晨昏軌道衛(wèi)星的氣象應用需求分析

張鵬 楊磊 谷松巖 胡秀清 吳曉京 吳榮華 畢研盟 劉誠（國家衛(wèi)星氣象中心，中國氣象局，北京 100081）

晨昏軌道衛(wèi)星的氣象應用需求分析

張鵬 楊磊 谷松巖 胡秀清 吳曉京 吳榮華 畢研盟 劉誠
（國家衛(wèi)星氣象中心，中國氣象局，北京 100081）

晨昏衛(wèi)星（晨昏軌道極軌氣象衛(wèi)星，也簡稱晨昏軌道衛(wèi)星）是指太陽同步近極地軌道衛(wèi)星中軌道降交點地方時間（Equator Cross Time, ETC）在6∶00左右的衛(wèi)星，觀測地方時間總在凌晨和傍晚。在介紹晨昏衛(wèi)星的基礎上，分析了晨昏衛(wèi)星的平臺特征、觀測特點和潛在應用。對軌道模擬仿真和多國觀測系統(tǒng)試驗（observing system experiments，OSE）的分析表明：晨昏衛(wèi)星同上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星共同構成極軌氣象衛(wèi)星業(yè)務觀測系統(tǒng)，可以每6h提供一次無縫隙的全球大氣探測資料，改進NWP的初始場，對南北半球預報和行星尺度的區(qū)域預報均有積極的貢獻。利用FY-1D衛(wèi)星觀測資料的分析表明：晨昏衛(wèi)星對氣候和環(huán)境監(jiān)測也具有獨特的作用。根據(jù)現(xiàn)有風云氣象衛(wèi)星的發(fā)展規(guī)劃，還討論了發(fā)展晨昏衛(wèi)星的可能途徑。

晨昏衛(wèi)星，數(shù)值天氣預報，氣候監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測

0　引言

極軌氣象衛(wèi)星是全球氣象觀測體系的重要組成部分，它提供多光譜譜段、多探測通道的全球觀測資料，用于數(shù)值天氣預報（Numerical Weather Prediction, NWP）、全球氣候要素和環(huán)境災害監(jiān)測[1]。

根據(jù)觀測地方時間，極軌氣象衛(wèi)星主要有上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星兩種類型。上午衛(wèi)星的軌道降交點地方時間（Equator Cross Time, ETC）在10:00左右，觀測地方時間白天在上午、夜間在前半夜；下午衛(wèi)星的軌道升交點地方時間在14:00左右，觀測地方時間白天在下午、夜間在后半夜。目前，氣象業(yè)務中常用的上午衛(wèi)星主要有我國的FY-3A衛(wèi)星、歐洲氣象衛(wèi)星組織（European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites，EUMETSAT）的Metop-A和Metop-B衛(wèi)星，下午衛(wèi)星主要有我國的FY-3B衛(wèi)星、美國國家海洋大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的NOAA-15至NOAA-19衛(wèi)星和新一代極軌環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)先導計劃 （National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project，NPP）中的Suomi NPP衛(wèi)星[2]。此外，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的科學研究衛(wèi)星EOS系列中的上午衛(wèi)星Terra、下午衛(wèi)星Aqua、Aura、P

ARASOL、CloudSat和CALIPSO等以其先進的探測技術、穩(wěn)定的觀測質量和優(yōu)異的測量精度，在氣象業(yè)務中也被廣泛使用[3]。

極軌氣象衛(wèi)星的首要任務是為NWP提供滿足時間和空間要求的全球觀測資料，改善初始場，提高NWP的預報時效和精度。目前，歐洲和美國業(yè)務極軌氣象衛(wèi)星采用歐洲Metop衛(wèi)星負責上午軌道，美國NOAA和Suomi NPP衛(wèi)星負責下午軌道，雙邊全球資料業(yè)務交換和共享的協(xié)作組網(wǎng)觀測模式。我國的FY-3A衛(wèi)星軌道接近歐洲的Metop衛(wèi)星，F(xiàn)Y-3B衛(wèi)星軌道接近美國的Suomi NPP衛(wèi)星。上述衛(wèi)星觀測時間要么集中在10:00左右，要么集中在14:00左右，從NWP同化要求來看，每6h觀測同化時間窗內全球總有2～3條軌道的衛(wèi)星觀測空白區(qū)，無法提供全球覆蓋的初始觀測[4-5]。為了滿足NWP觀測需求，世界氣象組織（WMO）在《2025年全球觀測系統(tǒng)展望》報告中提出了建立上午、下午和晨昏軌道三顆衛(wèi)星組網(wǎng)觀測的概念[6]。

在介紹晨昏衛(wèi)星的基礎上，本文分析了晨昏軌道衛(wèi)星的平臺特征和觀測特點。利用軌道仿真模擬、國外觀測系統(tǒng)試驗（observing system experiments, OSE）和FY-1D的實際觀測資料，本文討論了晨昏衛(wèi)星對NWP的影響及對氣候和環(huán)境監(jiān)測的獨特作用。最后，根據(jù)現(xiàn)有風云氣象衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃，分析了研發(fā)風云晨昏衛(wèi)星的可能性。

1　晨昏衛(wèi)星介紹

晨昏軌道極軌氣象衛(wèi)星，簡稱晨昏軌道衛(wèi)星或者晨昏衛(wèi)星，是指軌道降交點地方時間在06:00左右的衛(wèi)星，觀測地方時間總在凌晨和傍晚（圖1）。相比上午軌道和下午軌道，晨昏軌道衛(wèi)星的觀測視場幾何條件、太陽對衛(wèi)星平臺的光照特點不同，因此需要對衛(wèi)星平臺、遙感儀器配置和遙感儀器具體技術指標開展針對性的設計。

1.1太陽對晨昏衛(wèi)星平臺的光照特點

晨昏衛(wèi)星沿觀測地方的晨昏圈運行（圖1），衛(wèi)星始終受到太陽光的照射并在衛(wèi)星平臺上形成穩(wěn)定的明暗邊界，衛(wèi)星一側始終背陽，另一側始終向陽，兩側溫度差異大，造成星上溫度梯度大。為了保障星上遙感儀器的工作狀態(tài)和工作壽命，需要對衛(wèi)星平臺進行針對性的熱補償和熱平衡設計，消除溫度梯度的影響。此外，還需要對星上遙感儀器進行嚴格的遮光設計，避免觀測信號受到太陽雜散光的影響，同時為星上定標系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的工作環(huán)境。

晨昏衛(wèi)星軌道平面法線總是指向太陽方向，衛(wèi)星太陽能帆板電池陣可以固定安裝，其擾動性對星體的影響較小，利于側擺機動控制和快速穩(wěn)定。此外，太陽能帆板電池陣始終朝向太陽，衛(wèi)星可以持續(xù)獲得能源補充。相對上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星，晨昏衛(wèi)星平臺可以提供更為充足的能源，有利于平臺上配置大功耗的主動和被動遙感儀器，如SAR、散射計和降水雷達等。

1.2晨昏衛(wèi)星的觀測視場幾何條件

晨昏衛(wèi)星觀測地方時間總在凌晨和傍晚，對地觀測時太陽高度角較小。圖2是降交點地方時06:00，高度830km的太陽同步軌道在2012年春分、夏至、秋分和冬至四天的第一條軌道數(shù)據(jù)及星下點太陽高度角分布情況。如圖2所示，軌道約有半數(shù)區(qū)域太陽高度角為負，表明晨昏衛(wèi)星觀測區(qū)域處于夜間，這些區(qū)域不能獲取傳統(tǒng)的可見光圖像。在夏季半球（夏至的北半球、冬至的南半球）的高緯區(qū)域，太陽高度角為正，其中，北半球高度角最大值出現(xiàn)在夏至這天，達到32°，地點在軌道最南端附近；南半球高度角最大值出現(xiàn)在冬至這天，達到15°，地點在軌道最北端附近。對于太陽高度角為正的區(qū)域，可以獲取可見光圖像，但相對于上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星，太陽高度角依然較低，斜長的大氣路徑衰減了太陽入射能量，光照條件不好。對于利用反射太陽波段能量開展定量遙感的算法要求較高的太陽高度角，因此很難利用傳統(tǒng)的反演算法定量處理晨昏衛(wèi)星的可見光觀測資料。

衛(wèi)星紅外和微波大氣探測，例如風云三號（FY-3）的紅外分光計（InfraRed Atmospheric Sounder, IRAS）、微波溫度計（MicroWave Temperature Sounder, MWTS）和微波濕度計（MicroWave Humidity Sounder, MWHS），利用地球發(fā)射的紅外和微波輻射反演大氣的溫度和濕度廓線[7]。紅外和微波觀測不受太陽光照條件的影響，因此晨昏衛(wèi)星裝載的氣象遙感儀器首選紅外和微波大氣探測類儀器、主動遙感儀器，其次是具有微光夜視功能的可見光成像儀器。

2　晨昏衛(wèi)星的應用需求分析

2.1三星組網(wǎng)在6h同化窗內的全球資料覆蓋度分析

圖3a～3e分別給出了上午衛(wèi)星、下午衛(wèi)星、晨昏衛(wèi)星、上午和下午衛(wèi)星雙星組網(wǎng)、三星組網(wǎng)觀測后，極軌氣象衛(wèi)星在6h同化窗內觀測資料的全球覆蓋度。單星6h可以觀測全球45%左右的區(qū)域，雙星6h可以觀測全球85%左右的區(qū)域，三星6h可以觀測全球的全部區(qū)域。對比圖3d和3e可以看到，晨昏衛(wèi)星觀測主要補充了太平洋和大西洋上空的觀測資料，海洋上空是常規(guī)氣象觀測缺乏的區(qū)域，這些觀測資料的補充對改進和提高NWP的預報精度和預報時效將產(chǎn)生積極的影響。

2.2三星組網(wǎng)對NWP預報的影響

英國氣象局Eyre等[8]系統(tǒng)地回顧了已有的OSE和觀測系統(tǒng)模擬試驗（Observing System Simulation Experiments, OSSE），指出晨昏衛(wèi)星觀測有效補充了上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星在NWP每6h同化窗內衛(wèi)星觀測資料的空白，對南北半球預報和行星尺度的區(qū)域預報均有積極的貢獻。Eyre等[8]使用了歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的Jean-Noel Thepaut和Graeme Kelly利用美國NOAA系列的NOAA-15（07:30 am）、NOAA-16 （13:30 pm）和NOAA-17（10:00 am）三星組網(wǎng)觀測資料對NWP預報的影響評估結果（圖4），試驗中，控制試驗使用了NOAA-15和NOAA-16兩顆衛(wèi)星的資料，影響試驗使用了NOAA-15、NOAA-16和NOAA-17三顆衛(wèi)星的資料。同雙星觀測資料的預報相比，對南、北半球預報，三星組網(wǎng)的觀測資料對7d的預報（圖4a和4b）有不同程度的改進，其中北半球的改進程度更為明顯；對歐洲和北美洲的區(qū)域預報，三星組網(wǎng)觀測資料對歐洲4d之內的預報有所改進，對北美洲7d之內的預報有大幅提升。對區(qū)域預報改進的程度主要與資料同化時間窗內觀測資料的補充區(qū)域和資料質量有關，我國的天氣系統(tǒng)受印度洋、太平洋上空大氣環(huán)流的影響，同北美洲的天氣預報有類似可比之處，因此可以估計，晨昏衛(wèi)星的資料對包括中國在內的東亞地區(qū)天氣預報會有較大的提升和改進。

2.3晨昏衛(wèi)星的光學圖像應用分析

受凌晨、傍晚光照條件差的影響，晨昏衛(wèi)星的光學圖像應用能力受到限制。盡管如此，高緯度地區(qū)在適當?shù)墓庹諚l件下仍然具有一定的光學成像能力。同上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星相比，晨昏衛(wèi)星觀測時太陽高度角低，地形和云頂高度的幾何特征更為明顯，利用晨昏衛(wèi)星光學圖像的這種特征可以在晨霧、臺風、強對流的監(jiān)測和分析中開展獨特的應用。

FY-1D是第一代風云極軌氣象衛(wèi)星的最后一顆衛(wèi)星，成功發(fā)射于2002年，隨著衛(wèi)星軌道的飄移，目前的軌道降交點地方時在5:30左右，盡管受到壽命期內儀器性能衰減的影響，其觀測數(shù)據(jù)仍可較好地展示晨昏衛(wèi)星光學圖像的一些獨特應用。

圖5是利用FY-1D（晨昏衛(wèi)星）、FY-3A（上午衛(wèi)星）和FY-3B（下午衛(wèi)星）的掃描輻射計（Visible and Infrared Radiometer, VIRR ）制作的高緯度春季的三通道彩色合成圖，其中紅通道利用通道6（短波紅外1.6μm）、綠通道利用通道2（近紅外）、藍通道利用通道1（可見光）的數(shù)據(jù)。RGB彩色合成圖中，白色為水云、青灰色為積雪或者冰晶云、綠色為植被，三張RGB彩色合成圖均能提供水云、冰云/積雪、植被的信息。對比上午圖像5b和下午圖像5c，從圖5a中可以看到云在地球表面投射形成的暗長陰影區(qū)，利用云的投射陰影可以推導獲得云頂高度。根據(jù)云高信息，可以識別光學圖像中的對流云團和對流活躍區(qū)域，為天氣分析提供參考信息。

由于大霧天氣易出現(xiàn)于凌晨，晨昏軌道衛(wèi)星適合對大霧等災害性天氣的監(jiān)測。圖6是FY-1D和FY-3A掃描輻射計VIRR監(jiān)測的黑龍江北部霧區(qū)效果圖，F(xiàn)Y-1D圖像（圖6a）中大片的灰白色區(qū)域是夜間長波輻射冷卻作用在地表生成穩(wěn)定逆溫層中所形成的霧，圖中的霧有清晰的地表特征結構，靠近地表水體處，有與地形等高線匹配的枝杈狀結構；FY-3A圖像（圖6b）反映出，10:00以后，由于太陽升起地面逆溫層被破壞，霧逐漸消散。所以，晨昏衛(wèi)星能夠有效觀測到每日凌晨開始形成并于清晨達到最強狀態(tài)的霧現(xiàn)象。

2.4晨昏衛(wèi)星觀測的其他可能應用

很多國家和地區(qū)的天氣預報機構會在每天上班的開始時刻進行例行的天氣簡報，一般是在08:00地區(qū)的天氣預報。晨昏衛(wèi)星觀測可以使會商人員拿到時次最接近、資料最新的衛(wèi)星圖像和產(chǎn)品，對預報員的天氣預報提供有益的信息。

對氣候研究而言，地表溫度、大氣溫度、大氣濕度和降水等要素的日變化完整樣本非常重要。晨昏軌道衛(wèi)星將補充現(xiàn)有的上午和下午軌道系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)全球大部分地區(qū)在紅外和微波波段的每天六次測量，三星組網(wǎng)后可以顯著提升極軌氣象衛(wèi)星的氣候監(jiān)測能力。

在空氣質量監(jiān)測方面，由于晨昏衛(wèi)星的太陽仰角較低，因此不適宜開展紫外遙感觀測。但晨昏衛(wèi)星觀測時段，地表溫度和大氣邊界層溫度差異最大，有助于利用紅外發(fā)射原理開展對大氣中的CO和O3等痕量氣體的遙感觀測。此外，清晨時一般云量較少，絕對濕度較低，這也有利于空氣質量的監(jiān)測。其他的一些應用，可以參見WMO專門為晨昏衛(wèi)星觀測組織的專家論證報告[9]。

3　發(fā)展風云極軌晨昏衛(wèi)星的可行性

我國第二代極軌氣象衛(wèi)星FY-3A和FY-3B已分別于2008年5月和2010年11月成功發(fā)射，在遙感能力上實現(xiàn)了從單一遙感成像到地球環(huán)境綜合探測、從光學遙感到微波遙感、從千米級分辨率到百米級分辨率，以及從國內接收到極地接收的四大技術突破，完成了我國極軌氣象衛(wèi)星的升級換代和組網(wǎng)觀測，并在全球觀測體系中發(fā)揮著日益重要的作用[10-12]。

FY-3衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質量已經(jīng)經(jīng)過歐美數(shù)值模式檢驗并公認具有穩(wěn)定優(yōu)良的衛(wèi)星資料質量[13-14]，但是由于FY-3A和FY-3B衛(wèi)星同歐洲的Metop衛(wèi)星、美國的NPP衛(wèi)星觀測時間和區(qū)域重復，在歐美的全球數(shù)值天氣預報模式中僅作為業(yè)務同化資料的備份。與國外同期衛(wèi)星Metop和NPP相比，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星的全球觀測資料價值沒有得到充分的體現(xiàn)，業(yè)務地位有必要進一步提升。

表1　2011—2020年我國氣象衛(wèi)星發(fā)射計劃

在2011—2020年我國風云氣象衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃中[15]，還將發(fā)射五顆FY-3衛(wèi)星，如表1所示。原有規(guī)劃中，F(xiàn)Y-3后續(xù)衛(wèi)星為上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星交替配置，沒有考慮晨昏衛(wèi)星的設計。如需發(fā)展風云極軌晨昏衛(wèi)星，需要對原有的衛(wèi)星規(guī)劃進行適當調整，同時也需對原有衛(wèi)星平臺設計和星上遙感儀器配置進行技術調整。考慮到衛(wèi)星的工業(yè)研發(fā)周期，將原定2016年發(fā)射的風三上午衛(wèi)星調整為風三晨昏衛(wèi)星，技術風險相對較小，工程可實現(xiàn)性高。

4　結論

晨昏衛(wèi)星觀測有效補充了6h同化窗內衛(wèi)星觀測資料的空白，對南北半球預報和行星尺度的區(qū)域預報有積極的貢獻。晨昏衛(wèi)星彌補了全球觀測資料的不足，上午衛(wèi)星（10:00左右）、下午衛(wèi)星（14: 00左右）、晨昏衛(wèi)星三星組網(wǎng)觀測可以使6h同化窗內衛(wèi)星資料100%全球覆蓋，對4～7d 500hPa位勢高度的預報半球尺度（北半球）提高2%～3%，區(qū)域尺度（北美洲）提高2%～10%。此外，晨昏衛(wèi)星觀測將完善極軌氣象衛(wèi)星觀測體系，對天氣會商、氣候監(jiān)測、環(huán)境災害監(jiān)測、空氣質量監(jiān)測、太陽常數(shù)和空間天氣監(jiān)測等均具有積極的作用。

如果在我國FY-3后續(xù)衛(wèi)星中發(fā)展晨昏衛(wèi)星，將完善和豐富我國現(xiàn)有的現(xiàn)代氣象業(yè)務觀測體系，并使FY-3極軌衛(wèi)星資料具有自己的特色，在業(yè)務上形成同歐美衛(wèi)星的等價互補之勢。如果將2016年發(fā)射的上午衛(wèi)星FY-3E調整至晨昏軌道，可能面臨沒有上午衛(wèi)星觀測資料的風險，特別影響了原有上午衛(wèi)星的紫外觀測和光學成像能力。但權衡利弊，晨昏衛(wèi)星的應用效益和國際影響大于技術改動引起的風險。

將預計2016年發(fā)射的上午衛(wèi)星FY-3E調整至晨昏軌道，并對部分有效載荷進行技術調整，研制風險小，工程可實現(xiàn)性高。考慮到衛(wèi)星的研制周期，需要及早推動和開展風云衛(wèi)星規(guī)劃調整、極軌晨昏軌道衛(wèi)星立項論證和研制工作。

[1]Rao P K, Holmes S J, Anderson P K, et al. 氣象衛(wèi)星——系統(tǒng)、資料及其在環(huán)境中的應用. 許健民, 方宗義, 徐建平, 等譯. 北京: 氣象出版社, 1994.

[2]國家衛(wèi)星氣象中心. 風云衛(wèi)星發(fā)展研究年度報告. 北京: 國家衛(wèi)星氣象中心, 2013.

[3]劉玉潔, 楊忠東. MODIS遙感信息處理原理與算法. 北京: 科學出版社, 2001.

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[9]WMO. Assessment of the benefits of a satellite mission in an early morning orbit. Geneva: WMO, 2003. http://www.wmo.int/pages/ prog/sat/documents/CGMS_ LEO- TigerTeam-Final-Report-April-2013.pdf.

[10]楊軍. 我國“風云”氣象衛(wèi)星及其應用的回顧與展望. 航天器工程, 2008, 17(3): 23-28.

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[13]陸其峰. 風云三號 A 星大氣探測資料數(shù)據(jù)在歐洲中期天氣預報中心的初步評價與同化研究. 中國科學（D輯：地球科學）, 2011, 41(7): 890-894.

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[15]國家衛(wèi)星氣象中心. 2011—2020年我國氣象衛(wèi)星及應用發(fā)展規(guī)劃. 北京: 國家衛(wèi)星氣象中心, 2010.

Meteorological Requirements for the Early-Morning-Orbit Satellite

Zhang Peng, Yang Lei, Gu Songyan, Hu Xiuqing, Wu Xiaojing, Wu Ronghua, Bi Yanmeng, Liu Cheng
(National Satellite Meteorological Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081)

The early-morning-orbit satellite is one of the polar orbiting satellites whose local time of the descending node is around 6:00 A.M. The observing time is close to dawn and dusk. After the conceptual introduction, this paper analysed the characteristics of the satellite platform, the observing geometrical conditions of the early-morning-orbit satellite, and its potential applications as well. The results from the orbit simulation and the observing system experiments (OSE) indicate that the early-morning-orbit satellite together with the morning-orbit satellite and the afternoon-orbit satellite can provide the initial meteorological field for the numerical weather prediction (NWP) model without any blank left on the global scale every 6 hours so that the forecast period and the forecast accuracy can be improved for both the hemispheric and the regional scales. The images from FY-1D also show unique applications of the early-morning-orbit satellite on the climate and environmental monitoring. According the existing Fengyun satellite programme, the paper discussed the possible way of developing Chinese Fengyun early-morning-orbit satellite.

early-morning-orbit satellite, numerical weather prediction(NWP), climate monitoring, environmental monitoring

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.02.001

2013年8月28日；

2013年12月13日

張鵬（1970—），Email:zhangp@cma.gov.cn

資助信息：公益性行業(yè)（氣象）科研專項“風云三號晨昏軌道衛(wèi)星資料處理和應用關鍵技術研究”；風云三號氣象衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)工程