气象卫星让风云不再难测

气象卫星监测热带气旋模拟图。

第一颗气象卫星“泰罗斯-1”拍摄的天气图像。

GOES-8静止轨道气象卫星。

NOAA-18卫星是NOAA系列极轨气象卫星中的最新型号。

气象卫星监测热带气旋模拟图。

第一颗气象卫星“泰罗斯-1”拍摄的天气图像。

GOES-8静止轨道气象卫星。

NOAA-18卫星是NOAA系列极轨气象卫星中的最新型号。

郭国 李会超

今天是我国成功发射第一颗人造地球卫星“东方红一号”50周年纪念日。气象卫星出现之前，人们大都只能依靠固定的气象站或气球、探空火箭等手段对天气系统进行探测。这些探测手段在空间和时间上覆盖的连续性都存在局限，而天气变化又是一种区域性甚至是全球性的变化，这使得气象学家们迫切需要一种能够实时全面掌握天气系统变化的观测工具。气象卫星就是在这样的背景下应运而生的。

低轨道气象卫星 开启太空气象观测

上世纪五六十年代，美国军方和民用气象部门分别开展了气象卫星的研制计划。1954年，美国俘获了德国V2火箭，在对其研究过程中有人提议能否在火箭上绑一个自动照相机，并通过照片来观察地面情况，气象卫星由此萌芽。

1959年2月17日，美国军方研制的“先锋2号”卫星在卡纳维拉尔角被发射升空，成为人类历史上首颗以气象观测为目的的人造卫星。按既定设计，这颗卫星上的光学设备能对地球进行持续拍摄，可获取大气中云层的情况。然而，由于这颗卫星的自旋姿态不稳定，且其所在的椭圆轨道无法开展持续而有价值的观测，因此这颗卫星并没有产生数量可观的有用数据。

人们公认的第一颗成功的气象卫星，是美国航天局研制的“泰罗斯-1”气象卫星。这颗在1960年4月1日发射升空的气象卫星，携带了光电摄影系统和红外辐射计，分别可以从可见光和红外辐射波段获取天气系统的信息。其中，光电摄影系统仅在所观测的位置处于白天时可用，而红外辐射计则可以昼夜连续工作。“泰罗斯-1”运行在一条轨道倾角为四十多度的近地轨道上，首次成功拍摄到了气旋、多种云层等大气物理现象。在其可靠运行的78天时间里，总共传回了22952张天气图片，验证了在太空中进行气象观测是可行的。随后，美国又发射了9颗试验性质的“泰罗斯”气象卫星，使有关技术进一步成熟。

“泰罗斯”卫星工作于轨道倾角较低的近地轨道上，虽然能够完成看清天气系统的第一步，但其观测范围不能覆盖全球，尤其是南北极地区。同时，这种轨道经过某个地区时，其光照条件并不固定，给数据的分析使用带来了困难。

极轨气象卫星 全天候三维探测地球大气

为了解决上面提到的问题，科学家和工程师们想到了让卫星工作在轨道倾角较高、经过南北两极的太阳同步轨道上。这种轨道的高度在600公里至800公里，随着地球的自转，运行在这个轨道上的卫星有机会经过全球的大部分区域上空，在累积一定时间的观测数据后，就能给出整个地球的天气系统全球观测。此外，太阳同步轨道上的卫星，每次经过不同地区上空时，所有地区的光照条件是相同的。这样，就使得观测资料的分析与使用更加便捷。

1966年2月3日，太阳同步轨道气象卫星“艾萨”1号升空。该卫星轨道高度约1400千米，云图分辨率为4000米。此后，美国又陆续发射了8颗“艾萨”系列卫星。进入上世纪七十年代后，美国国家海洋和大气管理局负责的NOAA系列气象卫星，使极轨气象卫星的应用进入了业务化。这些卫星开始应用三轴稳定的姿态控制方式，可以连续稳定地获取数据，预报员们开始将卫星数据引入日常业务预报中。在这代卫星中，多通道高分辨率扫描辐射技术开始得到应用，卫星可以昼夜连续获得不同波段的数据，预报人员可以从中反演天气子系统的诸多参数。

上世纪七十年代末到九十年代，工作在极轨上的新一代NOAA卫星开始投入使用。这些卫星装备了探测能力更强的仪器，可以同时获得多个波段的红外和可见光信号产生的图像。同时，观测的波段范围还进一步扩展到了微波、紫外等波段。微波波段的观测，可以提供大气温度、湿度的垂直分布，而紫外波段的观测可以用来监测地球电离层的变化和大气辉光等现象。此外，这一代卫星还开始通过相关仪器测量空间环境的情况，为其他卫星的正常运行提供高能粒子通量观测数据。

进入新世纪以来，极轨气象卫星的观测能力得以进一步提升，美国陆续发射了最后一批NOAA卫星，并开始了新一代联合极轨卫星系统的建设。这一代的卫星系统，能够实现全天候的三维大气遥感探测，在有云的情况下给出大气的湿度、温度，并能够给出气溶胶和云的微物理特性、大气成分和地球大气辐射收支等地球物理参数，使得他们不但能更好地支持天气预报的进行，还能对空气污染、气候变化等方面的情况作出监测。

除了美国外，欧洲气象卫星组织在进入21世纪后也开始研制极轨气象卫星，陆续发射了METOP系列的三颗卫星。俄罗斯也研发了一定数量的“流星”系列极轨气象卫星。

地球静止轨道气象卫星连续监测特定地域天气变化

极轨气象卫星能够对全球进行观测，且由于其轨道高度较低，获取的观测数据分辨率相对更高。然而，工作在这种轨道上的卫星不能持续地对某一特定地域的天气变化进行连续不断的监测。为了克服这个问题，人们又想到将气象卫星部署到赤道上空距离地面约三万六千公里的地球同步轨道上。在那里，卫星与地面保持相对静止，就可以时时刻刻看到卫星以下一定范围内的天气情况了。

1966年，在美国发射的人类首颗地球静止轨道卫星ATS-1上，进行天气观测就是重要的技术试验项目之一。此后，美国国家海洋和大气管理局负责的“地球同步业务环境卫星”（GOES），被称为世界上最先投入运行的静止轨道气象卫星系统。GOES-1于1975年10月16日成功入轨并开始工作。迄今为止，共有17颗GOES系列卫星被成功发射入轨，目前保持运行状态的有3颗。

上世纪七八十年代发射的GOES-1到GOES-7卫星，都采用了自旋稳定的姿态控制方式，对地观测的时间有限。从1994年发射GOES-8开始，GOES卫星开始使用三轴稳定，观测能力大幅提升。而进入新世纪后，GOES系列卫星能够给出的观测参数越来越丰富，精度也越来越高。除了对地观测外，GOES卫星的另一项重要任务是监测太阳的情况，完成空间天气的观测。目前，对于空间天气中的一种重要爆发现象太阳耀斑，其强度的分级就是按照GOES卫星探测到的X射线通量确定的。

从上世纪七十年代开始，欧洲和日本也加入了静止轨道气象卫星研发的行列中。欧洲的静止轨道气象卫星Meteosat，首星于1977年11月23日发射，目前已经成功发射11颗，其中4颗保持运行状态。而日本的“向日葵”系列静止轨道气象卫星，迄今已成功发射9颗，其中2颗保持运行状态。