 探 测 系 统 是 在 WMO协 调 下 ，在 各 气 象 卫 星 发 射 和 运 行 国 家 的 共 同 努 力 下 建 成 的 天基探测系统。图 2是 目 前 正 在 运 行 的 全 球 业 务 气 象 卫 星 探 测 系统 ， 由 极 轨 和 静 止 两 类 轨 道 卫 星 组 成 。 正 在 业 务 运 行的 极 轨 气 象 卫 星 有 美 国 的 NOAA（ 即 图 上 的 TIROS，下 一 步 将 被 JPSS替 代 ） 、 俄 罗 斯 的 流 星 系 列 气 象 卫星 （

48、METEOR） 、 中 国 风 云 系 列 卫 星 （ FY-3） ， 以及 欧 洲 气 象 卫 星 组 织 的 极 轨 气 象 卫 星 （ Metop） 。 位于 赤 道 平 面 上 离 地 面 35800km高 度 的 地 球 静 止 气 象 卫星 有 中 国 的 风 云 二 号 D和 E星 （ 105nullE和 86.5nullE） 、 日本 的 MTSAT（ 140nullE） 、 美 国 的 地 球 静 止 业 务 环 境卫 星 西 （ GOES-W， 135nullW） 、 美 国 的 地 球 静 止 业务 环 境 卫 星 东 （ GOES-E， 70nullW） 、 欧 洲 气

49、 象 卫 星组 织 的 METEOSAT（ 0nullE） 以 及 另 一 颗 METEOSAT表2 A-Train队列卫星卫星 运行机构 发射时间（年） 主要载荷EOS-Aqua NASA 2002大气红外探测器（AIRS）、先进微波探测装置（AMSU-A）、湿度探测器（HSB）、先进微波扫描辐射计（AMSR-E）、中分辨率成像光谱仪（MODIS）、云和地球辐射能量系统（CERES）Aura NASA/BNSC 2004高分辨率动力学临边探测器（HIRDLS）、微波临边探测器（MLS）、臭氧监测仪（OMI）、对流层发射光谱分光计（TES）PARASOL CNES 2004 地球反射率极化和方向性测量仪（POLDER）CALIPSO NASA/CNES 2006 云-气溶胶正交极化激光雷达（CALIOP）、成像红外辐射计（IIR）、宽视场照相机（WFC）CloudSAT NASA/CSA 2006 云廓线雷达（CPR：94GHz）GCOM-W1 JAXA 2012 先进微波扫描辐射计（AMSR2）图2 全球业务气象卫星探测系统（来自WMO，2009年）气象科技进展32 Advances in Meteorological S