第2节
风云气象卫星

气象卫星，是指从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造卫星，是卫星气象观测系统的空间部分。气象卫星成员众多，是一个大家族！它们按照计划依次上天，各走各的路，看似不大亲厚，实际上它们分工明确，合作愉快，“手牵手”围绕着地球努力工作，为我们源源不断地提供与生活息息相关的气象信息。今天，我们打开手机就能实时查看天气信息，何时下雨、何时天晴，如此精准的报告，都是气象卫星的功劳。

我国气象卫星的发展自20世纪70年代始，截至2023年8月，已经成功发射了21颗气象卫星。根据不同的功能，它们分为四个系列：风云一号、风云二号、风云三号、风云四号。其中，风云二号和风云三号已经成为全球气象卫星系统的重要成员！

在深入了解气象卫星功能之前，让我们先来了解“风云”家族的成长史吧！

1.气象卫星风云路

1.1 风云一号

·1988年9月7日，我国第一颗气象卫星风云一号A星（FY–1A）升空，在轨时间至1988年10月16日。

·1990年9月3日，风云一号B星（FY–1B）升空，在轨时间至1991年11月。

·1999年5月10日，风云一号C星（FY–1C）升空，在轨时间至2004年4月26日。

·2002年5月15日，风云一号D星（FY–1D）升空，在轨时间至2012年4月1日。

风云一号是我国 第一代工作在极轨的气象卫星 ，第一颗提供气象服务的卫星。风云一号由FY-1A、FY-1B、FY-1C、FY-1D四颗卫星组成。

作为第一代气象卫星，它的主要任务是获取国内外大气、云、陆地、海洋资料。它的稳定运行解决了诸多难题，如太阳同步轨道卫星发射和精准入轨、对卫星的长期业务测控和管理、全球资料在卫星上的存储和回放等。

在风云一号四兄弟中，FY-1C毫无疑问是最大的功臣，它凭借着自己的在轨稳定性和高精密的数据准确性被联合国世界气象组织纳入全球对地观测业务卫星序列。

1.2 风云二号

·1997年6月10日，风云二号A星（FY–2A）升空，在轨时间至1998年4月8日。

·2000年6月25日，风云二号B星（FY–2B）升空，在轨时间至2004年9月1日。

·2004年10月19日，风云二号C星（FY–2C）升空，在轨时间至2009年11月25日。

·2006年12月8日，风云二号D星（FY–2D）升空，在轨时间至2015年6月30日。

·2008年12月23日，风云二号E星（FY–2E）升空，在轨时间至2019年1月11日。定点经度105°E（2015年6月3日之前）、86.5°E（2015年7月之后）。

·2012年1月13日，风云二号F星（FY–2F）升空，在轨时间至2022年4月1日。

·2014年12月31日，风云二号G星（FY–2G）升空。至今仍在正常运行。定点经度99.5°E（2015年6月1日之前）、105°E（2015年6月1日至2018年4月9日）、99.2°E（2018年4月16日之后）。

·2018年6月5日，风云二号H星（FY–2H）升空。至今仍在正常运行。定点经度79°E，是我国的“一带一路星”。

风云二号卫星是我国从20世纪80年代开始研制的 地球静止气象卫星 ，它的主要任务是监测汛期河流水位涨幅，以及辅助地面应用系统的工作和城市的设计与建设，还负责获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水汽分布图。它与风云一号及风云三号极地轨道气象卫星相辅相成，是我国气象卫星系统的主要成员，在重大自然灾害、灾难遇险监测方面，一直提供着重要的支持。

风云二号卫星对暴雨、沙尘暴、大雾、草原和森林火灾等也有很强的监测能力。在黑龙江及内蒙古草原的森林大火险情中，风云二号卫星不仅提供了持续不断的动态火情监测数据，还提供了人工影响天气作业的天气分析数据，为最终扑灭大火立下了汗马功劳。

截至2018年，8颗风云二号地球静止气象卫星成员全部成功发射升空，并正常在轨工作。其中，FY-2A、FY-2B、FY-2C、FY-2D、FY-2E和FY-2F 6颗卫星已完成工作，停止运行。目前在轨运行并提供应用服务的是FY-2G、FY-2H。

1.3 风云三号

·2008年5月27日，风云三号A星（FY–3A）升空，在轨时间至2018年2月11日。

·2010年11月5日，风云三号B星（FY–3B）升空，在轨时间至2020年6月1日。

·2013年9月23日，风云三号C星（FY–3C）升空，目前仍在性能退化的状态下运行。

·2017年11月15日，风云三号D星（FY–3D）升空，目前正常运行中。

·2021年7月5日，风云三号E星（FY–3E）升空，2022年6月投入试运行。2022年12月1日正式业务运行。

风云三号D星

风云三号E星

·2023年4月16日，风云三号G星（FY–3G）成功发射，使中国成为全球唯一同时运行晨昏、上午、下午和倾斜四条近地轨道气象卫星的国家。

·2023年8月3日，风云三号F星（FY–3F）成功发射。作为上午轨道卫星，该星将接替风云三号C星在轨业务，在确保全球成像观测、大气垂直探测的基础上，强化了地球系统的综合观测能力，主要应用于气象预报预测、气候变化应对、气象防灾减灾、服务生态文明建设。

风云三号气象卫星与风云一号气象卫星属于同一个卫星工种——极轨气象卫星。作为第二代极轨气象卫星，它在技术上比起风云一号更加强劲，因此它的工作能力更强！

不仅如此，风云三号卫星还是国内搭载遥感探测仪器最多的一款对地遥感卫星！强大的功能使它成为风云气象卫星家族中的“大哥大”，它也是我国气象卫星及卫星应用进入成熟阶段的“带动者”。

我们生活的方方面面，都无法离开风云三号在太空中的努力。它不仅被用于气象、海洋、农业、林业、环保、水利、交通、航空等部门，还广泛应用于天气预报、气候预测、灾害监测、环境监测。

三维综合大气探测功能使它对台风、暴雨、大雾、沙尘暴、森林草原火灾等自然灾害格外敏感。我们能看到的天气预警多数都是它的功劳！

1.4 风云四号

风云气象卫星家族最年轻的成员，是我国第二代静止气象卫星——风云四号。它负责接替我国第一代静止气象卫星风云二号执行任务。与之前三位成员不同，风云四号迄今为止只有2颗卫星，均已入轨运行。

·2016年12月11日，风云四号A星（FY–4A）升空，目前正常运行中。

·2021年6月3日，风云四号B星（FY–4B）升空，2022年6月投入试运行，目前正常运行中。

为了实现卫星的综合利用，风云四号身负重担。它未来的发展目标将充分考虑海洋、农业、林业、水利及环境与空间科学等领域的需求，所以它是一颗功能齐全的卫星！

与同类型的卫星相比，风云四号搭载了先进的静止轨道辐射成像仪，大大地提高了自己的性能。

2.两大家族掌握气象，为民生保驾护航

看过了四大风云系列卫星之后，你应该发现了它们可分为两大家族： 风云静止气象卫星和风云极轨气象卫星 。你可能会好奇，同样用于观测地表、监测大气，为什么要把它们分成两大家族呢？只研制一种不行吗？

虽然都是气象卫星，但极轨气象卫星和静止气象卫星有很大的差别，两种气象卫星的观测有其各自独特的作用，彼此优势互补。对于气候预测和研究来说，这两种卫星就像左膀和右臂，缺一不可。

2.1 静止卫星

静止卫星，顾名思义是指运行轨道为对地静止的人造地球卫星。它的特点是在太空中运行时与地面上固定的一个点呈相对静止不动的运行模式。通常，静止卫星的轨道面倾角为零，这意味着它的运行轨道基本与赤道在同一水平面上，运转周期和地球自转周期相同。当夜幕降临时，浩瀚星空里，我们的静止卫星在向你打招呼。

由于静止卫星的星下点位置始终是保持不变的，因此无论从地球上任意一点来观察它都是静止的，它的这种运行轨道被称为静止轨道。

静止卫星家族成员的主要特点是业务覆盖区域广，单一卫星可以观测中低纬度地区1/3的范围，因此只需3颗静止卫星互成120°，就可以完成全球数据覆盖。不仅如此，它在工作上也格外靠谱，具备很强的灵活性与机动性，可以快速检测目标动态变化。

当静止气象卫星服务于天气预报与分析，特别是用于对大气层内部中小尺度强对流天气的监测时，静止卫星能够做到每天对固定区域进行高频次的观察，时时刻刻对负责区域进行不间断的观测，目前的观测频次可达到分钟级别，这对于天气预报和分析来说都是强有力的帮助。

例如，风云四号静止气象卫星在天气观测方面潜力非凡，除了常见的平面探测，它还能够对大气的垂直方向进行监测，这对于观测大气垂直结构尤为重要！

静止气象卫星就像一位“护林员”，精心而执着地守护着一片“森林”。

此外，静止卫星还拥有地面跟踪容易、收发控制简单的优势，早已成为通信、导航、气象、侦察、电视直播等领域的宠儿。我国是世界上第五个独立研制和发射地球静止轨道卫星的国家。

2.2 极轨卫星

静止卫星勤劳负责，极轨卫星精细扎实。

极轨卫星又叫“极地卫星”，作为与静止卫星互相帮助的老搭档，极轨卫星的运行轨道与静止卫星大相径庭，它环绕着地球飞行，轨道面与赤道面夹角为90°，运行时会飞越南北极区域上空。而且它的轨道与太阳是同步的，于是它每天两次在相同的时间飞越地球表面同一个点，每隔12小时为我们提供一份最新的全球气象资料。研究极地区域的科学卫星是必须采用这种轨道的，而绝大部分气象卫星也是采用极地轨道，因此它还被称为“近极地太阳同步轨道卫星”，并获得了“卫星里的向日葵”的美誉。

极轨卫星的特点是全球“高清”观测。它的本职工作是服务于全球模式下的数值天气预报，以及研究全球生态环境变化、探索气候变化规律，监测大范围的自然灾害，并为气候诊断和预测提供所需的物理参数。我们常见到的大风黄色预警与雷雨蓝色预警之类的“警报”，都是根据极轨气象卫星提供的预测数据来发布的。

为了更好地完成工作任务，极轨卫星轨道低，并且常常搭载比静止卫星更精密的摄像设备，分辨率通常是静止卫星的40倍。较低的轨道带来的好处可不仅是分辨率的提高，还有与地面信号、数据和能量感应能力的增强，发射与控制难度也随之减半。作为一个常与家乡联络的孩子，气象学家们有时会把本该在静止卫星上运行的高科技观测仪器首先安装在极轨卫星上试运行。

2.3 排放监测“碳卫星”

讲起气象卫星大家族，就不得不提到其中一位特殊的成员——碳卫星（TANSAT）。它是由中国自主研制的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星，从诞生之初就背负着守护全球环境健康的重大使命，是监测二氧化碳排放量、控制全球气候变暖的中坚力量。

二氧化碳是地球大气的重要组成部分，它会产生较强的温室效应，因此被科学界认为是造成气候变化的关键原因。面对全球气候变化，减少二氧化碳等温室气体的排放是必然选择。为了减缓因二氧化碳过度排放而造成的气候变化，保护我们赖以生存的地球，对大气中二氧化碳浓度的监测越来越重要！利用碳卫星在太空中的观测，可获得大气中二氧化碳浓度方面的信息。

全球二氧化碳地面观测站点仅有数百个，难以满足监测需求，只有用卫星俯瞰，才能绘制出二氧化碳分布的全景图。此外，在所有的碳排放量监测手段中，使用卫星搭载高光谱温室气体探测技术，既能对二氧化碳等温室气体浓度进行高精度探测，又能获取全球各区域的气体浓度分布数据。但是，碳卫星技术难度极高，我国是第五个发射碳卫星并成功入轨的国家，在大气二氧化碳监测方面跻身国际前列。

迈出艰辛第一步

碳卫星是中国研制的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星，总质量达620千克，搭载一体化设计的两台科学载荷，分别是高光谱二氧化碳探测仪和起辅助作用的多谱段云与气溶胶探测仪。

·2010年，中华人民共和国科学技术部设立了“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目，计划发射一颗搭载两台有效载荷的碳卫星，并在全国范围内公开招标。

·2015年12月1日，科研人员在中科院长春光机所高光谱实验室对“碳卫星”高光谱探测仪进行上电前状态检查。

·2016年5月，碳卫星正式出厂。

·2016年12月22日，长征二号丁运载火箭搭载着碳卫星成功发射升空。

·2018年2月，中国科学院大气物理研究所展示了中国碳卫星观测的首幅全球二氧化碳分布图，标志着中国碳卫星将为气候变化的研究提供数据支撑。

·2021年，中国的科研团队基于我国第一颗碳卫星——全球二氧化碳监测科学实验卫星的观测数据，发布了全球碳通量数据集，标志着我国已具备全球碳收支的空间定量监测能力，可以助力盘点各地碳收支。

工作原理

卫星在轨运行只是第一步，利用卫星遥感进行准确有效的监测、获取高质量的数据才是最关键的环节。作为一颗典型的遥感卫星，碳卫星的工作同样要依靠光谱完成。它通过利用大气二氧化碳吸收光谱的形态，来计算并获得二氧化碳在大气中的含量，进而计算碳排放和碳吸收。

碳卫星在工作中使用的是大气吸收池原理。空气中的二氧化碳、氧气等气体在近红外至短波红外波段有较多的气体吸收谱线，进而形成具备明显分辨特征的大气吸收光谱，大气温室气体探测正是基于这个原理，实现对吸收光谱的强弱进行严格定量测量，综合气压、温度等辅助信息，并排除大气悬浮微粒等干扰因素，应用反演算法就计算出了卫星观测路径上的二氧化碳柱浓度。

利器傍身：“小”身材却有“大”本领

大气二氧化碳的变化涉及范围极其广泛，包括大气圈、生物圈、岩石圈、海洋圈、人类圈等多个圈层的相互联系。因此，利用碳卫星监测的难度很大，对于精度要求很高，需要达到2.5‰，于是碳卫星身上装载着两件“利器”，除利用红外谱段探测温室气体浓度的高光谱温室气体探测仪之外，还有一台是云与气溶胶偏振成像仪（CAPI）。

载荷设备

高光谱温室气体探测仪的具体工作方式是在可见光和近红外谱段，利用分子吸收谱线探测二氧化碳等温室气体浓度。

高光谱温室气体探测仪设有3个通道，能够捕获植被日光诱导叶绿素荧光，这样不仅能对全球大气中二氧化碳浓度进行动态监测，还能高精度反演植被日光诱导叶绿素荧光。卫星尺度叶绿素荧光能够精确估算全球植被光合生产力，结合同步反演的大气二氧化碳浓度数据，二者协同将能极大提升全球碳源汇观测能力。

高光谱温室气体探测仪最核心的关键指标之一是光谱分辨率，该仪器最高光谱分辨率可达0.04nm，而实现高光谱分辨率的核心分光原件是看上去色彩斑斓的全息衍射光栅。它可是个需要好生照看的脆弱的小家伙，哪怕一粒细小灰尘进入仪器，也会造成杂散光，影响探测效果。

云与气溶胶偏振成像仪也不简单。这台仪器可以测量云、大气颗粒物等，获取辅助信息，为科学家剔除干扰因素，精确反向推演二氧化碳浓度；还可以帮助气象学家提高天气预报的准确性，并为研究PM2.5等大气污染成因提供重要的数据支撑。

我们的碳卫星是我国第一代温室气体监测专用卫星，实现了我国空间温室气体高精度监测从无到有，同时迈出了太空对地温室气体监测重要且艰巨的第一步。在未来，我们的科学家将会继续以碳卫星的研究成果为基础，研发新一代的温室气体监测卫星，服务于我国和全球“双碳”目标的实现。

3.卫星在天，各守一方

看到这里，想必你已经非常了解气象卫星这个大家族了，从第一颗气象卫星入轨至今已经过去数十载春秋，那么，这些卫星究竟有哪几种武艺，它们又是如何在遥远的太空中守护我们的呢？

3.1 知冷暖，为百姓

相比过去，我国台风预报取得了长足的进步，风云气象卫星为此立下了汗马功劳！

静止气象卫星与极轨气象卫星相互配合，为预报员实时分析并判断台风影响提供了重要的信息；在极易产生极端降雨天气的华南地区，它们多次提前一小时提供了龙卷风预警，为当地防御灾害和转移撤离争取到了宝贵时间。

曾经，风云气象卫星每半个小时才能绘制出一张云图，空间分辨率在几千米左右。而如今的卫星，掌握风云变幻、关心百姓冷暖、紧盯风起云涌，每5分钟就可以为中国及周边区域绘制出新的云图，每一分钟就能生成一张指定区域的云图。现在，我国暴雨预警准确率高达90%。

我国气象预报水平的提高，与风云卫星在太空中的努力密不可分。

3.2 慧眼望，守食粮

从看天吃饭到知天而作，卫星遥感使粮食保卫战胜券在握。风云卫星遥遥端坐于九天之上，以一双慧眼眺望四方，为我国农业耕种保驾护航，使农民化被动为主动，防灾抗灾能力也大大提升了。

近年来，中国气象局、中国科学院、农业农村部等部门将风云气象卫星资料作为数据源，开展国内外重要产粮区气象灾害监测，以及小麦、玉米、水稻和大豆等主要粮食作物长势监测与产量估算，为科学决策提供了重要可靠的参考依据。

农业气象灾害对我国粮食产量影响很大，其中干旱的影响最甚。每逢春秋汛期、夏季干旱时，小麦播种推迟，苗情偏差，农业收耕就成了一场硬仗。农收产量通常与地表温度和土壤水分有关，这两项同时是干旱监测中的重要参数。以前，农民主要通过气象站点获取相关数据，但站点相对稀疏，空间代表性不够，人工方式又费时费力，一直以来收效甚微。随着气象卫星的发展，波段数量和辐射分辨率不断优化，其红外遥感数据可反演地表温度，微波亮温数据可反演土壤水分，给气象灾害监测预警及作物长势监测、产量估算提供了有力支撑。

科学家们以风云气象卫星提供的土地遥感数据为基础，在实验室中反演农田的环境参数，研究作物生长模型，始终为田间农业管理提供有价值的参考。近些年来，农业气象遥感服务得到了各方的好评。

3.3 监生态，健中国

那些在高山之巅的森林、沙漠之中的绿洲、大江源头的湖泊如果遭到污染怎么办？我们怎样才能知道那些遥远地方的生态情况呢？别着急，风云气象卫星来帮忙！

环境保护早已成为全球共识，我国自然不甘落后。如今，风云气象卫星的数据已被广泛应用于生态监测。国家卫星气象中心还建立了2000年以来植被、地表温度、水体、蓝藻水华、沙尘、积雪等长序列卫星遥感数据集，并联合多地编制了植被、城市热岛、水体、蓝藻水华、沙尘、积雪、火情等10余项技术导则。

截至2022年6月，我国风云系列气象卫星的风云三号E星、风云四号B星及其地面应用系统已从测试阶段接入业务试运行阶段。风云三号E星搭载的微光型中分辨率光谱成像仪，具备在晨昏轨道监测灯光信息的能力，可实现对城市灯光影像的动态监测。 qW4BZIP/CLHfI9e326Jm4yaj08zT9TFcf8Msm+h6/GOFQj3aTOMMagG/vTMHbSNS