从风云一号到风云三号，带你了解风云系列气象卫星
今天（2024 年 9 月 7 日），是风云一号卫星成功发射 36 周年。前些日子，我国最新的风云三号 F 星顺利投入运行。在这样一个特殊的日子里，让我们走近风云系列气象卫星，对比中外气象卫星发展潮流，了解这些建功累累的功勋们吧。据中国气象局消息，2024 年 6 月 28 日，风云三号 F 星通过地面和应用系统在轨测试总结评审和业务试运行，具备正式业务运行的条件。2024 年 7 月 1 日，F 星正式投入业务运行。
图片来源：中国气象局
按照运营方的计划，风云三号 F 星将取代风云三号 C 星，因为后者自 2013 年就开始进入轨道运行，算是目前仍然运行的风云系列卫星中“星龄”比较大的，被更先进的三号 F 星取代属于正常的更替。
风云系列气象卫星在轨示意图
（图片来源：世界气象组织）
风云三号气象卫星示意图
（图片来源：CGTN）
大气研究具有全球性
以上提到的风云三号 F 星和风云三号 C 星都属于气象卫星。顾名思义，气象卫星就是进行气象观测的人造卫星，本质上是个集成度较高，可通过多种方法观测大气现象的轨道气象站，不易受到自然条件和地域条件的限制。
目前在轨运行的风云系列卫星，主要有地球静止轨道和太阳同步轨道两种，风云三号F星则属于太阳同步轨道。这两种轨道各有特点，因此适用于不同尺度的天气系统。
太阳同步轨道可实现对全球气象的观测。首先，它的轨道面与太阳光照射方向的夹角在运动过程中始终不变，这一特点有利于对地观测，同时也能保证太阳电池帆板始终转向太阳，获得稳定的能量。另外，该轨道绕过地球两极，结合地球本身的自转，便可获得全球大气变化的实时情况。但不足之处是，对同一地区的观测存在较长时间的间隔，无法满足对中小尺度天气系统的跟踪监测。
而地球静止轨道则没有这样的问题，卫星在地球静止轨道上运行与地球自转同步，可长时间对某个地区的天气进行连续观测，对应的是中小尺度的天气系统。
但不论我们生活在何处，都属于同一个地球生态系统，这也意味着局部气象不可脱离整体而谈。因此，大气观测与研究具有全球性的特点，这也是为什么我们国家不仅有可观测全球大气活动的太阳同步轨道气象卫星，也有专注观测我们所处地区的静止轨道气象卫星。
举个例子，著名的厄尔尼诺现象影响全球，起因却要从沿南美洲秘鲁海岸和赤道东太平洋说起。这里的海水温度异常升高，进而导致全球大气环流出现明显变化，最终造成东亚、东南亚、澳大利亚、美洲等出现区域高温干旱或者洪涝。
我国多位学者发现，不同类型不同强度的厄尔尼诺有较强的季节演变特征，对我国降水汛期、大气环流等都会产生影响，甚至可影响我们云贵川等地的森林防火情势，因此我们国家对气象卫星的研发一直保持较高的重视和投入。
气象卫星的轨道示意图
（图片来源：springer）
“风云”系列气象卫星家族的特点
我国气象卫星目前已经发展到第二代。其中，风云一号和二号系列是第一代气象卫星，它们分别是太阳同步轨道卫星和地球静止轨道卫星。一号和二号系列实现了气象、海洋、空间环境的综合探测应用，可获得高精度的观测图像，一代气象卫星的出现说明我们已掌握研发气象卫星的多项核心技术。
风云三号和四号系列则是我国第二代气象卫星，分别对应着太阳同步轨道和地球静止轨道。与一代相比，它们在性能方面当然有了较大幅度的提升，实现了从紫外、可见光、到红外、微波等多波段的综合观测能力，也是目前我国气象卫星的主力。
至此，两代、四型一共 21 颗气象卫星的风云系列家族形成了。风云二号F星已在 2022 年完美收官，运行十年获取 14.4 万余幅云图，专注观测台风、强对流天气。最新的风云三号F星将接替风云三号 C 星，F 星搭载了 10 台先进仪器，可实现全谱段、定量化观测。
风云三号 C 星退役后，风云二号系列还剩 2 颗，与风云三号和四号系列一同形成了第二代风云气象卫星观测系统。
风云系列气象卫星
（图片来源：中国气象局）
风云系列与气象卫星
的发展趋势
在发展中，风云家族也出现了新的特点。
风云三号系列本应该是太阳同步轨道卫星，但是 2023 年 4 月发射的风云三号 G 星却是第一颗非太阳同步倾斜轨道卫星，轨道高度约 407 公里。
三号 G 星的定位是中国首颗低倾角轨道降水测量卫星，专注监测灾害性天气系统的降水，主载荷是降水测量雷达，可展示不同层次降水的三维立体结构。这展现出了气象卫星在气象观测的细分领域更加垂直的发展趋势。
此外，三号 G 星将与其他风云系列卫星进行在轨组网观测，这使得预报精度和时效得到提升和延长。组网观测需要多颗气象卫星共同实施，可以发挥出不同轨道、不同卫星平台的优势，实现优势互补，展现更高的时空分辨率，这对气象预报、预测而言至关重要，这也说明风云系列在体系观测方面不断成熟。
我国风云气象卫星对气溶胶的监测
（图片来源：CCTV）
早期风云气象卫星，强调的是一星多用，突出综合观测能力。但防灾减灾等具有突发性特征的事件，需要高时效的观测，多星体系观测则可以实现对特定区域高频次的访问，发挥不同类型卫星的优势，是气象观测发展的趋势之一。
风云三号F星正式投入业务运行后，由于其作为太阳同步轨道上午星，也将与 D（下午星）、E（黎明星）、G（降水星）组网，形成四星联动观测，这也是目前我国气象卫星组网观测的最强阵容，对实现更精密的气象观测有重大的意义。
同时，随着 AI 技术的发展，将人工智能应用到气象卫星观测领域将会是下一个重大技术变革。AI 大模型可以快速处理和分析大量的气象数据，显然比传统的分析和预报模式响应更快。如果让 AI 学习观测地区的历史气象数据，完全能够结合当下的最新数据，进一步提高预报的准确性，所以垂直化、体系化、智能化则是气象卫星接下来的发展趋势。
风云4A对地球的观测
（图片来源：NSMC风云气象卫星官网）
美欧气象卫星的新特点
美国的气象卫星也有两个系列，分别是 NOAA 极地轨道系列，以及 GOES 静止轨道系列，还有 DMSP 国防气象卫星、美国空军所有的气象卫星，共 18 颗左右。美欧对气象卫星的发展极为重视，甚至将其纳入国防领域。
美国的下一代 GeoXO 气象卫星提出“由三颗静止轨道卫星组成一个星座”的概念，新的气象卫星将侧重于功能细化方面的提升，比如首次新增了对沿海生态系统进行观察的模式，可实现监测空气中的有害污染物，监测野火、烟雾、灰尘、火山灰等，以及提供环境预警。
欧洲哥白尼计划的卫星
（图片来源：ESA欧洲空间局）
欧洲的气象卫星分为地球静止轨道和极地轨道。由欧洲气象卫星组织运营的 Meteosat 系列卫星就是处于地球静止轨道，极地轨道则是 Metop 系列，最新的 Metop SG-A 计划在 2025 年左右发射。
除了观测气象外，该卫星还对大气臭氧、其他微量气体分布进行测量。欧洲气象卫星组织还参与实施对地观测计划，正在实施的是哥白尼计划，又称为全球环境与安全监测计划，通过发射哨兵系列卫星，对陆地、海洋进行观测。
显然， 气象卫星的功能开始丰富，从传统的降雨等气象观测，发展到对大气环境污染物要素的观测，同时兼容了海陆观测能力，将大气与海洋同时并入观测。
风云三号F星已经实现了类似的功能，提高了对臭氧、二氧化硫等平流层和对流层大气成分以及地球辐射收支能量的探测能力，从而在生态环境监测和综合防灾减灾等方面有了一定提升。这也意味着观测参数将种类更多、更复杂，因此不可避免地需要 AI 分析，从而通过更复杂的气候预测模型来预报天气。
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出品丨科普中国
监制丨中国科普博览
作者丨川陀太空 科普创作者
责编丨何通
审校丨徐来 林林
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