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風云衛星 如何洞察風云變幻

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風云四號效果圖

風云四號發射場合練

風云四號A星正式投入業務運行后,將逐步接替風云二號系列衛星,提供更加及時和高精度的觀測數據,進一步提高天氣預報的準確率。

12月11日零時11分,我國新一代靜止軌道氣象衛星風云四號發射成功。

茫茫太空中,氣象衛星就是敏于“察言觀色”,洞察風云變幻的銳利“眼睛”。風云四號衛星地面應用系統總師張志清向科技日報記者介紹,氣象衛星主要是通過衛星裝載的各種探測儀器獲得不同的衛星氣象云圖,然后通過云圖反演出其他變量,并應用到天氣預報模式中,再根據方程的運算得到未來的天氣。

多年來,由中國航天科技集團公司八院509所抓總研制的風云系列氣象衛星,為我國天氣預報,以及防災減災、應對氣候變化、保障生態文明建設等作出了重要貢獻。

你“巡邏”我“站崗”,拍攝不同軌道衛星云圖

天氣與人們的生產生活息息相關,對天氣進行準確的預報可以為大家的出行,農業生產等提供重要參考。當然,要掌握大氣的變化規律,對未來的天氣進行預測并非易事。

據張志清介紹,目前的氣象觀測手段主要包括地面常規觀測、空中觀測以及天基觀測。其中,常規自動氣象站只能觀測地表的數據;探空站可以釋放探空氣球獲取高空氣象數據,但每天只能觀測兩次,而且無法覆蓋海洋;氣象雷達只有在有云或下雨時,才能收到回波,如果晴空萬里,信號則無法反射回來。這些手段的種種局限,決定氣象衛星成為了天氣預報中的基石。

氣象衛星獲取的衛星云圖,是天氣預報中對天氣情況最直觀的說明。通過色彩繽紛的衛星云圖,可以識別不同天氣系統,確定它們的位置,判別天氣系統的發展階段及未來演變趨勢,比如估計臺風中最大風速、估計對流云的降水強度等。這些衛星云圖都是由氣象衛星從太空不同位置對地球表面進行拍攝,將數據傳回地面工作站后制作而成。我們每天看到的衛星云圖天氣預報動畫,則是由過去每隔半小時或一小時拍攝一幅,共12幅衛星云圖組成。通過圖像動畫,能讓觀眾更清楚地了解云團的移動變化。

衛星云圖可以分為太陽同步軌道氣象衛星云圖和地球靜止軌道氣象衛星云圖。目前,能用自己研制的衛星拍攝這兩種云圖的國家或地區,除了美歐就只有中國了。風云衛星中的風云一號系列衛星和風云三號系列衛星,分別是我國第一代、第二代太陽同步軌道氣象衛星,運行軌道距地面大約500公里至1000公里,就像“流動巡警”,負責拍攝太陽同步軌道氣象衛星云圖;風云二號系列衛星和剛剛發射的風云四號A星,分別是我國第一代和第二代對地靜止軌道氣象衛星,它們“懸停”在距地面約36000公里的太空,如同“定點崗哨”,任務就是拍攝地球靜止軌道氣象衛星云圖。

躋身世界一流,與美歐“三分天下”

目前,中央電視臺天氣預報的衛星云圖基本上來自在軌運行的風云二號E、F、G三顆衛星。風云四號A星正式投入業務運行后,將逐步接替風云二號系列衛星,提供更加及時和高精度的觀測數據,進一步提高天氣預報的準確率。而目前在軌運行的風云三號衛星,則為全球氣候變化和大氣環境監測提供了重要觀測數據。

據統計,風云氣象衛星云圖每年被數以億計地引用,已成為國內最大的遙感衛星數據庫。全球共90多個國家和地區使用風云衛星數據。隨著風云系列衛星的發展,我國天氣預報準確率從上世界70年代的50%左右,提升至如今的90%。“十二五”期間,我國24小時晴雨預報準確率較“十一五”提高了2個百分點,溫度預報準確率提高了13個百分點,24小時臺風路徑預報誤差縮小了66公里,全國平均每年因氣象災害造成的死亡人數也較“十一五”下降一半以上。

風云系列衛星的穩定運行和出色效能,奠定了中、美、歐氣象衛星“三足鼎立”的局面,提高了中國在國際上的話語權。風云系列衛星還被世界氣象組織列入了國際氣象業務衛星序列,作為全球綜合地球觀測系統的重要成員,與歐美國家的氣象衛星一起,形成了對地球大氣、海洋和地表環境的全天候、立體、連續觀測的衛星觀測網。目前,東半球的氣象預報主要靠風云衛星提供相關資料。

既要精度高,又得“身體好”

為什么國際上會形成氣象衛星僅在少數幾個國家發展的局面?這得從天氣預報對氣象衛星在定量探測和連續業務應用方面提出的苛刻要求說起。

數值天氣預報是當前制作日常天氣預報的主要方法,其前提是精確的大氣觀測參數,以此為復雜的大氣環境動力學方程提供初始條件。這對氣象衛星提出了極高的定量遙感需求。

以風云四號A星為例,它以常年溫度在20攝氏度左右的青海湖為定標場,要求在36000公里高的赤道上空,對湖水溫度的測量絕對誤差小于1攝氏度;當湖水溫度變化0.1攝氏度時,要能準確感知出來。為實現定量化,研制團隊風云四號A星進行了大量儀器定標方法研究,研制了一套完整的在軌定標設備和定標方法。國防科工局系統工程司副司長趙堅介紹說,該衛星的掃描輻射計定標精度達到1K、靈敏度達0.1K,與美國剛剛發射的GOES-R衛星相當。

不過,天氣復雜多變,預報要素除了溫度,還包含濕度、壓強、風等多個指標,涉及溫濕度、導風、閃電、輻射、云和氣溶膠、大氣成分等數十種衛星遙感數據產品的應用。風云四號A星正式投入業務運行后,將提供包括云、輻射、溫濕度、大氣、導風、閃電等34種數據產品,產品種類、數量,以及定量化指標均較之前衛星產品有顯著提升。

除了定量探測,氣象衛星還要求連續業務運行。就是說,它不能“請假”“開小差”,必須全年365天、每天24小時工作,及時報出晴雨、溫度、風力等相同的數據。如果哪天衛星不能提供云圖,將造成難以估量的影響。風云二號衛星曾出現丟失云圖的現象,受到了中央領導的親自過問;2015年風云三號C星在軌發生故障,導致一段時間收不到云圖,立刻受到國內外廣泛關注。

嚴苛的運行要求,要求衛星具有極高的可靠性和時效性。為了提供優質穩定的業務服務,研制團隊為風云四號A星打造了角秒級測量和控制精度的高軌三軸穩定衛星平臺,采用了雙總線體制、高性能AOS技術、大功率電源、整星防靜電技術、整星防污染技術等一系列關鍵技術,使衛星設計壽命達到7年,為其長期穩定開展氣象業務觀測提供了有效支撐。

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責任編輯: 閆月

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