張曉虎　陸風(fēng)　竇芳麗　許健民（國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

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國外地球同步軌道氣象衛(wèi)星成像觀測模式發(fā)展分析

張曉虎陸風(fēng)竇芳麗許健民
（國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

摘要：經(jīng)過多年的發(fā)展，國外氣象衛(wèi)星從定時開展全圓盤觀測逐步發(fā)展到定時全圓盤觀測與靈活的區(qū)域觀測相結(jié)合的靈活機動觀測模式。定時全圓盤觀測主要用于支持大尺度天氣系統(tǒng)追蹤，數(shù)值預(yù)報應(yīng)用以及氣候數(shù)據(jù)集建設(shè)；區(qū)域觀測主要是充分發(fā)揮新一代衛(wèi)星成像儀器時間空間分辨率的優(yōu)勢，開展1000～2000km尺度天氣系統(tǒng)，尤其是中小尺度快速變化的對流系統(tǒng)和臺風(fēng)的監(jiān)測，為天氣分析和預(yù)警服務(wù)。選取有代表性的新一代靜止氣象衛(wèi)星兩類成像儀器，以采用長線列二維掃描成像機制的美國GOES-R成像儀/歐洲MTG成像儀和采用焦平面成像機制的韓國氣象海洋衛(wèi)星海洋水色儀作為典型光學(xué)成像類儀器，討論其靈活成像模式，以期為我國第二代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號的觀測模式優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：靜止氣象衛(wèi)星，風(fēng)云二號，風(fēng)云四號，區(qū)域觀測，高頻次

0　概述

自1997年發(fā)射第一顆風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星FY-2A至今，我國共累計成功發(fā)射7顆風(fēng)云二號靜止氣象衛(wèi)星，目前在軌運行靜止氣象衛(wèi)星有四顆，其中FY-2E/G 兩顆衛(wèi)星承擔(dān)東亞區(qū)域全圓盤定時觀測任務(wù)，F(xiàn)Y-2F專門用于區(qū)域觀測任務(wù)，F(xiàn)Y-2D承擔(dān)在軌備份任務(wù)。由于風(fēng)云二號系列衛(wèi)星均采用自旋穩(wěn)定的姿態(tài)控制方式，儀器只能在南北方向進行成像區(qū)域調(diào)整。因此，我國靜止氣象衛(wèi)星組網(wǎng)觀測模式采用了FY-2F專門支持區(qū)域3～6分鐘間隔的觀測，F(xiàn)Y-2G、FY-2E兩顆衛(wèi)星專門用于北半球和全圓盤觀測的協(xié)同組網(wǎng)觀測方式。這種組網(wǎng)觀測模式充分利用了風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的觀測資源，實現(xiàn)了專星專用，區(qū)域觀測和全球觀測各自開展，互不沖突。然而，新一代靜止氣象衛(wèi)星壽命設(shè)計壽命達到10年，很難在軌部署多顆衛(wèi)星分別承擔(dān)全圓盤觀測和區(qū)域觀測任務(wù)，因此要求一顆衛(wèi)星同時承擔(dān)全圓盤觀測和區(qū)域觀測任務(wù)[1-2]。

為了同時滿足用戶對全圓盤觀測和靈活區(qū)域觀測的要求，國際上采用了兩種方式滿足用戶需求，第一是充分利用新一代長線列探測器技術(shù)突破，將觀測任務(wù)切割成碎片，將分時觀測的碎片拼接成全圓盤云圖和區(qū)域觀測云圖；第二是充分利用焦平面探測器技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展專門承擔(dān)區(qū)域快速成像的儀器。第一種方式的實現(xiàn)難點是儀器工作方式的重新設(shè)計，即從儀器分時進行區(qū)域和全圓盤觀測，變?yōu)閷^(qū)域和全圓盤觀測任務(wù)碎片化后穿插實現(xiàn)，然后通過數(shù)據(jù)拼接實現(xiàn)滿足用戶需求的區(qū)域和全圓盤觀測，這需要重新定義儀器工作方式，增加了儀器可靠性的要求和數(shù)據(jù)處理的難度；第二種工作方式的難點主要是儀器研制。

1　歷史發(fā)展回顧

1.1衛(wèi)星發(fā)展歷程

美國從1975年10月17日發(fā)射第一顆業(yè)務(wù)地球靜止氣象衛(wèi)星GOES-A到現(xiàn)在的GOES-N已經(jīng)歷兩代衛(wèi)星。美國從1994年4月13日發(fā)射第二代業(yè)務(wù)地球靜止氣象衛(wèi)星GOES-I－M開始，衛(wèi)星的姿態(tài)控制方式采用三軸穩(wěn)定，觀測儀器可以實現(xiàn)區(qū)域的靈活觀測。美國新一代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星GOES-R預(yù)計2016年秋季發(fā)射。

歐空局（ESA）自1977年11月23日發(fā)射第一代地球靜止氣象衛(wèi)星METEOSAT到現(xiàn)在的MSG（METEOSAT Second generation）經(jīng)歷兩代衛(wèi)星。這兩代衛(wèi)星均采用自旋穩(wěn)定的觀測方式，其衛(wèi)星儀器工作方式與目前中國靜止軌道業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星類似。歐洲下一代MTG衛(wèi)星將采用三軸穩(wěn)定方式，支持觀測儀器的區(qū)域靈活觀測。目前MTG衛(wèi)星尚處于設(shè)計階段，從公開文獻調(diào)研得知，其繼承了MSG衛(wèi)星的觀測模式，建立針對少數(shù)觀測通道的高時間分辨率局地觀測，以及較低空間分辨率的多通道全球觀測[3]。

日本自1977年7月14日發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星以來，已經(jīng)歷兩代衛(wèi)星，從日本2005年2月26日成功發(fā)射的第二代氣象衛(wèi)星靜止氣象衛(wèi)星MTSAT開始，日本靜止氣象衛(wèi)星全面采用三軸穩(wěn)定方式工作。2014年日本成功發(fā)射的第三代靜止氣象衛(wèi)星葵花八號，具有最高500m分辨率、分鐘級的連續(xù)區(qū)域觀測能力[4]。

從上述分析可見，國際靜止軌道氣象衛(wèi)星的工作方式都是從自旋穩(wěn)定向三軸穩(wěn)定發(fā)展，因此首先回顧一下自旋穩(wěn)定和三軸穩(wěn)定兩種衛(wèi)星工作方式。

自旋穩(wěn)定氣象衛(wèi)星繞自旋軸以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，本身具有較高的角動量，在宇宙空間衛(wèi)星的角動量近于守恒，因而自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變的指向宇宙空間中的某一點。自旋穩(wěn)定氣象衛(wèi)星自轉(zhuǎn)軸與軌道平面近于垂直，成像儀器安裝在衛(wèi)星側(cè)面，掃描成像是依靠衛(wèi)星的自旋實現(xiàn)東西向掃描，以及儀器光學(xué)系統(tǒng)在南北向的步進來完成的。由于地球在靜止衛(wèi)星高度的視角只有18°，因此衛(wèi)星每自轉(zhuǎn)一周，只有20%的時間朝向地球，因此儀器觀測效率不高，很難提高衛(wèi)星觀測的時間頻次[2]。

三軸穩(wěn)定衛(wèi)星是在相互垂直的的三個軸都進行姿態(tài)控制，不允許任何一個軸向產(chǎn)生超出規(guī)定值的轉(zhuǎn)動和擺動，這樣可以保證在對地面安裝的成像儀儀器始終對準(zhǔn)地球，此時的成像過程是通過星載成像儀的二維掃描（線列掃描）實現(xiàn)或者指向機構(gòu)把相機指向觀測目標(biāo)（焦平面器件），極大提高對地觀測效率。

1.2靜止氣象衛(wèi)星觀測需求

靜止氣象衛(wèi)星主要的應(yīng)用是為天氣預(yù)報和監(jiān)測預(yù)警服務(wù)，天氣預(yù)報的基礎(chǔ)是大氣環(huán)流和大氣擾動變化的時間、空間尺度。大氣環(huán)流和大氣擾動是氣象現(xiàn)象的重要特征，它們不是無序發(fā)生、發(fā)展和衰減的，而是分別具有代表性的時間和空間尺度。

Orlansky[5]、世界氣象組織大氣科學(xué)委員會以及日本氣象廳，根據(jù)中尺度分析理論和大量天氣現(xiàn)象，總結(jié)出了大氣環(huán)流和各類擾動特征的水平尺度和時間尺度（表1）。歸納起來，大氣擾動通常劃分為天氣尺度（水平尺度為2000km以上，時間尺度為1日以上至數(shù)日）、中尺度（水平尺度為2～2000km,時間尺度為幾小時至一天）以及小尺度（水平尺度為2km以下，時間尺度為幾十分鐘至幾小時）。近20年來的研究表明，暴雨、臺風(fēng)、冰雹、雷雨大風(fēng)、閃電、龍卷等強對流天氣以及沙塵暴和雪暴等是最為主要的突發(fā)性強災(zāi)害性天氣，它們是在一定的天氣尺度形勢背景下由中尺度系統(tǒng)直接造成的，也是預(yù)報的重點和難點。從表1列出的這些中尺度系統(tǒng)的種類以及它們的水平尺度和時間尺度可以看出，常規(guī)氣象觀測資料的時間和空間分辨率遠遠不能滿足捕捉和分析這些系統(tǒng)的要求，從而要想預(yù)報它們幾乎是不可能的，因此。需要發(fā)展氣象衛(wèi)星，提供高時空分辨率的觀測。

1.3靜止氣象衛(wèi)星觀測模式的發(fā)展

早期靜止氣象衛(wèi)星采用了自旋穩(wěn)定的觀測模式，衛(wèi)星依靠高速自旋保持姿態(tài)穩(wěn)定[6]。輻射計光軸垂直于自旋軸，可在一定范圍內(nèi)（±10°）沿南北方向作一維步進運動，沿東西方向的掃描是隨衛(wèi)星本體自旋實現(xiàn)，自身無法控制，在一周360北內(nèi)只有20有對準(zhǔn)地球觀測成像，掃描效率只有5.6%?？梢赃M行區(qū)域觀測，形成一幅橫貫地球東西的條帶圖像，對小區(qū)域觀測遠不如三軸穩(wěn)定衛(wèi)星靈活迅速。

2020年前后，國際主要的靜止氣象衛(wèi)星均將進入三軸穩(wěn)定的時代，具備提高觀測效率的可能。目前美國GOES-R以及歐洲和日本為代表的新一代氣象衛(wèi)星成像儀采用長線列二維掃描方式實現(xiàn)全圓盤觀測，并兼顧區(qū)域觀測；而以韓國氣象海洋衛(wèi)星（COMS-1）為代表的海洋水色儀采用焦平面器件，利用指向機構(gòu)把相機指向觀測目標(biāo)以實現(xiàn)區(qū)域快速觀測。上述技術(shù)發(fā)展各有特點，其應(yīng)用目標(biāo)都是提供衛(wèi)星全天24小時，高頻次高空間分辨率的對地觀測。以下分別介紹。

表1　Orlansky[5]的尺度定義及其相應(yīng)的各種大氣擾動時間和水平尺度特征Table 1　Scale definitions and different processes with characteristic time and horizontal scales

1.3.1線掃描儀器應(yīng)用

隨著探測器技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以在靜止衛(wèi)星上應(yīng)用可見光波段近千探元，紅外通道數(shù)百探元的的觀測器件，這就使得成像儀器東西掃描一次，可以同時獲取數(shù)百千米廣大區(qū)域的成像（日本葵花八號一次掃描可以獲取500km寬度的地球影像）。由于具備了如此高效的儀器觀測能力，在設(shè)計衛(wèi)星應(yīng)用觀測模式前，首先凝練出美日新一代靜止氣象衛(wèi)星成像儀的應(yīng)用需求，即區(qū)域觀測、全圓盤觀測、凝視觀測和南北觀測，表2給出了這四種需求的典型應(yīng)用。

圖1展示了美國最新一代GOES-R衛(wèi)星成像儀觀測模式，其中值得關(guān)注的要點是儀器觀測時間的碎片化設(shè)計，即在全圓盤觀測（粉色）在周期內(nèi)插入?yún)^(qū)域觀測（藍色）和中尺度觀測（綠色）[7-8]。通過這樣的安排，在15min的一輪觀測周期內(nèi)區(qū)域觀測（藍色為美國本土區(qū)域，綠色為中尺度天氣系統(tǒng)觀測），全圓盤觀測（粉色）的開始時間均是等時間間隔的，其時間特性為，每15min一次全圓盤觀測，每隔5min一次美國本土觀測，每隔半分鐘進行一次中尺度小區(qū)域觀測。 這三種資料均是等時間間隔，非常有利于預(yù)報員對天氣系統(tǒng)的分析，最直觀的應(yīng)用就是云圖動畫，同時也保證了衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)等定量大氣參數(shù)反演對觀測等時間間隔的需要。

表2　國際新一代靜止氣象衛(wèi)星儀器觀測的應(yīng)用需求Table 2　Application requirements of next-generation geostationary meteorological satellite instruments

圖1　美國GOES-R衛(wèi)星成像儀觀測模式[8]Fig.1　Observation mode of GOES-R Imager[8]

歐洲第三代靜止氣象衛(wèi)星MTG的成像儀定義了兩種觀測范圍[4]。一種覆蓋地球圓盤（FDC），觀測重復(fù)周期為10min；另一種為四分之一圓盤，觀測重復(fù)周期為2.5min，主要用于歐洲地區(qū)的觀測。根據(jù)觀測范圍定義了三種觀測模式：全圓盤觀測模式、區(qū)域觀測模式和交錯觀測模式。全圓盤觀測模式（圖2a）是連續(xù)全圓盤覆蓋觀測，重復(fù)周期為10min，每個周期里進行1次全圓盤觀測；區(qū)域觀測模式（圖2b）是連續(xù)區(qū)域覆蓋觀測，重復(fù)周期為2.5min，每個周期里進行1次區(qū)域觀測；交錯觀測模式（圖2c）是全圓盤觀測和區(qū)域觀測交錯進行，重復(fù)周期為15min，每個周期里先進行1次全圓盤觀測，然后進行2次區(qū)域觀測。

日本已經(jīng)成功發(fā)射的葵花八號的成像儀與美國GOES-R衛(wèi)星成像儀類似，從制造GOES-R成像儀的Exelis公司購買。其成像儀設(shè)計與GOES-R相同，由于日本國土狹小，區(qū)域觀測所需時間比較短，因此將觀測模式定義為每10min一次全圓盤觀測，每2.5min一次日本本土觀測，此外還設(shè)計了地標(biāo)觀測模式和臺風(fēng)區(qū)域觀測模式[5]。

1.3.2焦平面觀測儀器應(yīng)用

在長線列掃描為基礎(chǔ)的成像儀器迅速發(fā)展的同時，基于焦平面器件的相機也開始在靜止軌道搭載。韓國在世界上首次成功在靜止衛(wèi)星上搭載了用于觀測海洋水色的地球同步海洋水色儀（GOCI），選用了e2v公司組裝和篩選的千萬像元規(guī)模的CMOS圖像傳感器，GOCI同時具備6個可見光通道和兩個近紅外通道，儀器安置在一個二維驅(qū)動機構(gòu)上，衛(wèi)星仍然采用三軸穩(wěn)定工作方式，保持面向地球，通過驅(qū)動機構(gòu)靈活調(diào)整成像儀實現(xiàn)不同觀測區(qū)域的靈活觀測。在GOCI成功獲取了區(qū)域500m分辨率圖像的基礎(chǔ)上，韓國正在發(fā)展新一代海洋水色儀GOCI-2，預(yù)計將達到250m的高分辨率，同樣具備可見光和近紅外通道觀測能力。GOCI-2將同時具備全圓盤1km觀測和區(qū)域250m觀測能力，計劃新增大氣訂正通道和微光通道。

圖2　歐洲MTG衛(wèi)星成像儀觀測模式Fig.2　Observation mode of MTG Imager

2　小結(jié)

風(fēng)云系列衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展了40多年，其中靜止氣象衛(wèi)星系列正在實現(xiàn)從自旋穩(wěn)定的風(fēng)云二號向三軸穩(wěn)定的風(fēng)云四號的升級換代。近年來，國際靜止衛(wèi)星應(yīng)用不斷創(chuàng)新，從單純的定時全圓盤觀測滿足共性觀測需求發(fā)展到專項應(yīng)用目標(biāo)驅(qū)動的觀測系統(tǒng)設(shè)計，日本和韓國已經(jīng)演示了技術(shù)可實現(xiàn)性，美國計劃于2016年發(fā)射的GOES-R也采用這種觀測應(yīng)用需求驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展思路。展望未來，觀測應(yīng)用需求驅(qū)動的衛(wèi)星觀測系統(tǒng)設(shè)計將是氣象衛(wèi)星發(fā)展的方向和目標(biāo)，技術(shù)進步首先要滿足行業(yè)應(yīng)用需求，新一代靜止氣象衛(wèi)星觀測任務(wù)將會在典型應(yīng)用驅(qū)動的衛(wèi)星儀器、衛(wèi)星平臺優(yōu)化技術(shù)上構(gòu)建，以突出典型應(yīng)用，高時空分辨率、高光譜和高精度為特點的新一代對地觀測系統(tǒng)。為了實現(xiàn)這一點，長線列為代表的首先滿足全圓盤觀測任務(wù)，同時兼顧區(qū)域靈活觀測的儀器和以區(qū)域高時空分辨率觀測為主要應(yīng)用需求的焦平面成像儀兩個技術(shù)體制也將在在較長時間平行發(fā)展，以滿足不同產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的個性化需求。

需要說明的是，目前新技術(shù)發(fā)展迅猛，美國為主的GOES-R衛(wèi)星成像儀體制（含日本葵花八號的成像儀）已經(jīng)率先顯示出靈活區(qū)域觀測的優(yōu)勢，這種方案選取一臺儀器同時兼顧區(qū)域觀測和全球觀測，技術(shù)復(fù)雜，其碎片化的觀測雖然保證了觀測開始時間的等間隔，但是對于間隔一定距離空間的觀測地點，觀測時間會有微小的秒級別的差異。另外一種解決方案是放置兩臺成像儀器，一臺側(cè)重高靈敏度多光譜全圓盤應(yīng)用，另外一臺側(cè)重高時間分辨率、有限通道的高空間分辨率應(yīng)用。這種解決方案更面向氣象應(yīng)用需求，值得在風(fēng)云四號后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星觀測系統(tǒng)設(shè)計中重點關(guān)注。

參考文獻

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[8]GOES-R Instrument Operations.[Online].http://www.goes-r.gov/downloads/AMS_2009_GOES-R_Instruments_v4.pdf.

Analysis on the Observation Model of Foreign Geostationary Meteorological Satellite

Zhang Xiaohu,Lu Feng,Dou Fangli,Xu Jianmin
(National Satellite Meteorological Centre,Beijing 100081)

Abstract:After years of development,the observation mode of foreign geostationary meteorological satellite was progressively developed from regular full disk to a combination of regular full disk and regional mode.Regular full disk observations used to support tracking of large-scale weather systems,applications of numerical weather prediction and construction of climate data sets,while regional observations used to monitor 1000-2000 km scale weather systems,especially typhoon and rapidly changing small and medium-scale convective systems.Regional observation gives a full play to the new generation of satellite imaging instruments advantage of temporal and spatial resolution in weather analysis and early warning service.In order to provide reference of the observation mode optimization for China's second generation geostationary meteorological satellites(fengyun 4 series),two representative typical optical imaging instruments of new generation geostationary meteorological satellites,linear array two-dimensional scanning imaging instrument of GOES-R(US)& MTG(Europe)and focal plane array ocean color instrument of Korea Meteorological ocean satellite,are selected to discuss its flexible imaging mode.

Keywords:geostationary meteorological satellite,FY-2,FY-4,regional observation,high frequency

通信作者：陸風(fēng)（1973—），Email:lufeng@cma.gov.cn

收稿日期：2015年10月19日；修回日期：2015年12月26日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.020

資助信息：國家自然科學(xué)基金（41175023）