風(fēng)云四號：中國氣象衛(wèi)星革命性重器

　　風(fēng)云四號效果圖。航天科技集團八院供圖。

　　這是一個和普羅大眾日常生活并不遙遠的科技事件，隨著新一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號的成功飛天，我國迎來了新的氣象觀測時代，以及有望更為準確的天氣預(yù)報時代。

　　12月11日凌晨0時11分 ，風(fēng)云四號搭乘長征三號乙運載火箭，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。根據(jù)這顆衛(wèi)星的主用戶單位、中國氣象局的說法，風(fēng)云四號代表著當今氣象衛(wèi)星的最先進水平，其成功發(fā)射標志著我國靜止軌道氣象衛(wèi)星實現(xiàn)了升級換代和技術(shù)跨越，將大幅度提高我國天氣預(yù)報、氣候預(yù)測能力。

　　所謂氣象衛(wèi)星，相當于一個高懸在太空的自動化高級氣象站，由其提供的氣象云圖，是現(xiàn)代天氣預(yù)報系統(tǒng)的基石。中國工程院院士許健民說，風(fēng)云四號的觀測質(zhì)量會比上一代靜止氣象衛(wèi)星即風(fēng)云二號有“臺階性”的提高。那么這究竟是一個怎樣的提升，對民眾關(guān)心的天氣預(yù)報又有著什么樣的影響？中國青年報·中青在線記者采訪了有關(guān)專家。

　　觀測能力是現(xiàn)有系統(tǒng)的上千倍

　　根據(jù)航天科技集團八院風(fēng)云四號衛(wèi)星工程總師李卿的說法，風(fēng)云四號是我國首顆靜止軌道上三軸穩(wěn)定的定量遙感衛(wèi)星，搭載了多通道掃描成像輻射計、干涉式大氣垂直探測儀、閃電成像儀和空間天氣監(jiān)測儀等4種探測器，實現(xiàn)了多個重大技術(shù)突破。

　　將四大類載荷安裝在同一個衛(wèi)星平臺上，就是其中的一個突破。中國氣象局副局長、風(fēng)云四號衛(wèi)星工程總指揮于新文說，這是一個世界性難題的突破，解決了多個儀器同時工作所產(chǎn)生的相互干擾問題。

　　他說，相較于其他國際先進水平靜止氣象衛(wèi)星將成像儀器和探測儀器分置于兩顆衛(wèi)星的普遍做法，風(fēng)云四號的這種設(shè)計大大節(jié)省了研制成本，更重要的是，在世界上首次實現(xiàn)對大氣的多手段綜合觀測。

　　具體來看，與目前業(yè)務(wù)運行的風(fēng)云二號衛(wèi)星相比，風(fēng)云四號配備的掃描成像輻射計通道數(shù)量增加了2.8倍，達到14個。其觀測時間分辨率提高1倍，可每15分鐘對東半球掃描一次，最快可以每1分鐘生成一次區(qū)域觀測圖像。最高空間分辨率較之前提高了6倍，達到500米。

　　李卿說，這些新能力，將讓風(fēng)云四號以全新的方式來揭示臺風(fēng)、暴雨、洪澇、森林火災(zāi)、沙塵暴和空間天氣的變化規(guī)律。

　　風(fēng)云四號還搭載了世界首個靜止軌道干涉式大氣垂直探測儀，其在垂直光譜探測通道達到1700個，可方向上對大氣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高精度定量探測，相當于對大氣進行CT掃描。

　　這也是國際上靜止軌道氣象衛(wèi)星的首次裝載，將首次實現(xiàn)靜止軌道大氣高精度溫度、濕度廓線探測，獲取的高光譜大氣數(shù)據(jù)，可進一步提高天氣預(yù)報的準確性。

　　根據(jù)中國氣象局的說法，風(fēng)云四號的觀測能力是現(xiàn)有觀測系統(tǒng)的上千倍，將極大提高天氣預(yù)報準確率和精細化水平。

　　接下來是閃電成像儀。風(fēng)云四號的成功發(fā)射，是我國自主研制閃電成像儀的首次在軌應(yīng)用，填補國內(nèi)空白。1秒鐘可以拍攝500張閃電圖，探測區(qū)域范圍內(nèi)的閃電頻次和強度，這可以用來實現(xiàn)對強對流天氣的監(jiān)測與跟蹤，提供閃電災(zāi)害預(yù)警，也是國內(nèi)首次應(yīng)用。

　　能感知3.6萬公里外湖水溫度的變化

　　放眼全球，國際上新一代靜止氣象衛(wèi)星已呈現(xiàn)出競相發(fā)展的態(tài)勢。日本和美國分別在今年11月2日和11月19日發(fā)射同類氣象衛(wèi)星。歐盟、俄羅斯、韓國、印度也計劃于2017～2018年前后發(fā)射新一代靜止氣象衛(wèi)星。

　　風(fēng)云四號地面應(yīng)用系統(tǒng)總師張志清說，風(fēng)云四號衛(wèi)星與日本、美國2016年最新發(fā)射的葵花九號衛(wèi)星、GOES－R衛(wèi)星及歐洲正在研制的MTG等均屬于新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星。

　　氣象衛(wèi)星又被叫做定量遙感衛(wèi)星，除了獲取云圖，還有一個重要的功能就是獲取準確的、定量化的大氣和地表觀測信息，為后續(xù)的應(yīng)用提供服務(wù)。

　　張志清說，針對越來越高的定量遙感需求，風(fēng)云四號裝載的多通道掃描成像輻射計、干涉式大氣垂直探測儀和閃電成像儀，在性能上比之前的衛(wèi)星有大幅的提升。

　　張志清舉了一個例子，青海湖的溫度是20℃，風(fēng)云四號衛(wèi)星可以做到對其溫度的測量誤差小于1℃，同時，當湖水溫度變化0.1℃時，衛(wèi)星就能夠準確感知出來。

　　此外，風(fēng)云四號還可以通過不同光譜通道的觀測，對全國植被覆蓋、糧食畝產(chǎn)等作出預(yù)估。在氣象學(xué)家看來，其經(jīng)濟、社會效益空前。

　　不過天氣預(yù)報是一件極其復(fù)雜的工作，除了溫度，還包含濕度、壓強、風(fēng)等指標，涉及溫濕度、導(dǎo)風(fēng)、閃電、輻射、云和氣溶膠、大氣成分等數(shù)十個種類衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用。

　　張志清說，風(fēng)云四號衛(wèi)星正式投入業(yè)務(wù)運行后，將提供包括云、輻射、溫濕度、大氣、導(dǎo)風(fēng)、閃電等34種數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

　　革命性的跨越：提高天氣預(yù)報準確率的重器

　　事實上，在風(fēng)云四號之前，我國已成功發(fā)射了14顆氣象衛(wèi)星，其中7顆衛(wèi)星在軌運行，成為世界上少數(shù)幾個同時擁有極軌和靜止軌道氣象衛(wèi)星的國家。

　　國防科工局系統(tǒng)工程司副司長趙堅表示，極軌氣象衛(wèi)星已經(jīng)實現(xiàn)了升級換代和上、下午星組網(wǎng)觀測，如今，風(fēng)云四號衛(wèi)星的成功發(fā)射使靜止軌道氣象衛(wèi)星也實現(xiàn)了升級換代，并形成了“多星在軌、統(tǒng)籌運行、互為備份、適時加密”的業(yè)務(wù)格局。

　　在茫茫太空中，氣象衛(wèi)星就是洞察風(fēng)云變幻的銳利“眼睛”。張志清說，氣象衛(wèi)星主要是通過衛(wèi)星裝載的各種探測儀器獲得不同的衛(wèi)星氣象云圖，然后通過云圖反演出其他變量，并應(yīng)用到天氣預(yù)報模式中，再根據(jù)方程的運算得到未來的天氣。

　　氣象衛(wèi)星云圖可分為太陽同步軌道氣象衛(wèi)星云圖和地球靜止軌道氣象衛(wèi)星云圖。不過，能用自己研制的衛(wèi)星拍攝這兩種云圖的國家和地區(qū)，美歐之外，就只有中國了。

　　根據(jù)趙堅的說法，風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星中的風(fēng)云一號衛(wèi)星和風(fēng)云三號衛(wèi)星分別是我國第一代和第二代太陽同步軌道氣象衛(wèi)星，距地面高度大約500公里至1000公里，其拍攝的云圖就是太陽同步軌道氣象衛(wèi)星云圖。

　　而風(fēng)云二號衛(wèi)星和剛剛發(fā)射的風(fēng)云四號衛(wèi)星則分別是我國第一代和第二代對地靜止軌道氣象衛(wèi)星，距地面約3.6萬公里，其拍攝的衛(wèi)星云圖是地球靜止軌道氣象衛(wèi)星云圖。

　　靜止衛(wèi)星與極軌衛(wèi)星，一個相對于地球保持靜止，一個則繞著地球轉(zhuǎn)動。如風(fēng)云二號衛(wèi)星和風(fēng)云三號衛(wèi)星對我國天氣的觀測好比一個定點站崗警察和一個流動巡邏警察。

　　目前，人們看到中央電視臺天氣預(yù)報的衛(wèi)星云圖，基本上來自在軌運行的風(fēng)云二號E、F、G三顆星。張志清說，風(fēng)云四號衛(wèi)星正式投入業(yè)務(wù)運行后，將逐步接替風(fēng)云二號衛(wèi)星提供更加及時和高精度的觀測數(shù)據(jù)，進一步提高天氣預(yù)報的準確率。

　　中央氣象臺首席預(yù)報員、風(fēng)云四號衛(wèi)星應(yīng)用首席專家許映龍說，成像和垂直觀測相結(jié)合，就好比醫(yī)生不僅有了X光片，同時還有了CT片，獲得了不同層次的切片數(shù)據(jù)，對于病情的判斷就更加準確了。

　　他說，這是一個革命性的跨越，“可以說，風(fēng)云四號衛(wèi)星是提高天氣預(yù)報準確率的重器”。

　　根據(jù)官方的說法，隨著風(fēng)云衛(wèi)星的發(fā)展，我國當前天氣預(yù)報的準確率從上世紀70年代的約50％，提高到了現(xiàn)在的90％。而風(fēng)云四號的成功發(fā)射，將進一步提高這一準確率。

　　未來的天氣預(yù)報會怎樣

　　那么，有了衛(wèi)星重器，我國天氣預(yù)報的水平究竟能提高多少，與國際發(fā)達國家相比又將如何？

　　這個問題并不難回答。事實上，現(xiàn)代天氣預(yù)報包括5個環(huán)節(jié)：氣象觀測、數(shù)據(jù)收集、綜合分析、預(yù)報會商、預(yù)報產(chǎn)品發(fā)布。

　　這其中，氣象觀測又分為地基觀測、空基觀測和天基觀測三大類。而氣象衛(wèi)星，只是其中的天基觀測一環(huán)。在專家看來，氣象衛(wèi)星觀測能力的提升，將會帶來天氣預(yù)報能力的提升，不過至于能提升多少，以及能否和歐美比肩，則還要進行綜合考量。

　　畢竟，真正引領(lǐng)天氣預(yù)報技術(shù)走向現(xiàn)代化的是數(shù)值天氣預(yù)報的誕生。而所謂數(shù)值預(yù)報，就是使用大氣運動方程建立的數(shù)值模式，按時間順序計算不同高度全球各處氣象要素的值。

　　遺憾的是，按照中國工程院院士丁一匯的說法，中國的數(shù)值預(yù)報與歐洲中心、美國等相比，起步要晚，先天條件處于弱勢。

       數(shù)值模式涉及大量微分方程，計算量巨大，一般使用超級計算機完成。這方面，中國正在迎頭趕上，前不久，中國科學(xué)家獲2016年度的高性能計算應(yīng)用最高獎“戈登·貝爾”獎，就是在這方面所作的努力。

　　計算機并不能完全取代人，數(shù)據(jù)收集、綜合分析之后，還需要預(yù)報會商，這時，預(yù)報員就要發(fā)表意見、綜合分析，對未來天氣的發(fā)展變化作出最終的預(yù)報結(jié)論。在這方面，中國盡管有一些優(yōu)秀的預(yù)報員，但相比發(fā)達國家，仍比較缺乏。

　　想更準確地“猜”到老天的心思，并不容易。道阻且長，今天的風(fēng)云四號是一個新的開端，未來我們拭目以待。

(責編：陰重宇(實習(xí)生)、賀迎春)