風(fēng)云三號F星投運，“四星聯(lián)動”實現(xiàn)更精密氣象觀測

出品：科普中國

制作：川陀太空（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為拓展認(rèn)知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領(lǐng)域突破極限的探索成果。讓我們一起走進科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅，認(rèn)識令人驚嘆的世界。

據(jù)中國氣象局消息，2024年7月1日，風(fēng)云三號F星正式投入業(yè)務(wù)運行。6月28日，F(xiàn)星通過地面和應(yīng)用系統(tǒng)在軌測試總結(jié)評審和業(yè)務(wù)試運行，具備正式業(yè)務(wù)運行的條件。

圖片來源：中國氣象局

按照運營方的計劃，風(fēng)云三號F星將取代風(fēng)云三號C星，因為后者自2013年就開始進入軌道運行，算是目前仍然運行的風(fēng)云系列衛(wèi)星中“星齡”比較大的，被更先進的三號F星取代屬于正常的更替。

風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星在軌示意圖

（圖片來源：世界氣象組織）

風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星示意圖

（圖片來源：CGTN）

大氣研究具有全球性

以上提到的風(fēng)云三號F星和風(fēng)云三號C星都屬于氣象衛(wèi)星。顧名思義，氣象衛(wèi)星就是進行氣象觀測的人造衛(wèi)星，本質(zhì)上是個集成度較高，可通過多種方法觀測大氣現(xiàn)象的軌道氣象站，不易受到自然條件和地域條件的限制。

目前在軌運行的風(fēng)云系列衛(wèi)星，主要有地球靜止軌道和太陽同步軌道兩種，風(fēng)云三號F星則屬于太陽同步軌道。這兩種軌道各有特點，因此適用于不同尺度的天氣系統(tǒng)。

太陽同步軌道可實現(xiàn)對全球氣象的觀測。首先，它的軌道面與太陽光照射方向的夾角在運動過程中始終不變，這一特點有利于對地觀測，同時也能保證太陽電池帆板始終轉(zhuǎn)向太陽，獲得穩(wěn)定的能量。另外，該軌道繞過地球兩極，結(jié)合地球本身的自轉(zhuǎn)，便可獲得全球大氣變化的實時情況。但不足之處是，對同一地區(qū)的觀測存在較長時間的間隔，無法滿足對中小尺度天氣系統(tǒng)的跟蹤監(jiān)測。

而地球靜止軌道則沒有這樣的問題，衛(wèi)星在地球靜止軌道上運行與地球自轉(zhuǎn)同步，可長時間對某個地區(qū)的天氣進行連續(xù)觀測，對應(yīng)的時候中小尺度的天氣系統(tǒng)。

但不論我們生活在何處，都屬于同一個地球生態(tài)系統(tǒng)，這也意味著局部氣象不可脫離整體而談。因此，大氣觀測與研究具有全球性的特點，這也是為什么我們國家不僅有可觀測全球大氣活動的太陽同步軌道氣象衛(wèi)星，也有專注觀測我們所處地區(qū)的靜止軌道氣象衛(wèi)星。

舉個例子，著名的厄爾尼諾現(xiàn)象影響全球，起因卻要從沿南美洲秘魯海岸和赤道東太平洋說起。這里的海水溫度異常升高，進而導(dǎo)致全球大氣環(huán)流出現(xiàn)明顯變化，最終造成東亞、東南亞、澳大利亞、美洲等出現(xiàn)區(qū)域高溫干旱或者洪澇。

我國多位學(xué)者發(fā)現(xiàn)，不同類型不同強度的厄爾尼諾有較強的季節(jié)演變特征，對我國降水汛期、大氣環(huán)流等都會產(chǎn)生影響，甚至可影響我們云貴川等地的森林防火情勢，因此我們國家對氣象衛(wèi)星的研發(fā)一直保持較高的重視和投入。

氣象衛(wèi)星的軌道示意圖

（圖片來源：springer）

“風(fēng)云”系列氣象衛(wèi)星家族的特點

我國氣象衛(wèi)星目前已經(jīng)發(fā)展到第二代。其中，風(fēng)云一號和二號系列是第一代氣象衛(wèi)星，它們分別是太陽同步軌道衛(wèi)星和地球靜止軌道衛(wèi)星。一號和二號系列實現(xiàn)了氣象、海洋、空間環(huán)境的綜合探測應(yīng)用，可獲得高精度的觀測圖像，一代氣象衛(wèi)星的出現(xiàn)說明我們已掌握研發(fā)氣象衛(wèi)星的多項核心技術(shù)。

風(fēng)云三號和四號系列則是我國第二代氣象衛(wèi)星，分別對應(yīng)著太陽同步軌道和地球靜止軌道。與一代相比，它們在性能方面當(dāng)然有了較大幅度的提升，實現(xiàn)了從紫外、可見光、到紅外、微波等多波段的綜合觀測能力，也是目前我國氣象衛(wèi)星的主力。

至此，兩代、四型一共21顆氣象衛(wèi)星的風(fēng)云系列家族形成了。風(fēng)云二號F星已在2022年完美收官，運行十年獲取14.4萬余幅云圖，專注觀測臺風(fēng)、強對流天氣。最新的風(fēng)云三號F星將接替風(fēng)云三號C星，F(xiàn)星搭載了10臺先進儀器，可實現(xiàn)全譜段、定量化觀測。

風(fēng)云三號C星退役后，風(fēng)云二號系列還剩2顆，與風(fēng)云三號和四號系列一同形成了第二代風(fēng)云氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)。

風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星

（圖片來源：中國氣象局）

風(fēng)云系列與氣象衛(wèi)星的發(fā)展趨勢

在發(fā)展中，風(fēng)云家族也出現(xiàn)了新的特點。

風(fēng)云三號系列本應(yīng)該是太陽同步軌道衛(wèi)星，但是2023年4月發(fā)射的風(fēng)云三號G星卻是第一顆非太陽同步傾斜軌道衛(wèi)星，軌道高度約407公里。

三號G星的定位是中國首顆低傾角軌道降水測量衛(wèi)星，專注監(jiān)測災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的降水，主載荷是降水測量雷達，可展示不同層次降水的三維立體結(jié)構(gòu)。這展現(xiàn)出了氣象衛(wèi)星在氣象觀測的細(xì)分領(lǐng)域更加垂直的發(fā)展趨勢。

此外，三號G星將與其他風(fēng)云系列衛(wèi)星進行在軌組網(wǎng)觀測，這使得預(yù)報精度和時效得到提升和延長。組網(wǎng)觀測需要多顆氣象衛(wèi)星共同實施，可以發(fā)揮出不同軌道、不同衛(wèi)星平臺的優(yōu)勢，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，展現(xiàn)更高的時空分辨率，這對氣象預(yù)報、預(yù)測而言至關(guān)重要，這也說明風(fēng)云系列在體系觀測方面不斷成熟。

我國風(fēng)云氣象衛(wèi)星對氣溶膠的監(jiān)測

（圖片來源：CCTV）

早期風(fēng)云氣象衛(wèi)星，強調(diào)的是一星多用，突出綜合觀測能力。但防災(zāi)減災(zāi)等具有突發(fā)性特征的事件，需要高時效的觀測，多星體系觀測則可以實現(xiàn)對特定區(qū)域高頻次的訪問，發(fā)揮不同類型衛(wèi)星的優(yōu)勢，是氣象觀測發(fā)展的趨勢之一。

風(fēng)云三號F星正式投入業(yè)務(wù)運行后，由于其作為太陽同步軌道上午星，也將與D（下午星）、E（黎明星）、G（降水星）組網(wǎng)，形成四星聯(lián)動觀測，這也是目前我國氣象衛(wèi)星組網(wǎng)觀測的最強陣容，對實現(xiàn)更精密的氣象觀測有重大的意義。

同時，隨著AI技術(shù)的發(fā)展，將人工智能應(yīng)用到氣象衛(wèi)星觀測領(lǐng)域?qū)窍乱粋€重大技術(shù)變革。AI大模型可以快速處理和分析大量的氣象數(shù)據(jù)，顯然比傳統(tǒng)的分析和預(yù)報模式響應(yīng)更快。如果讓AI學(xué)習(xí)觀測地區(qū)的歷史氣象數(shù)據(jù)，完成能夠結(jié)合當(dāng)下的最新數(shù)據(jù)，進一步提高預(yù)報的準(zhǔn)確性，所以垂直化、體系化、智能化則是氣象衛(wèi)星接下來的發(fā)展趨勢。

風(fēng)云4A對地球的觀測

（圖片來源：NSMC風(fēng)云氣象衛(wèi)星官網(wǎng)）

美歐氣象衛(wèi)星的新特點

美國的氣象衛(wèi)星也有兩個系列，分別是NOAA極地軌道系列，以及GOES靜止軌道系列，還有DMSP國防氣象衛(wèi)星、美國空軍所有的氣象衛(wèi)星，共18顆左右。美歐對氣象衛(wèi)星的發(fā)展極為重視，甚至將其納入國防領(lǐng)域。

美國的下一代GeoXO氣象衛(wèi)星提出“由三顆靜止軌道衛(wèi)星組成一個星座”的概念，新的氣象衛(wèi)星將側(cè)重于功能細(xì)化方面的提升，比如首次新增了對沿海生態(tài)系統(tǒng)進行觀察的模式，可實現(xiàn)監(jiān)測空氣中的有害污染物，監(jiān)測野火、煙霧、灰塵、火山灰等，以及提供環(huán)境預(yù)警。

歐洲哥白尼計劃的衛(wèi)星

（圖片來源：ESA歐洲空間局）

歐洲的氣象衛(wèi)星分為地球靜止軌道和極地軌道。由歐洲氣象衛(wèi)星組織運營的Meteosat系列衛(wèi)星就是處于地球靜止軌道，極地軌道則是Metop系列，最新的Metop SG-A計劃在2025年左右發(fā)射。

除了觀測氣象外，該衛(wèi)星還對大氣臭氧、其他微量氣體分布進行測量。歐洲氣象衛(wèi)星組織還參與實施對地觀測計劃，正在實施的是哥白尼計劃，又稱為全球環(huán)境與安全監(jiān)測計劃，通過發(fā)射哨兵系列衛(wèi)星，對陸地、海洋進行觀測。

顯然， 氣象衛(wèi)星的功能開始豐富，從傳統(tǒng)的降雨等氣象觀測，發(fā)展到對大氣環(huán)境污染物要素的觀測，同時兼容了海陸觀測能力，將大氣與海洋同時并入觀測。

風(fēng)云三號F星已經(jīng)實現(xiàn)了類似的功能，提高了對臭氧、二氧化硫等平流層和對流層大氣成分以及地球輻射收支能量的探測能力，從而在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和綜合防災(zāi)減災(zāi)等方面有了一定提升。這也意味著觀測參數(shù)將種類更多、更復(fù)雜，因此不可避免地需要AI分析，從而通過更復(fù)雜的氣候預(yù)測模型來預(yù)報天氣。

參考文獻：

1. 中國氣象報社：氣象衛(wèi)星軌道

2. 從單星觀測到體系協(xié)同：風(fēng)云觀測體系的技術(shù)特征與發(fā)展展望

3. 厄爾尼諾事件對中國沿海地區(qū)水汽變化周期的影響

4. 新京報：剛剛成功發(fā)射的風(fēng)云三號F星是顆什么衛(wèi)星？