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“风云四号”的“小伙伴们”:全球先进地球静止轨道气象卫星一览

2017-1-4 21:47| 发布者: 站长| 查看: 1740| 评论: 0|来自: 中国气象报

摘要:   先进的静止轨道气象卫星在太空“携手”,密切监视着地球天气的“一举一动”,在气象、水利、农业、林业、环境、能源、航空和海洋等领域成为人类安排活动的重要“参谋”。

“风云四号”的“小伙伴们”:全球先进地球静止轨道气象卫星一览

风云四号01星

编者的话:12月11日0时11分04秒,我国新一代地球静止轨道气象卫星“风云四号”01星搭乘“长征三号乙遥42”运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射。几天后,它将抵达东经99.5度约3.6万公里赤道上空,正式获得“风云四号A星”的新名字。在同一个地球静止轨道上,它将和许多主要国家的静止轨道卫星成为“邻居”。

在这些“小伙伴”里,有刚比“风云四号”01星早一个月定居的GOES-16、“向日葵9号”,有两年前定居的“向日葵8号”和五年前定居的Electro-L,它们有的来自美国,有的来自日本,还有的来自俄罗斯。按照计划,再过两年,来自欧洲的MTG-I也将成为“风云四号”01星的“新伙伴”。

这些先进的静止轨道气象卫星在太空“携手”,密切监视着地球天气的“一举一动”,在气象、水利、农业、林业、环境、能源、航空和海洋等领域成为人类安排活动的重要“参谋”。

“风云四号”的“小伙伴们”:全球先进地球静止轨道气象卫星一览

美国GOES-16:将为气象预报带来“革命性变化”

当地时间11月19日晚,美国GOES-R卫星由“阿特拉斯5”(Atlas V)运载火箭送入轨道。经过大约10天的5次变轨,卫星顺利定点于西经89.5度,并被正式命名为GOES-16,以美国新一代静止气象卫星首颗星身份,进入了GOES卫星序列。

GOES-16代表着美国高轨气象卫星的最先进水平,搭载有高速多光谱相机、闪电成像仪和一套空间天气仪器,可提供西半球连续的高分辨率飓风和其他风暴图像。美国称,GOES-16将给气象预报带来“革命性变化”。

三类载荷各有突破

GOES-16配备的先进基准成像仪(ABI)探测通道增加为覆盖可见光和近红外的16个(原为5个通道),空间分辨率是原有GOES卫星成像仪的五倍。“结合多普勒雷达数据,卫星光谱图像将提高我们对风暴消长的认识。”美国国家气象局观测处主任约瑟夫·皮卡说。

“对于天气预报员来说,GOES-16的发射就像是从黑白电视时代进入超高清电视时代。”美国国家海洋和大气管理局(NOAA)主管卫星和信息的副局长斯蒂芬·沃尔兹说,“这将意味着更快、更准确的天气预报和预警,意味着可以挽救更多生命,并为国家和地方官员等提供更好的决策服务。”

GOES-16的观测范围是整个西半球。“GOES-16能够每五分钟提供地球西半球图像;对于飓风或雷暴,能做到每30秒拍摄一张图像。”NOAA的GOES-16项目主任格雷戈·曼特介绍,“图像获取后,将在几秒钟或几分钟内传给预报员。”GOES-16还是国际上搭载首个闪电成像仪的卫星,能够提供每秒200次的西半球雷电场红外图像。

GOES-16还配有磁力计、用于探测太阳辐射如何影响上层大气的紫外线X射线传感器、用于持续监测太阳的紫外线成像仪,以及用于测量来自太阳会影响通信和导航的带电粒子的传感器。

2036年前的换代计划

作为美国新一代静止气象卫星,GOES-16的成功发射开启了NOAA静止气象卫星更新换代的序幕。

“美国很注重规划的科学性、合理性,长期保持两颗卫星处于连续业务观测位置,建立了卫星在轨备份以及应急区域观测机制。”风云四号01星地面应用系统总设计师张志清此前在接受采访时说。具体来说,在任何时候,都有两颗GOES卫星在轨运行,其中一颗位于美国东部上方(GOES-东,西经75度),另一颗位于美国西部上方(GOES-西,西经137度)。在过去数年的不同时间点,包括在2012年飓风“桑迪”肆虐期间,NOAA都曾把其中一颗GOES卫星调为一种试验性的超快扫描模式,其数据更新速度达到每分钟一次。根据NOAA官方公布的最新计划,GOES-16将于2017年5月左右进入西经137度或西经75度的操作经度。

这一次美国新一代静止气象卫星换代项目由NOAA负责管理,美国国家航空航天局(NASA)提供支持,具体由洛克希德马丁航天系统公司承接建造,包括GOES-16在内,计划发射四颗卫星,项目总投资约110亿美元,目标是在2036年前为西半球提供不间断观测。GOES-16同系列的下一颗气象卫星GOES-S将于2018年初发射,GOES-T和GOES-U的发射时间分别是2019年左右和2025年左右,四颗卫星设计寿命都为11年。

四颗卫星的主要进展是,基准成像仪能力大幅提高,增加了先进的闪电成像仪。但遗憾的是,由于经费等原因,对观测大气垂直运动有十分重要作用的垂直探测仪器目前并没有在计划之列。(卢健)

“风云四号”的“小伙伴们”:全球先进地球静止轨道气象卫星一览

日本向日葵8号和9号:大幅提高台风观测能力

11月2日,东京时间15时20分,在日本南部鹿儿岛县的种子岛宇宙中心,H2A运载火箭第31次起航,将“向日葵9号”卫星送入太空。约30分钟后,卫星与火箭成功分离进入预定轨道。再经过大约一周时间,“向日葵9号”就进入了高度约3.6万公里的地球同步轨道。

此前,代表着日本新一代静止气象卫星最高水平的是“向日葵8号”,它于2014年发射,是世界上首颗拍摄彩色图像的地球同步轨道气象卫星。“向日葵9号”与“向日葵8号”属于同一类型,到达指定地点后,它将作为“向日葵8号”的备用卫星使用。按照计划,“向日葵9号”将于2022年起代替“向日葵8号”进行气象观测。

据日本气象厅介绍,形成两颗卫星的体系后,将能确保长期稳定的观测。该厅卫星整备计划官大友猛表示:“希望两颗卫星体系提供更高精度的气象信息,帮助降低灾害影响。”

这两颗新一代的静止气象卫星定位于东经140度,采用三轴稳定方式,装有先进的葵花成像仪(AHI),这与美国地球静止环境业务卫星GOES-R的先进基线成像仪(ABI)相似。通过葵花成像仪正常扫描全圆盘图的时间小于10分钟,也可以在选定的时间对特定区域进行扫描,每2.5分钟能够获得一幅区域图像,它的在轨工作寿命预期为8年。

它们的成像仪还拥有16个可见光和红外通道,可见光的高空间分辨率达到0.5公里到1公里,红外高空间分辨率达到1公里到2公里,再加上成像速度快,观测区域和时间灵活可变等特点,使日本气象厅得以改进和生成很多新的产品,其中包括大气运动矢量、晴空辐射、云网格信息、洋面温度等。以有重大改进的大气运动矢量为例,更高的空间分辨率和更频繁的观测对大气运动目标提供了更高的跟踪精度。

此外,在“向日葵8号”的有力支持下,日本气象厅还开发了不稳定性指数和火山灰监测产品。不稳定性指数是根据多通道观测数据,利用一维变分方法从大气温度和湿气廓线计算出来的数据,用于天气预报,能够更早地预测暴雨和雷暴等恶劣天气。因为直接影响飞机飞行,火山灰的监测近年来越来越受到重视,利用“向日葵8号”能够测得火山灰强度和高度定量信息。

回顾历史,日本第一颗地球静止轨道气象卫星GMS-1于1977年7月14日发射,之后陆续发射了5颗“地球静止气象卫星”,一直运行到2003年。在此期间,东亚太平洋和澳大利亚地区的卫星观测主要依赖日本地球静止气象卫星。接替该系列卫星的是日本“多用途运输卫星”(MTSAT),这是由日本运输省和日本气象厅合作投资的,具备气象观测和飞行控制功能。在“向日葵8号”之前运行的多用途运输卫星2号,即“向日葵7号”,它于2006年2月18日发射,定位于东经145度,2010年7月1日成为主用业务卫星。

与 “向日葵7号”相比,“向日葵8号”和“向日葵9号”都是专用气象卫星,没有飞行控制等功能,但它们更优的性能和先进的探测仪器使得其分辨率较此前提高一倍,观测间隔也大幅缩短,特别是对台风的观测能力大大提高。在2015年“苏迪罗”和2016年“尼伯特”“鲶鱼”等台风的监测中,“向日葵8号”提供了更加清晰的台风图像,帮助预报员更好地捕捉到了台风中心附近的风向及风速。(张格苗)

“风云四号”的“小伙伴们”:全球先进地球静止轨道气象卫星一览

欧洲MTG系列:欧洲最大型太空计划成果

欧洲下一代地球同步轨道气象卫星计划为MTG系列,该计划由欧洲气象卫星组织(EUMETSAT)和欧洲空间局(ESA)联合提出,将以MTG-I(成像卫星)和MTG-S(探测卫星)双星运行,各自承载不同的探测仪器,计划发射6颗卫星(4颗MTG-I和2颗MTG-S)。该计划被称为欧洲实施的最大型、最复杂的太空计划之一,首颗MTG-I卫星预计将于2018年发射。

ESA最初于1972年提出气象卫星计划,开始重点发展地球同步轨道应用,并于1977年11月23日成功发射了Meteosat-l卫星。1983年,欧洲16国筹建研制第二代地球静止轨道气象卫星(MSG),并规划了4颗可至少持续工作到2018年的卫星。自2000年起,欧洲气象卫星开发组织(EUMETSAT)与欧空局(ESA)开始规划下一代地球同步轨道气象卫星(简称MTG)。

MTG系列卫星均采用三轴稳定平台。MTG-I卫星上的主要载荷包括组合成像仪、闪电成像仪、数据采集系统以及搜救系统;MTG-S卫星上的主要载荷包括红外探测仪和紫外可见光近红外探测仪。

其中,MTG-I星搭载的组合成像仪将继承其上一代静止卫星系列自旋可见光红外成像技术,将高分辨率快速成像和全圆盘高光谱分辨率成像功能合并实现。在正常的工作模式下,组合成像仪覆盖地球圆盘一次只需要10分钟。此外,组合成像仪在云、气溶胶、湿度和火灾探测等方面的性能都得到了改进,并增加了新通道,提高了时间分辨率、空间分辨率和辐射测量分辨率。

MTG-S卫星上的“主角”则是地球同步轨道的红外探测仪,能够提供大气水汽和温度水平、垂直的立体分布和瞬时分布(即四维结构)信息。红外探测仪具有800个长波红外光谱通道和920个中波红外光谱通道,能够在60分钟内凝视和扫描整个地球圆盘。红外探测仪能穿透云和雨的毫米波波段,其观测对象包括长波红外波段的臭氧带和中波红外波段的一氧化碳。通过对自由对流层进行测量,红外探测仪可以得到边界层以下的污染增强等级信息。(牛彦元)

“风云四号”的“小伙伴们”:全球先进地球静止轨道气象卫星一览

俄罗斯Electro-L:曾拍出地球最清晰图像

俄罗斯2011年发射的静止气象业务卫星Electro-L在2012年火了一把。当年5月,Electro-L仅用一个镜头拍摄到了地球高清完整照片,分辨率达到121兆像素,创造了截至2012年史前最清晰的地球图像。

与之前由拍摄合成的大部分地球图片不同,Electro-L气象卫星所拍摄的地球完整图片来自一个拍摄镜头,而不是通过多张图片合成完整的一张图片。由于仅通过一个拍摄镜头拍到地球全貌并不容易,因此这张完整高清地球照片显得非常珍贵。

早在上个世纪,苏联就宣布要发射静止轨道通信、海洋和气象卫星-N1(GOMS-N1),但计划一再推迟,一直到1994年11月才发射。它是三轴稳定卫星,定位于东经76度。但发射后成像仪故障,未能获取可见光图像。

第二代卫星Electro-L系列的第一颗Electro-L N1(又称为GOMS-N2)于2011年1月23日发射,三轴稳定姿态,定位于东经76度,装有10通道成像仪(MSU-GS),与欧洲“第二代气象卫星”的改进型自旋可见光红外成像仪(SEVIRI)相似,有3个可见光通道,7个红外通道和太阳地球物理探测器(GGAK)。同系列还有两颗卫星计划发射,一颗是Electro-L N2,定位于西经14.5度,另一颗是Electro-L N3,定位于东经166度。这3颗卫星将组成覆盖俄罗斯国土的静止气象卫星观测网。

事实上,由于俄罗斯国土大多处于高纬地区,静止气象卫星观测效果欠佳,极轨卫星观测频次又不够密,因此需要大椭圆轨道卫星观测。俄罗斯的大椭圆轨道卫星系统将通过Arctica项目来实现,该系统同时有两颗卫星在椭圆轨道运行,轨道周期12小时,每颗卫星对高纬地区观测6.4个小时后由另一颗卫星观测,使得一天24小时都能获得观测资料。

不过,虽然大椭圆轨道卫星仍然使用和Electro-L一样的卫星,探测仪器也相同,但已经不在地球静止轨道上了。(张格苗)


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