世界氣象組織全球綜合觀測系統(tǒng)（WIGOS）空間部分2040年遠景發(fā)展規(guī)劃的解讀

■張文建

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世界氣象組織全球綜合觀測系統(tǒng)（WIGOS）空間部分2040年遠景發(fā)展規(guī)劃的解讀

■張文建

由世界氣象組織（WMO）基本系統(tǒng)委員會牽頭制定的WMO全球綜合觀測系統(tǒng)（WIGOS）的2040年遠景發(fā)展規(guī)劃，需要對兩個方面開展預測，即預測氣象服務需求和預測科技發(fā)展進步。WMO期望該遠景發(fā)展規(guī)劃有助于各會員國提前預測氣象部門應對未來氣象服務需求所面對的挑戰(zhàn)，也期望全球航天機構及衛(wèi)星操作國在考慮制定本國的氣象衛(wèi)星和相關對地觀測衛(wèi)星遠景發(fā)展規(guī)劃時，充分考慮將WMO綜合觀測系統(tǒng)空間部分的遠景發(fā)展規(guī)劃作為需求牽引的指導。

1　引言

第17屆世界氣象大會（2015年）贊同由世界氣象組織（WMO）基本系統(tǒng)委員會（CBS）牽頭制定WMO全球綜合觀測系統(tǒng)（WIGOS）的2040年遠景發(fā)展規(guī)劃。這個新的遠景發(fā)展規(guī)劃應當作為WMO的綱領性指導文件，充分地考慮到2040年可能出現或演進的新的氣象服務需求（包括多種新的應用領域，例如氣候服務、空氣質量預報和監(jiān)測、水圈和冰雪圈的監(jiān)測服務需求等），并對到2040年的全球觀測系統(tǒng)格局和信息技術的發(fā)展進步進行預測。

WMO的第一個全球觀測系統(tǒng)（GOS）2015年遠景發(fā)展規(guī)劃于2002年發(fā)布，此后以此規(guī)劃為指導于2005年制定并發(fā)布了全球觀測系統(tǒng)演進發(fā)展實施計劃（EGOSIP）。2009年，WMO發(fā)布了全球觀測系統(tǒng)（GOS）2025年遠景發(fā)展規(guī)劃，并于2012年更新發(fā)布了新的全球觀測系統(tǒng)演進發(fā)展實施計劃（EGOS-IP 2025）。

本文主要闡述和解讀新的全球綜合觀測系統(tǒng)2040年遠景發(fā)展規(guī)劃的空間觀測系統(tǒng)（以下簡稱遠景發(fā)展規(guī)劃）。推動制定2040年遠景發(fā)展規(guī)劃的三個主要因素如下。

1）在WIGOS框架中設定規(guī)劃目標。需要特別提出的是，原來的2025年遠景發(fā)展規(guī)劃是針對全球天氣監(jiān)測計劃（World Weather Watch）下的全球觀測系統(tǒng)（GOS）的遠景發(fā)展規(guī)劃，主要以滿足天氣監(jiān)測為主，兼顧其他計劃。而2040年的遠景發(fā)展規(guī)劃是在WIGOS框架下。WIGOS包括了目前WMO的全部全球觀測系統(tǒng)，即世界天氣監(jiān)測計劃下的全球觀測系統(tǒng)、監(jiān)測全球大氣成分的全球大氣監(jiān)測計劃（GAW）、WMO水文觀測系統(tǒng)和正在建立的全球冰凍圈監(jiān)測計劃（GCW）等。全球空間天氣監(jiān)測也逐步成為WIGOS的一個重要組成部分。近年來WMO新發(fā)展的一些應用項目或計劃，其觀測需求并沒有包括在以前的2025年遠景發(fā)展規(guī)劃中，例如2009年啟動的全球氣候服務框架（GFCS），2011年啟動的全球冰凍圈監(jiān)測計劃（GCW），空氣質量的預報監(jiān)測，全球空間天氣服務需求等等。所以WIGOS框架下的2040年遠景發(fā)展規(guī)劃的范圍大大拓展了，其目的就是通過這個框架性的遠景發(fā)展規(guī)劃，滿足WMO全部計劃的觀測需求。

2）在對2040年空間技術進步預測的框架下設定目標。新技術的發(fā)展是漸進性的，包括新的遙感儀器、新的衛(wèi)星軌道概念、衛(wèi)星間的組網配合、星上數據處理和數據壓縮、新的數據傳輸手段等等。在過去數十年間一些研發(fā)衛(wèi)星計劃，例如全球熱帶降水測量計劃（TRMM）、全球降水測量計劃（GPM）、美國和歐洲相關國家的海洋觀測計劃等，都非常及時地響應了WMO的觀測系統(tǒng)遠景發(fā)展規(guī)劃，所以WIGOS的2040年衛(wèi)星系統(tǒng)遠景發(fā)展規(guī)劃，有意將這些衛(wèi)星系統(tǒng)納入WMO空間計劃的2040年業(yè)務系統(tǒng)協(xié)調之中。

3）由于氣象衛(wèi)星的高效益和對于社會公益事業(yè)的不可估量的貢獻，近年來已經有一些重要發(fā)展預示著全球氣象衛(wèi)星操作者進一步擴大的可能性。目前出現的氣象衛(wèi)星商業(yè)化發(fā)展的苗頭，既可望增強對全球氣象衛(wèi)星體系的貢獻，也帶來了國際協(xié)調和數據政策上的復雜性。

將新的全球綜合觀測系統(tǒng)遠景發(fā)展規(guī)劃設定在2040年，主要是因為氣象衛(wèi)星的發(fā)展越來越體現出長遠發(fā)展戰(zhàn)略指導的重要性，所以遠景發(fā)展規(guī)劃應該超前于目前世界主要空間大國已經基本確定的空間計劃，并應包括新的衛(wèi)星軌道的使用，可能的新興衛(wèi)星國家的加盟，以及業(yè)務衛(wèi)星與科學技術先導衛(wèi)星、商業(yè)衛(wèi)星的有機結合等等，以便體現出超前性和指導性。同時，遠景發(fā)展規(guī)劃應該既體現出雄心勃勃的發(fā)展氣勢，但又需考慮到技術實現的可行性。

2　2040年氣象業(yè)務服務需求預測

聯(lián)合國關于 2015 年后可持續(xù)發(fā)展議程綜合報告中提示的社會發(fā)展趨勢，WMO最新的發(fā)展戰(zhàn)略報告（2016—2019年）中提出的全球社會需求，以及聯(lián)合國其他相關組織（如世界衛(wèi)生組織，世界糧農組織等）的發(fā)展戰(zhàn)略和相關報告，為展望和預測2040年氣象業(yè)務和服務發(fā)展的需求提供了重要的參考依據。

1）氣象服務于減災防災。高影響天氣、海洋天氣、氣候和水文事件（風暴、洪水、干旱等）可在全球范圍造成災難性后果，可導致大量人員傷亡、流離失所和社區(qū)遭到破壞，造成的社會和經濟成本是巨大的，僅財政影響本身就十分可觀。從WMO發(fā)展戰(zhàn)略報告提供的1970—2009年期間每十年全球經濟損失總值（圖1），可以看出各類氣象水文災害造成的每十年經濟損失有明顯增加的趨勢。在過去十年間全球每年因自然災害帶來的保險損失約100億～500億美元。進一步提升氣象服務對于防災減災的貢獻可以更好地體現氣象服務的社會經濟效益。按災害類別劃分，風暴和洪水分別占據災害損失的第一和第二位，且明顯高于其他災害造成的損失。隨著氣候變暖造成極端天氣氣候事件頻次進一步增加且強度增大的總體趨勢，這兩個方面的防災減災氣象服務未來（到2040年）必定仍然是重中之重。

圖1　1970—2009年按災害類別劃分的每十年全球經濟損失總值，均調整到2011年的價值并以10億美元為單位（出處：WMO和CRED，2013年）

2）沿海和大城市氣象服務。到2040年全球人口將達到接近90億，其中估計有7億人生活在極度貧困中；目前全球有50%以上人口生活在城市地區(qū)，而到2040年居住和生活在城市中的人口將達到70%左右，且更多集中在沿海地區(qū)。這個趨勢表明，精細化的城市和沿海地區(qū)氣象服務將成為突出的氣象服務需求。

3）空氣質量預報和監(jiān)測服務。世界衛(wèi)生組織2014年報告指出，2012年有700萬人由于空氣污染過早死亡，其中在東南亞的中等和低收入國家和西太平洋地區(qū)尤其嚴重，而死于室內空氣污染和室外空氣污染的人數分別為330萬和260萬人。隨著人們對于未來提高生活質量的追求，未來空氣質量的預報和監(jiān)測必將成為氣象服務的重要需求之一。

4）氣象服務于經濟社會可持續(xù)發(fā)展。聯(lián)合國秘書長報告預測，2050年將有7.8億人口無法獲得清潔水；將有13億人缺乏電力供應等等。全球氣候服務框架確定的五個重點領域（農業(yè)、減災防災、水資源、健康和能源）基本涵蓋了國家可持續(xù)發(fā)展相關的氣候服務需求，明確了增強和全面改進氣候服務信息的重要性。隨著未來氣象服務的質量進一步提高和范圍的進一步拓展，必將為更多的國家經濟社會支柱產業(yè)（航空、交通、旅游、農業(yè)、商業(yè)、保險等）提供更好的增值服務。

3　2040年主要氣象服務領域發(fā)展預測及對氣象衛(wèi)星觀測的需求

3.1用戶需求增長的總體趨勢

目前WMO每個計劃對觀測系統(tǒng)發(fā)展需求的總體趨勢都是：更高，更快，更準。更高：希望觀測得到更高的空間分辨率和更高的光譜分辨率；更快：進一步加快觀測頻次和更快地獲取衛(wèi)星觀測；更準：即首先需要進一步提高觀測精準度（高精準度，高信噪比）以滿足氣候和痕量及污染氣體的觀測需求。

應用于氣候監(jiān)測和再分析，觀測精準性、連續(xù)性、長期穩(wěn)定性和完整性需求進一步提高，以確保長期基本氣候變量的觀測、變量產品的生成和基本氣候數據記錄長期連續(xù)性。需要在所有在軌衛(wèi)星上都設置測量參考標準，以支持業(yè)務輻射測量的校準，進而通過衛(wèi)星間的傳感器互定標系統(tǒng)達到整個星座測量的準確性和高度一致性。需要建立全球定標基準衛(wèi)星，并要求參考標準的精度儀器應覆蓋空間對地觀測所使用的全部光譜波段。

3.2天氣領域

3.2.1數值天氣預報

1）服務需求及發(fā)展前景預測

先進的全球數值天氣預報（NWP）模式可輸出長達15d的中期天氣預報，水平分辨率達到15～50km，垂直分辨率在地球表面附近達10～30m，在平流層為500～1000m左右。目前利用NWP的輸出預測極端天氣和氣候事件的成功率在逐步提高。基于集合預報的統(tǒng)計方法也越來越多地用于較長期的天氣預報。這種集合預報需要對NWP中所有輸入資料的不確定性有很好的了解。

參考美國國家航空航天局（NASA）地球科學展望報告和其他相關報告，預測2040年的NWP的一些需求指標如下：

? 7～10d的預報準確率達到90%以上；

? 可以常規(guī)發(fā)布7d的降水預報；

? 常規(guī)發(fā)布7d的區(qū)域強局地風暴預報，具有中等到較高的準確度；

? 提前4d預報洪水；

? 3d臺風（颶風）路徑預報精度達到75海里，2d臺風（颶風）強度預報精度（以風速為指標）達到9節(jié)（海里/小時）；

? 可以開展7/10d的空氣質量預報。

為滿足精細化氣象服務需求（大城市、沿海地區(qū)等），到2040年左右，全球NWP單模式的分辨率需要達到1km，集合預報模式分辨率需要達到5km，200個層次和100個診斷變量，非靜力和完全耦合模式、區(qū)域模式的分辨率甚至可以達到100m。

2）對于衛(wèi)星觀測的需求

NWP的準確度很大程度上取決于如何準確完整地估計大氣的初始狀態(tài)，為實現上述2040年需求指標，期望2040年氣象衛(wèi)星可以為全球NWP提供的關鍵大氣變量是（按重要性排序）：

? 衛(wèi)星觀測的三維大氣風場（從近地面層到平流層所有層面）和二維的地表氣壓場；

? 具有足夠垂直分辨率的三維大氣溫度和濕度分布（在對流層低層和多云的地區(qū)更重要）；

? 基于衛(wèi)星的降水估計和云參數；

? 海洋上層（0～500m）溫度和土壤濕度（對中期預報的后沿，即10～15d的預報更加重要）；

? 海冰和雪水當量；

? 氣溶膠和痕量氣體。

現代數據同化系統(tǒng)能夠有效地利用全球地面常規(guī)同步觀測和非同步（任意時間）觀測這兩種數據。常規(guī)觀測水平分辨率和覆蓋范圍有很大限制，但卻具有高精確度和高垂直分辨率的優(yōu)勢，由于是直接測量所需的模型變量（溫度、濕度、風等），所以觀測容易直接使用；衛(wèi)星探測數據是遙感觀測，提供了非常良好的水平分辨率和全球覆蓋范圍，但是垂直分辨率不高，觀測的是非模式直接變量，需要一種較為復雜的正演模式將其轉化為模式變量。四維變分同化使得我們可以從觀測的時間序列和高頻次觀測中（例如每小時觀測）獲得更多的大氣動態(tài)信息。

3.2.2臨近預報和短期天氣預報

1）服務需求及發(fā)展前景預測

一些與天氣有關的決策需要具有較高的空間和時間分辨率（高達1km，幾分鐘）的準確預報。臨近預報通常指未來0～2h，而超短期預報指2～12h。盡管人們追求“無縫隙”預報系統(tǒng)，但是應該指出的是，這些不同時段的預報對觀測資料的需求有很大不同。傳統(tǒng)上，臨近預報技術主要是根據觀測數據采用觀測外推法，現在正在發(fā)展的高分辨率區(qū)域數值天氣預報模式，且越來越有效地指導超短期預報。2040年臨近和短期天氣預報的服務需求指標預測如下：

? 提前6～12h有效地預報雷暴的發(fā)生區(qū)域（對流擾動）；

? 實時地監(jiān)測臺風和強對流系統(tǒng)的強度和路徑變化；

? 提前60分鐘預報龍卷風；

? 對局地災害性事件（森林火災、火山爆發(fā)、局地暴風雪、空氣污染、化學或放射性事故等）進行實時監(jiān)測和發(fā)展趨勢預測。

主要發(fā)達國家依賴其成熟完善的天氣雷達網和高分辨率數值預報模式的結合建成具有先進水平的臨近預報和超短期天氣預報系統(tǒng)。在沒有成熟雷達網絡的發(fā)展中國家和不發(fā)達國家，預報系統(tǒng)發(fā)展的條件受限。所以WMO鼓勵發(fā)展中國家發(fā)展基于衛(wèi)星資料和數值預報的“低成本”臨近預報系統(tǒng)。

2）對于衛(wèi)星觀測的需求

以觀測外推技術為主的臨近預報和超短期天氣預報，除了和NWP需求相同的氣象變量觀測（例如云和降水、三維風場、三維濕度和溫度場等）以外，還需要多一些關鍵大氣變量（如臺風和強對流系統(tǒng)的結構及環(huán)境場）和地表變量（如氣壓、風、能見度和污染天氣狀況、短波輻射、雷電、沙塵暴和火山爆發(fā)監(jiān)測）。指導臨近預報和超短期天氣預報用的高分辨率區(qū)域模式則需要更高空間分辨率的衛(wèi)星觀測和更高的觀測頻次，以滿足高分辨率模式快速更新循環(huán)同化的需要。

未來衛(wèi)星觀測支持臨近預報和超短期天氣預報的觀測重點的發(fā)展方向為：1）靜止軌道衛(wèi)星的多通道成像快速區(qū)域掃描觀測，需要的快速成像頻次在分鐘的量級上，空間分辨率在百米的量級上，通道應該在20個以上，這種能力的提高可以有效識別各種天氣和地表災害現象（洪澇、火災、滑坡泥石流等）。隨著全球下一代靜止氣象衛(wèi)星在未來5年相繼投入業(yè)務運行，其觀測能力已經比較接近上述目標，但是完全實現其目標可能需要期待更下一代靜止衛(wèi)星的發(fā)展。2）雷電觀測。過去的一些低地球軌道試驗衛(wèi)星已經證實了衛(wèi)星載荷監(jiān)測地面雷電現象的有效性。但是到目前為止，尚未實現地球靜止軌道衛(wèi)星對于雷電現象的觀測。目前一些空間大國即將發(fā)射的氣象衛(wèi)星（例如中國風云四號衛(wèi)星，美國GOES-R衛(wèi)星和歐洲的第三代靜止氣象衛(wèi)星MTG）都載有閃電成像儀器，空間觀測雷電的時代馬上就要到來。但是其探測精度和準確度、覆蓋范圍、時效和應用有效性需要經過實際應用得到證實，儀器也需要經過進一步改進和優(yōu)化才能滿足實際應用需求。3）攻克對臺風強度和強對流降水系統(tǒng)的直接觀測和預報的挑戰(zhàn)。目前對臺風強度的直接觀測和預報進展緩慢，主要原因是目前從靜止氣象衛(wèi)星軌道上只能進行紅外大氣探測和紅外可見光成像觀測，因而只能觀測云頂信息，并不能透過云頂實現對降水系統(tǒng)內部結構和強對流過程的觀測。極軌氣象衛(wèi)星雖然具有微波垂直探測和成像觀測能力，但是無論是覆蓋范圍和觀測頻次都不能滿足直接監(jiān)測的需求。

由于臺風強度和強對流降水造成的巨大經濟損失和社會影響，對臺風強度的監(jiān)測和提供預測所需重要數據仍是未來衛(wèi)星觀測系統(tǒng)發(fā)展的首要任務。未來可能的解決方案包括：1）實現極軌小衛(wèi)星群的微波組網觀測。如果最低要求達到每小時一次觀測的話，則需要均勻分布在極地太陽同步軌道平面上有12顆衛(wèi)星。如果和未來業(yè)務化的低傾角降水測量衛(wèi)星星座結合，則可以大大提高觀測頻次，但是需要充分協(xié)調和加強國際合作才能完成。2）開展靜止氣象衛(wèi)星軌道微波探測試驗和業(yè)務運行。由于靜止氣象衛(wèi)星的軌道高度是極軌（或低地球軌道）衛(wèi)星的約40倍，如果期望達到接近極軌的觀測需求和技術性能的話，其技術難度具有很大挑戰(zhàn)性。WMO大力鼓勵在靜止氣象衛(wèi)星軌道高度上開展高頻微波的重點區(qū)域探測，其技術前景可行，應用潛力巨大。更長遠的預期也可能是兩種體系的結合，取長補短，與目前靜止/極軌衛(wèi)星上的可見光紅外成像和垂直探測體系互補的方式相類似。

3.3氣候領域

3.3.1短期氣候預測和氣候服務

1）服務需求及發(fā)展前景預測

季節(jié)和年際氣候預測的物理基礎在于氣候的緩慢變化，例如海洋和陸地表面（包括冰凍圈部分）。其中利用大氣和海洋的耦合模式開展的ENSO和北大西洋濤動（NAO）的周期預測是目前最具有可預測性的季節(jié)性時間尺度相關的現象。

WMO發(fā)起的第三次世界氣候大會（2009 年8 月31 日—9 月4 日）呼吁制定全球氣候服務框架（GFCS），2012年WMO特別屆會通過了GFCS的實施計劃方案。方案包括了觀測監(jiān)測、模式發(fā)展、氣候信息系統(tǒng)和氣候服務界面等分系統(tǒng)。最終使氣候服務在許多社會經濟和氣候敏感部門應用產生服務效益。目前，全球氣候服務框架提出了五個重點服務領域，包括氣候為農業(yè)和糧食安全服務、減災防災、水資源、健康和能源，并提出了兩年、六年和十年的預期目標。可以預期，到2040年GFCS的業(yè)務化運行必將成為WMO的全球業(yè)務協(xié)調的重點之一（表1）。

表1　國際文獻提出的2040年短期氣候預測目標

2）對于衛(wèi)星觀測的需求

對于氣候模式的觀測需求來說，海洋和大氣海洋耦合模式的初始化使用了包括大氣和海洋的觀測數據。在氣候模式初始場數據的同化方法上，各業(yè)務中心采用的方法有很大差別。有些簡單的模式僅僅同化大氣風場的信息，而更復雜的模式則同化了地球下表面（土壤溫度）的信息和從衛(wèi)星觀測反演出的地形地貌和地球表面溫度的數據。對不同濤動的預測所需的主要觀測變量也可能是不同的。如何進一步發(fā)展耦合模式的同化技術，以便能夠最佳地使用觀測來改進模式的初始化場仍然是耦合模式發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。

GFCS所確定的五個重點領域對于觀測的需求尚在論證的初步階段。盡管全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）所確定的大部分基本氣候變量（ECV）和用于短期氣候預測的觀測都可以用于氣候監(jiān)測和服務，但是針對GFCS上述五個重點服務領域的業(yè)務服務，還應該明確提出有針對性的觀測需求，并且在監(jiān)測和預測產品的精度及時效要求方面提出明確的要求。短期氣候預測模式仍然是各類氣候服務的基礎業(yè)務平臺。目前季節(jié)預報模式初始化主要使用的是大氣和海洋表面溫度的觀測。對于先進的耦合模式的數據同化系統(tǒng)發(fā)展，下列數據是重要的：

? 海洋參數：海洋表面和下表面溫度，海洋鹽度，海冰（包括海冰覆蓋面積和海冰厚度）；

? 地表參數：土壤濕度，雪覆蓋面積和雪水當量等；

? 大氣和太陽：平流層狀態(tài)，太陽光譜輻照度。

而對于十年期的氣候預測模式初始化來說，海洋和大氣的再分析場是模式初始化的主要信息源，且用于后期驗證。十年氣候預測的關鍵觀測需求為：上層海洋溫度和鹽度（從表面到海洋表面下500m），海流，平流層狀態(tài)，海冰厚度，太陽光譜輻照度，土壤濕度和雪蓋等。

目前尚不能從衛(wèi)星上直接觀測的變量為：

? 海洋表面以下的溫度，鹽度和海洋洋流（目前主要依靠海洋浮標等就地觀測，空間分辨率和全球覆蓋不能滿足要求）；

? 海冰厚度和積雪厚度；

? 土壤濕度（盡管已經有了很大進展，土壤濕度仍處在試驗觀測階段）；

以上這些短期氣候預測所需要的重要變量，有待于2040年前新的遙感技術的出現，并在2040年前后達到可以實用的觀測效果。

3.3.2氣候系統(tǒng)觀測與監(jiān)測

1）服務需求及發(fā)展前景預測

氣候系統(tǒng)由大氣、海洋、陸地表面、冰雪覆蓋層和生物圈等五個部分組成，以各種方式影響著地球上的人類活動，包括水的供應、糧食生產、大氣空氣質量、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康，甚至人類遷徙。隨著2040年預計人口達到90個億，對于地球資源（水、糧食和能源等）的需求相應增加，全球變暖也不斷改變著地球氣候系統(tǒng)之間的聯(lián)系，使得對于地球氣候和環(huán)境的預測的不確定性增加，地球系統(tǒng)的準確預測變得越來越重要。在到2040年的未來二十多年中，我們必須超越目前的主要著眼于對地球系統(tǒng)的各個組成部分進行研究的基本立足點，把視點提升到將地球氣候作為一個整體系統(tǒng)（結合大氣、海洋、生物圈和固體地球）開展綜合觀測和模擬，以便達到能夠準確和定量地預測地球氣候系統(tǒng)的能力。這些預測能力將實現知情決策水平，進而提高生活質量、經濟的可持續(xù)發(fā)展以及全球社會穩(wěn)定。對于WIGOS的2040年發(fā)展的遠景規(guī)劃來說，觀測整個地球氣候系統(tǒng)是關鍵發(fā)展方向和難點。總體目標如下：

? 觀測整個地球氣候系統(tǒng)，以能夠從氣候各個組成部分的變化追蹤到對整個氣候系統(tǒng)的影響；

? 模擬整個地球氣候系統(tǒng)及其所有分系統(tǒng)（組成部分），使得氣候系統(tǒng)的任何分系統(tǒng)的變化可以預測；

? 不斷地改進對于整個地球氣候系統(tǒng)行為及其動態(tài)演變的描述，使其能夠更好地符合對于地球氣候系統(tǒng)的觀測；

? 實現對地球氣候系統(tǒng)的有效預測（包括對于預測的不確定描述），對經濟社會各有關方面的決策提供有實際應用價值的支持和服務。

2）對于衛(wèi)星觀測的需求

為響應第十六次世界氣象大會關于“建立從空間監(jiān)測氣候架構”的決議，由WMO、地球觀測衛(wèi)星委員會（CEOS）和氣象衛(wèi)星協(xié)調組織（CGMS）組成的特別工作組編寫了一個關于“建立從空間氣候監(jiān)測架構戰(zhàn)略”的報告，指出從衛(wèi)星觀測和監(jiān)測氣候系統(tǒng)存在巨大挑戰(zhàn)， 目前觀測的主要不足如下：

? 目前的許多用于監(jiān)測氣候系統(tǒng)的衛(wèi)星觀測儀器本來并不是針對監(jiān)測氣候所設計的，其觀測精度和穩(wěn)定性和同樣儀器在不同衛(wèi)星上的接續(xù)性和一致性都難以達到氣候系統(tǒng)監(jiān)測的要求；

? 目前大部分氣象衛(wèi)星序列沒有計劃確保連續(xù)穩(wěn)定運行達到氣候監(jiān)測所需要的時間序列，也沒有在某個重要氣候變量觀測儀器失效情況下的專門針對氣候監(jiān)測目的衛(wèi)星應急計劃（即衛(wèi)星系統(tǒng)之間的相互備份支持計劃）；

? 數據共享政策盡管最近已經取得很大的進步，但是和天氣觀測數據相比，對于氣候數據共享的重要性認識，和實現氣候數據交換的業(yè)務化尚未實現，需要更大努力；

? 氣候監(jiān)測需要加強建立包括終端到終端的氣候信息系統(tǒng)，從數據采集、數據質量控制、數據存歸檔、處理發(fā)掘，到再加工和氣候數據記錄生產準入等管理工作所需的系統(tǒng)建設。

遠景規(guī)劃提出了一個從空間監(jiān)測氣候的一個邏輯架構，即需要一個由業(yè)務和研發(fā)衛(wèi)星加上特殊任務衛(wèi)星相結合的星座，該星座應該在觀測氣候系統(tǒng)能力，觀測精度和持續(xù)性方面明顯超出目前的觀測能力，要承諾執(zhí)行長期和持續(xù)的氣候觀測，并保持廣泛的和開放的數據共享政策和應急計劃。進一步的計劃是，在全面評估觀測需求的基礎上，結合各國衛(wèi)星長遠發(fā)展規(guī)劃，制定和設計一個“從空間監(jiān)測氣候架構”的物理體系結構并制定出清晰的發(fā)展路線圖，作為遠景發(fā)展規(guī)劃的一個重要組成部分，以便WMO協(xié)調和幫助衛(wèi)星擁有國和有關單位實施和運行。

3.4大氣成分和空氣質量觀測

3.4.1服務需求和發(fā)展前景預測

第十七屆世界氣象大會通過了第46號決議案，要求WMO的所有會員國支持建立全球綜合溫室氣體信息系統(tǒng)（IG3IS）實施計劃，主要內容包括：1）支持進一步改進和發(fā)展全球溫室氣體溫室氣體（二氧化碳、甲烷等）、氣溶膠、臭氧和氧化亞氮監(jiān)測網絡；2）按照全球大氣監(jiān)測（GAW）計劃的質量保證原則，開展溫室氣體的觀測；3）在規(guī)定的時間內確保及時提交觀測數據以及元數據到WMO的專用數據和信息中心，元數據應該納入統(tǒng)一WMO全球綜合觀測系統(tǒng)數據庫。目前IG3IS實施計劃正在編寫中，但是計劃的實施需要更多年的努力。

剛剛通過的聯(lián)合國氣候變化框架公約巴黎大會（2015年）協(xié)議，顯示了世界各國政府更主動地參與努力限制和減少大氣中溫室氣體排放的決心。但如何客觀定量地監(jiān)測全球二氧化碳在不同地區(qū)的排放仍是一個懸而未決的事情。期望全球綜合溫室氣體信息系統(tǒng)作為一個獨立的基于科學觀測和分析的重要觀測與信息系統(tǒng)，用于獨立量化自然和人為的溫室氣體源和匯，提供可操作的信息，以幫助會員在增強的時空尺度上了解和管理溫室氣體收支，并可為會員提供相關政策方面可付諸于行動的信息。全球氣候服務框架的“健康”主題包括了對于空氣質量服務的需求。

3.4.2對于衛(wèi)星觀測的需求

目前全球大氣成分和空氣質量觀測的主要不足如下：

? 實地觀測站網的密度（包括陸地，海洋和自由大氣中）遠遠不足，從衛(wèi)星平臺上觀測溫室和污染氣體尚處在探索和初步發(fā)展階段；

? 不同尺度的觀測（如全球和區(qū)域觀測）和在不同介質中的觀測（如在大氣中觀測與二氧化碳分壓觀察室中觀測）之間的不兼容性；

? 在全球/區(qū)域和局地尺度的傳輸模型中，模式的復雜性和性能都不足。

以上的主要不足，使得無法充分地觀測到二氧化碳和甲烷的空間和時間分布，僅僅利用目前有限的幾個地面觀測站的觀測導致了全球分析的很大不確定性，嚴重地制約了對于全球碳循環(huán)的認知能力和對未來的氣候監(jiān)測預測能力。衛(wèi)星將是測量全球二氧化碳和甲烷的時空分布的最有希望的技術手段之一，有望改善對于這些氣體的源和匯估計的準確度。

衛(wèi)星觀測溫室和污染氣體尚在初步發(fā)展階段。在過去的二十年間，試驗了兩種探測溫室氣體（CO2和CH4）的衛(wèi)星儀器。第一種是熱紅外（TIR）高光譜探測儀，利用溫室氣體對于紅外通道輻射的吸收原理來探測溫室氣體的濃度分布，其代表儀器是裝載于美國地球觀測系統(tǒng)（EOS）上的大氣紅外探測器（AIRS），AIRS采用尖端的紅外分光光譜儀技術，有2378光譜通道，比以往的紅外探測器的光譜分辨率高100倍以上，可以測量溫室氣體和其他一些氣體（如臭氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和二氧化硫等）。第一顆衛(wèi)星于2002年5月發(fā)射成功，生成了月平均的全球一氧化碳、二氧化碳和甲烷分布圖。發(fā)現的主要問題是，該儀器對于二氧化碳和甲烷吸收靈敏度的峰值在中對流層（400hPa水平）。因此，所觀測到的氣體濃度的全球平均值分布與地面氣體排放的位置無法對應。

第二類型衛(wèi)星儀器是利用短波紅外（SWIR）觀測，其原理是用來測量在0.76、1.6和2.0μm由二氧化碳和分子氧所反射的太陽光，達到測量大氣溫室氣體的目的。典型代表儀器是裝載于歐洲環(huán)境衛(wèi)星（ENVISAT）上的掃描成像吸收光譜大氣繪圖儀（SCIAMACHY）。與熱紅外觀測溫室氣體技術相比，短波紅外觀測到的溫室氣體的豐度敏感區(qū)位于地球表面附近。由于CO2和CH4的源和匯主要來源在地表附近，所以短波紅外比長波紅外技術更適合用于溫室氣體的觀測。但是SCIAMACHY觀測和反演的精度（對于碳通量）不能達到精度（1%～2%）和準確度（－1.5%）的要求。

近期又有兩個專門用于溫室氣體觀測的衛(wèi)星成功發(fā)射。一個是日本于2009年1月發(fā)射的溫室氣體觀測衛(wèi)星（GOSAT），它配有兩臺儀器：熱紅外和近紅外傳感器碳觀測傅里葉變換光譜儀（TANSO-FTS）和云與氣溶膠成像儀（TANSO-CAI）。TANSO-FTS執(zhí)行從短波紅外到熱紅外的高光譜分辨率的測量（0.758～14.3μm），用于彌補僅僅長波紅外觀測的不足。另外一個是美國研制的在軌二氧化碳觀測臺（OCO）。其中第一顆衛(wèi)星2009年發(fā)射失敗，第二顆衛(wèi)星于2012年7月16日發(fā)射成功。衛(wèi)星設計壽命兩年，16天重復觀測周期。盡管宣稱這兩顆衛(wèi)星的載荷儀器都比第一代衛(wèi)星儀器（AIRS和SCIAMACHY）有很大提高，但是數據處理顯示儀器噪聲還是影響產品精度的主要原因。當然，如何提高空間分辨率以避免云和水汽的干擾，同時又不降低觀測的精度要求，仍然是未來此類儀器發(fā)展的挑戰(zhàn)。

從21世紀初開始，由于空氣污染問題日益嚴重地影響人們的生活，為了滿足實時監(jiān)測污染氣體的需求，一些航天機構開展了從衛(wèi)星上監(jiān)測大氣污染和空氣質量的試驗計劃，包括計劃于2018年發(fā)射的美國對流層排放和大氣污染監(jiān)測（TEMPO），計劃于2018年發(fā)射的韓國靜止衛(wèi)星平臺地球環(huán)境監(jiān)測成像光譜儀（GEMS）。計劃搭載于歐洲第三代靜止氣象衛(wèi)星上的歐洲哨兵4號（Sentinel-4）的紫外—可見光—近紅外探測光譜儀。這些衛(wèi)星儀器主要采用紫外和可見光近紅外高光譜探測技術，空間分辨率可以達到7～8km，可以實現每小時一次對于固定區(qū)域的觀測。相信到2040年此類技術和儀器可以完全達到業(yè)務化的要求。

4　2040年空間技術發(fā)展趨勢及滿足業(yè)務需求的可能性展望

4.12040年WIGOS 空間系統(tǒng)遠景發(fā)展規(guī)劃的基本思路

綜合上述不同領域的需求，WMO召開了2040年WIGOS 空間系統(tǒng)發(fā)展研討會，在WMO基本系統(tǒng)委員會衛(wèi)星專家組提出的建議的基礎上，提出了2040年WMO全球綜合觀測系統(tǒng)空間遠景發(fā)展規(guī)劃如下的4層體系結構。

4.1.1布局明確的業(yè)務骨干衛(wèi)星系統(tǒng)

這個骨干系統(tǒng)，具有確定的全球軌道布局和儀器配置，觀測技術明確，被定義為最基本和最底線的業(yè)務衛(wèi)星系統(tǒng)。它是建立在WMO會員國衛(wèi)星操作者莊重承諾的基礎上，也是當前CGMS每個成員國的目前業(yè)務衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷補充完善和發(fā)展演進到2040年的主要格局，是WMO衛(wèi)星計劃所協(xié)調和規(guī)劃的未來的骨干系統(tǒng)的集合。這個主干系統(tǒng)將得到各國政府的嚴格承諾和經費保證，以確保獲取WMO成員國和計劃所需要的“基本數據”，并確保此骨干衛(wèi)星觀測系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。到2040年此骨干衛(wèi)星系統(tǒng)應該比目前的業(yè)務衛(wèi)星系統(tǒng)有很大的改進和增強，主要應包括：

? 地球靜止軌道圈：提供常規(guī)多光譜可見光/紅外成像，紅外超光譜大氣垂直探測，紫外/可見/近紅外垂直探測（大氣成分和大氣污染監(jiān)測），閃電成像。

? 地球低軌道太陽同步軌道平面：在3個軌道平面（清晨/上午/下午）核心星座上攜帶高光譜紅外垂直探測儀，可見光/紅外成像儀（包括晝/夜微光成像），微波成像儀，微波垂直探測器，散射計等。在此基礎上再增加空間和時間均勻配置的另外三個太陽同步軌道衛(wèi)星，且這三顆衛(wèi)星上特別強調要攜帶微波成像儀和探測器（其他儀器配置可以有靈活性），和三個核心軌道星座形成最佳配置以實現全球降水、臺風和強對流監(jiān)測，同時提高整個極軌星座的可靠性和改進時間采樣頻次。

? 寬幅帶雷達高度計：可以是專門衛(wèi)星計劃，也可以搭載在其他低地球軌道衛(wèi)星上，實現海洋全覆蓋的高精度海面高度觀測。

? 全球降水測量雷達：由降水測量雷達、云雷達、微波探測儀和成像儀組成的傾斜軌道（地球低軌道）星座。

? 紅外雙視角成像儀：用于高精度海面溫度觀測。

? 低頻微波成像：在6.7GHz的微波圖像（用于全天候海面溫度觀測）和低頻微波成像（主要用于土壤濕度和海洋鹽度觀測）。

? 微波跨軌道垂直探測：主要用于獲取平流層和中間層大氣溫度廓線。

? 紫外/可見/近紅外探測儀進行星下點和臨邊探測：主要用于大氣成分觀測。

? 絕對校準的寬帶輻射計和太陽總輻照度（TSI）和太陽分光輻照度（SSI）輻射計：主要用于監(jiān)測太陽輻照度變化和地球大氣輻射收支測量。

? 無線電掩星探測：完全融入骨干星座，用于溫度廓線、濕度廓線和電子密度廓線探測。

? 高分辨率的多光譜可見光/紅外成像儀：主要用于海色、土地利用、植被和洪水監(jiān)測。

? 合成孔徑雷達圖像：用于海況和海冰、土壤濕度觀測等。

? 重力測量任務：主要觀測地下水、海洋參數等。

? 空間天氣觀測：在拉格朗日點（L1）包括太陽日冕儀和無線電光譜儀，太陽風原位等離子體和高能粒子和磁場觀測。

? 空間天氣觀測儀器包：搭載于靜止衛(wèi)星軌道（GEO）和地球低軌道（LEO）的測量等離子體、高能粒子和地球磁場的儀器。

? 在軌儀器定標標準：包括紫外、可見/近紅外、熱紅外、微波絕對校準測量參考標準儀器，用于全球衛(wèi)星定標和互定標標準。

4.1.2開放包容的業(yè)務骨干衛(wèi)星觀測支撐系統(tǒng)

這個系統(tǒng)是布局明確的業(yè)務骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的重要支撐，也是為了提供必須的“基本數據”，但是卻以一種更加開放的方式來定義和接納它。包括并不預先確定采用什么觀測技術和使用什么軌道配置，具有靈活性，有利于計劃實施，以便及時地囊括最新技術使其融入到骨干系統(tǒng)中，達到進一步的系統(tǒng)優(yōu)化，包括：

? 地面風和海況觀測：例如通過全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)反射任務、被動微波、合成孔徑雷達；

? 通過紫外—可見光—近紅外（UV-VIS-NIR）和微波的平流層/中間層臨邊探測器；

? 激光雷達觀測風和氣溶膠廓線（利用多普勒和雙/三頻后向散射效應）；

? 激光雷達（DIAL）探測大氣水汽廓線；

? 激光雷達測量海冰厚度；

? 亞毫米成像探測云相位；

? 近紅外成像觀測二氧化碳和和甲烷等；

? 多角度、多極化輻射計探測氣溶膠和輻射收支；

? 高空間分辨率陸地或海洋觀測（多極化合成孔徑雷達、高光譜可見光圖像）；

? 高時間頻次微波探測（地球靜止軌道或低地球軌道星座）；

? 近紅外光譜儀測量表面氣壓；

? 大橢圓軌道連續(xù)可見光和紅外成像觀測（主要覆蓋和連續(xù)觀測北極和南極地區(qū)）；

? 太陽磁場，太陽超紫外/X射線成像儀和X射線輻射計，包括在地球與太陽線連線上（如L1點）和地球與太陽連線外（如L5、L4點上）；

? 太陽風等離子體、高能粒子和磁場觀測，太陽日冕與日光層成像觀測，磁層的高能粒子探測等。

4.1.3業(yè)務開拓者和技術或科學的示范系統(tǒng)

這個系統(tǒng)旨在主要為2040年以后的業(yè)務骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展演進開拓道路，例如：

? 增強大氣/電離層探測的掩星星座的新的衛(wèi)星加盟；

? 用于觀測植被的雷達和激光雷達；

? 高光譜分辨率的微波傳感器；

? 超越L1點外的日冕磁場成像儀和太陽風觀測；

? 電離層/熱層光譜成像儀，電離層電子和主要離子密度探測器。

本層次的計劃任務可以依托多元化平臺，例如使用小衛(wèi)星驗證和示范有關科學儀器或完成特定的科學任務，也可以作為衛(wèi)星應急計劃補充某個衛(wèi)星儀器失效產生的空白，甚至可以利用國際空間站驗證和演示某些科學儀器或觀測方法。

4.1.4其他補充觀測系統(tǒng)

這個系統(tǒng)將鼓勵和充分吸納由WMO其他會員國和第三方貢獻的衛(wèi)星，包括政府機構、學術團體或商業(yè)機構的貢獻。這個系統(tǒng)可能增強骨干系統(tǒng)的觀測，以提供更多的“基本數據”或“附加數據”。WMO會對此類觀測系統(tǒng)的貢獻方推薦有關標準和最佳實踐以便貢獻者考慮遵守，以促進此類衛(wèi)星系統(tǒng)對WMO會員國提供有價值的數據，并對骨干系統(tǒng)進行補充和增強。

4.2遠景發(fā)展規(guī)劃應關注的幾個重要趨勢

4.2.1氣象衛(wèi)星操作者從目前少數幾個國家為主，向更多操作者國家加入轉變

氣象衛(wèi)星操作者從20世紀60年代初的美國和前蘇聯(lián)兩個國家，逐步拓展到目前的包括中國、日本、印度、韓國和歐洲氣象衛(wèi)星組織在內的七個主要業(yè)務衛(wèi)星運行組織。已經可喜地看到：目前這些衛(wèi)星操作者的能力在逐步增強，基本上都已經從前期論證研發(fā)階段，發(fā)展到了成熟的業(yè)務制造和運行階段，衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)性都在增強，不斷提升WMO的空間觀測骨干系統(tǒng)。例如中國已經承諾承擔凌晨極軌氣象衛(wèi)星的軌道業(yè)務系統(tǒng)；歐洲氣象衛(wèi)星組織會員國聯(lián)盟的成員在逐年增加，其極軌氣象衛(wèi)星在同一軌道上已經實現接力飛行（即在同一軌道平面上兩顆衛(wèi)星間距10～20分鐘飛行觀測，既實現了在軌備份也增加了觀測頻次）。

展望2040年，期望并相信全球有更多的國家和航天組織加入氣象/環(huán)境衛(wèi)星操作者。根據前期的預研究并根據發(fā)展趨勢，預測可能性和潛力比較大的國家和項目如下：

? 加拿大極區(qū)通信和天氣衛(wèi)星（PCW）項目：加拿大航天局（CSA）與加拿大環(huán)境部（EC）、國防部（DND）和其他政府部門合作，于2008年9月完成了該項目的需求和概念階段論證研究（階段0），2001年接續(xù)完成了項目任務定義階段（階段1）的論證。這項研究論證的結果證明，可以運行兩顆高橢圓軌道（HEO）衛(wèi)星系統(tǒng)，這兩顆衛(wèi)星都攜帶三個主要載荷（Ka和X波段的通信轉發(fā)器，21通道成像光譜儀和一個空間天氣監(jiān)測儀器包）。對于極區(qū)來說，這種軌道其功能類似位于赤道的靜止衛(wèi)星，它可以提供北極地區(qū)連續(xù)24h寬帶通信服務，提供覆蓋全部北極地區(qū)的多光譜圖像用于高時間頻次（每15分鐘一次）和空間分辨率（1.5～3km）地監(jiān)測極區(qū)的高寒天氣和氣候變化，對于北極地區(qū)的空間天氣監(jiān)測將為航空航天安全提供很有價值的服務。這個項目的成功將大大彌補靜止氣象衛(wèi)星在緯度60°以上的地方空間分辨率迅速下降、緯度70°以上基本無法應用的空白，對于高緯度地區(qū)的天氣預報和氣候監(jiān)測業(yè)務和研究都會產生不可估量的貢獻。通信和空間天氣監(jiān)測功能也彌補了極地地區(qū)氣象數據收集和空間天氣監(jiān)測的空白。

? 非洲氣象衛(wèi)星計劃：在非洲第二次氣象部長峰會（AMCOMET-2，津巴布韋，2012年10月15—19日）上，通過了探索建立非洲氣象衛(wèi)星計劃的倡議。其后，這個倡議在2013年1月的非洲聯(lián)盟首腦會議上得到了大多數非洲國家元首和政府首腦的贊同，并進一步決定成立一個聯(lián)合工作組對此計劃開展可行性研究。

? 巴西的空間計劃基本涵蓋了全部空間技術和應用范圍。巴西航天局是拉丁美洲最大的空間組織，其2010年的預算就達到了2.1億美元。目前巴西擁有十顆以上衛(wèi)星，其中一半以上是由巴西國家空間研究院（INPE）設計并和工業(yè)部門簽署合同制造的。在地球觀測領域，從1984年開始，巴西與中國開始空間技術合作，并于1999年成功發(fā)射了第一顆中巴地球資源衛(wèi)星，目前已經成功地發(fā)射了四顆，對氣象防災減災作出了貢獻。巴西已經發(fā)射的一些衛(wèi)星上載有空間環(huán)境（天氣）探測儀器。巴西也是一個氣象災害頻發(fā)的國家，INPE是地球觀測委員會（CEOS）的正式成員，和巴西氣象局共同開展了許多氣象衛(wèi)星數據在防災減災領域的應用。目前美國的靜止氣象衛(wèi)星對于南美半球的觀測頻次不能滿足南美國家的需求，即使即將發(fā)射的美國新一代靜止氣象衛(wèi)星（GOES-R），除了正常觀測模式以外，其針對于災害性天氣事件的加密觀測模式僅僅適用于美國國內，沒有執(zhí)行美國國土以外的針對災害性天氣氣候事件的加密觀測機制。期望巴西和其他南美航天國家根據國家需求進一步拓展地球觀測使命并加入WMO空間計劃的協(xié)調。

4.2.2衛(wèi)星星座從以業(yè)務氣象環(huán)境衛(wèi)星為主，向業(yè)務衛(wèi)星加先進的研發(fā)衛(wèi)星系統(tǒng)相結合的多星座體系轉變

氣象衛(wèi)星發(fā)展的初期（20世紀60—80年代），是以研發(fā)衛(wèi)星為先導，然后將其成熟技術逐步轉移到業(yè)務氣象衛(wèi)星的發(fā)展模式。隨著天氣觀測衛(wèi)星技術和業(yè)務系統(tǒng)的成熟，加上地球氣候、海洋和環(huán)境觀測需求的驅使和航天先進技術發(fā)展的需要，在過去的20多年間，許多國家的航天機構（如NASA，歐空局，中國國家航天局，日本空間局等）相繼發(fā)射了一系列的先進的地球觀測衛(wèi)星（業(yè)界稱之為研發(fā)衛(wèi)星），是對業(yè)務氣象衛(wèi)星的重大補充，也對WMO的許多計劃（特別是全球氣候觀測計劃，全球大氣監(jiān)測計劃，全球氣候研究計劃等）和成員國的業(yè)務和科技發(fā)展作出了很大貢獻。期望到2040年，一些目前已經驗證成功地研發(fā)衛(wèi)星加入業(yè)務衛(wèi)星序列，而一些更加先進的研發(fā)衛(wèi)星計劃出臺，形成新的業(yè)務加研發(fā)衛(wèi)星共同運行的格局并能夠得到更加充分的國際協(xié)調并和諧發(fā)展。期待如下的成功研發(fā)衛(wèi)星星座轉入2040年業(yè)務體系：

? 全球降水觀測星座：從1997發(fā)射成功的熱帶降水測量使命（TRMM）和其后續(xù)的2014年2月發(fā)射成功的全球降水測量計劃（GPM），通過一顆核心觀測衛(wèi)星（裝載有一個主動探測雷達和一個被動微波輻射計及其他輔助測量儀器）和數顆載有微波探測器的極地軌道業(yè)務衛(wèi)星，以及其他地球軌道的試驗衛(wèi)星，目前已經開始試驗運行。但是TRMM一開始就被定義為試驗衛(wèi)星任務，其主要科學目標就是加強對熱帶的降水氣候和降水變率的認識，加上沒有業(yè)務應用的安排，加上主動探測雷達觀測范圍限制（200km掃描寬度），嚴重影響了實時業(yè)務應用效益的發(fā)揮。而GPM計劃接受了TRMM計劃的經驗和教訓，從一開始就定義其為業(yè)務前期試驗計劃，兼顧了科研和業(yè)務應用兩個方面，期望達到預期效果。NOAA已經表示了很強的興趣，在GPM成功后接手開展其業(yè)務模式概念的計劃。如何兼顧降水氣候研究/業(yè)務和災害性對流性天氣（包括熱帶氣旋、臺風、陸地強降水等）監(jiān)測預測的要求也是很大挑戰(zhàn)。中國風云氣象衛(wèi)星規(guī)劃中也有降水測量衛(wèi)星的序列。所以在2040年前全球降水衛(wèi)星星座加入全球氣象衛(wèi)星業(yè)務星座具有非常高的可能性和可行性。

? 全球大氣成分和空氣質量監(jiān)測星座：前節(jié)給出了2018—2019年間即將發(fā)射的幾顆監(jiān)測大氣污染的衛(wèi)星系統(tǒng)。這些衛(wèi)星雖然分別分布于歐洲、美洲和亞洲，但是均處于試驗階段，覆蓋范圍僅僅局限于這些發(fā)射衛(wèi)星國家國土及其周邊地區(qū)。期望到2040年這些儀器技術完全成熟，衛(wèi)星觀測范圍實現全球覆蓋，衛(wèi)星形成完整的星座并在WMO的協(xié)調下納入全球骨干業(yè)務衛(wèi)星體系。

? 美國、歐洲和亞洲的先進地球觀測衛(wèi)星：21世紀初開始，美國、歐洲和亞洲（以中國、日本和韓國為主）航天大國相繼發(fā)射了許多先進的地球觀測衛(wèi)星。以美國為例，NASA為開展地球科學研究（其中絕大部分是氣候科學研究），從21世紀初開始平均每年投入約20億美元發(fā)射了一系列先進的地球觀測衛(wèi)星。其中著名的發(fā)射成功的和即將發(fā)射的衛(wèi)星包括有：軌道碳觀測衛(wèi)星-2號（OCO-2），土壤濕度主動和被動觀測衛(wèi)星（SMAP），冰雪觀測衛(wèi)星1號和2號（ICESat-1，ICESat-2），氣候絕對輻照度和折射率觀測衛(wèi)星（CLARREO-1，以及下一個CLARREO-2，計劃2020發(fā)射），重力恢復和氣候實驗衛(wèi)星及其后繼衛(wèi)星（GRACE，GRACE-FO），平流層氣溶膠和氣體試驗衛(wèi)星(SAGE Ⅲ)，形變、生態(tài)系統(tǒng)結構和冰動力學衛(wèi)星（DESDynI）等。這些衛(wèi)星及其遙感儀器技術的成功及其后續(xù)計劃的持續(xù)發(fā)展，定會對未來2040年遠景發(fā)展規(guī)劃的技術實現做出巨大貢獻。

4.2.3 衛(wèi)星軌道從傳統(tǒng)的地球同步（靜止）軌道和近極地太陽同步軌道，向多種軌道平面轉變

典型的有望加入2040年骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的新的軌道類型，包括如上所述的全球降水測量星座主衛(wèi)星使用的是地球低傾角軌道（非太陽同步軌道，飛行高度407km，軌道與赤道平面夾角為65°）。加拿大極區(qū)通信和天氣衛(wèi)星（PCW）項目使用的是繞地球兩極飛行的大橢圓和大偏心率軌道。全球組網分布的GPS 掩星星座軌道，以及觀測太陽和空間天氣的拉格朗日點軌道等等。多軌道的好處是增加了整個星座的軌道多樣化，提高了整個衛(wèi)星體系的可靠性和互補性，同時也增加了觀測的頻次（特別是低傾角衛(wèi)星增加了熱帶和低緯度地區(qū)的觀測頻次），而大偏心率軌道增加了極地地區(qū)的觀測的頻次和全覆蓋觀測。

4.2.4衛(wèi)星遙感儀器從以被動遙感為主，向被動與主動遙感相結合轉變；從傳統(tǒng)的可見光紅外和微波光譜段觀測，向全光譜覆蓋和高光譜分辨率觀測轉變

從上述第一層的骨干衛(wèi)星系統(tǒng)和第二層的骨干衛(wèi)星支撐系統(tǒng)所提出的觀測儀器系統(tǒng)，可以明顯看出一些主動遙感儀器，例如衛(wèi)星高度計、降水測量雷達、激光雷達、合成孔徑雷達等主動遙感儀器將進入骨干衛(wèi)星系統(tǒng)，將大大拓展各類氣象和環(huán)境應用。從光譜方面，到2040年骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的遙感儀器將光譜覆蓋增加到從紫外到長波紅外，高頻微波（亞毫米波）到低頻微波（分米波）的全部波段。高光譜分辨率儀器將從目前的僅限于紅外波段儀器，拓展到在全部光譜頻段上均能夠開展高光譜分辨率觀測（包括高光譜分辨率紫外、可見光、近紅外乃至微波儀器），這將大大拓展和豐富所獲取的遙感信息。例如，紫外和可見光短波紅外波段的高光譜分辨率儀器將成為大氣溫室氣體和污染氣體監(jiān)測的主要和重要頻段。低頻微波和亞毫米波是目前業(yè)務使用的微波波段向微波頻率兩端的拓展，微波低頻段穿透性更好，應用于土壤濕度遙感、全天候海面溫度和鹽度觀測等，而亞毫米波對于云粒子敏感，可以探測云的相態(tài)信息，也可以用于靜止軌道的大氣垂直探測。工作在激光波段的各類激光雷達儀器將成為2040年氣象衛(wèi)星觀測載荷系統(tǒng)中的新的重要成員，有望獲取全球風場、大氣成分、氣溶膠和污染氣體監(jiān)測等。多角度、多極化觀測儀器將提供附加信息，更加有利于高附加值產品的生產和多領域的應用。

4.2.5衛(wèi)星地面系統(tǒng)從衛(wèi)星運行接收為主，向牽頭發(fā)展應用網絡和作為業(yè)主代表驗證衛(wèi)星投資效益轉變

地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)工程是高科技、高投入、高風險和高效益的系統(tǒng)工程。首先，空間系統(tǒng)的復雜性必將導致地面系統(tǒng)的復雜性的增加，先進的空間系統(tǒng)必然需要先進的地面系統(tǒng)來支撐（包括數據量的急劇增加、數據傳輸、預處理、產品生成和大數據管理的壓力等）。最終的投資效益體現在應用的效果上。全球地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)工程都要扭轉“重天輕地”的傳統(tǒng)投資理念，從衛(wèi)星規(guī)劃開始就將相關應用納入整體規(guī)劃體系。地面應用系統(tǒng)牽頭單位要主動協(xié)調全國乃至全球衛(wèi)星應用網絡的建設和發(fā)展，并通過應用不斷累積和統(tǒng)計，體現衛(wèi)星投資效益的應用領域的成果。通過應用及時反饋對于衛(wèi)星系統(tǒng)（包括軌道、儀器、數據獲取等）進一步改進的建議和舉措，是促進整體衛(wèi)星系統(tǒng)工程的健康和可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

5　遠景發(fā)展規(guī)劃中值得關注的幾個問題

1）數據獲取的及時性和數據管理

首先對于許多實時業(yè)務應用，數據獲取的及時性非常重要。對于用于臨近及短時天氣預報的靜止氣象衛(wèi)星來說，實時獲取觀測是最基本要求。對于數值天氣預報模式提供重要數據輸入的極軌氣象衛(wèi)星來說，數據越是接近實時，效果越好，其目標是在全球任何地區(qū)得到觀測后30分鐘內數據進入模式。目前許多全球數值預報中心已經從WMO協(xié)調的極軌氣象衛(wèi)星的“區(qū)域先進探測再傳輸服務”（RARS）及時獲得極軌衛(wèi)星探測數據而獲益（已經接近30分鐘的目標）。但是先進衛(wèi)星儀器系統(tǒng)隨著空間分辨率增高和儀器通道增多，加上觀測頻次提高，在過去的30年間，衛(wèi)星的數據量呈指數級增長，必將對未來數據通信（星—地間數據傳輸）和用戶端數據獲取帶來新的挑戰(zhàn)和壓力。例如，目前通過日本葵花8號衛(wèi)星的廣播分發(fā)系統(tǒng)（HIMAWARICast）獲取的衛(wèi)星數據延遲達數十分鐘以上，而通過地面網絡獲取數據受限于網路帶寬。期望到2040年信息技術和云技術的進一步發(fā)展，并采用衛(wèi)星上數據處理和壓縮技術等解決數據獲取的瓶頸。氣候業(yè)務和研究需要管理全部衛(wèi)星數據序列和定期再處理對地面系統(tǒng)的數據管理提出了挑戰(zhàn)。此外，未來的氣象衛(wèi)星觀測數據的時效性要求是否需要衛(wèi)星數據中繼等，都需要根據未來發(fā)展確定。

2）衛(wèi)星觀測與地面觀測的協(xié)調

目前的WIGOS 2040年遠景規(guī)劃的研討工作主要集中在空間系統(tǒng)，主要是空間系統(tǒng)需要更長時間的遠瞻性和計劃性。但是地面系統(tǒng)的遠景發(fā)展規(guī)劃是不可或缺的。即使從衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展的角度，特定的衛(wèi)星計劃都需要考慮如何充分利用地面的觀測來補足，包括地面系統(tǒng)作為真值驗證的觀測等，地面定標驗證系統(tǒng)等。最終的2040年遠景規(guī)劃應該充分地體現如何最佳地布局全球地面和空間觀測網絡實現最佳的全球觀測系統(tǒng)的投資效益。

3）無線電頻率的保護

隨著商業(yè)通信和地球觀測系統(tǒng)的發(fā)展，對于觀測頻率的爭奪日益激烈，觀測頻段的保護已經成為WMO和全部成員國的一項重大任務。特別在微波波段，由于和通信系統(tǒng)所使用的頻段重疊，造成微波探測頻段保護的巨大困難。應該大力擴大被動微波頻段對于地球觀測的重要性的宣傳。沒有頻率就沒有衛(wèi)星上的地球觀測，為整個人類謀福祉的事業(yè)，其重要性遠遠高于商業(yè)利益。

4）商業(yè)化氣象衛(wèi)星的補充作用

傳統(tǒng)上，航天公司都是作為政府的合同方承擔衛(wèi)星研制和發(fā)射任務，由氣象部門作為業(yè)務代表組織衛(wèi)星規(guī)劃，接收并運行管理衛(wèi)星和組織衛(wèi)星應用等。未來一些國家的氣象衛(wèi)星發(fā)展模式可能會發(fā)生改變，并導致部分氣象衛(wèi)星的商業(yè)化，一些商業(yè)衛(wèi)星公司認為新的衛(wèi)星數據政策可能誘發(fā)潛在的巨大經濟效益。NOAA目前發(fā)布了商業(yè)化空間政策，一些美國公司已經公布了他們的商業(yè)化氣象衛(wèi)星發(fā)展計劃，并宣稱將提供更加有應用實效且價格非常具有競爭力的衛(wèi)星數據和產品等。正面的看法是，商業(yè)行為引入競爭機制可能導致商業(yè)空間系統(tǒng)得到新的發(fā)展，進而增強全球空間觀測系統(tǒng)。但是目前尚沒有這樣用商業(yè)模式支撐全球公益事業(yè)發(fā)展成功的范例。我們應當預見其相關風險，并在以下幾個方面問題需謹慎處理：

? 商業(yè)化模式必將導致數據交換的限制，從而在整體上降低了數據的可用性（降低了應用效益）

? 處于商業(yè)機密保護的需要，用戶和國際協(xié)調機構可能無法獲取衛(wèi)星和儀器系統(tǒng)的詳細的技術規(guī)范，導致無法確保獲取儀器的可追溯性和可靠性信息

? 由于私營企業(yè)都有自己的市場目標，無法像政府機構那樣遵守國際承諾和約束，也無法參與WMO主持下的全球協(xié)調

? 商業(yè)計劃的短期行為可能產生一定的政治吸引力，但是卻對以滿足國家、區(qū)域或全球需求國家或區(qū)域組織（例如歐洲氣象衛(wèi)星組織）衛(wèi)星長期計劃規(guī)劃所必須的長期的籌資機制和決策過程產生負面影響

在這些機會和挑戰(zhàn)面前，很重要的是要確認這種商業(yè)活動健康并成功演進發(fā)展的先決條件和如何合理地納入國際體系。從WMO的角度，目前基本的估計是：政府主導的氣象環(huán)境衛(wèi)星在可以預見的未來仍是骨干系統(tǒng)，應該重申WMO會員國代表其政府機構對運行骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的政治承諾。即由政府機構或其他政府指定的代理機構，繼續(xù)承擔不斷發(fā)展和優(yōu)化骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的責任，包括對應用需求的滾動評估和對衛(wèi)星應急計劃的響應，遵守國際免費數據交換原則。而商業(yè)化的小衛(wèi)星系統(tǒng)可能提供一些補充或支撐觀測。

WMO第40號決議（CG-12）提供了一個有用的概念框架，從中可以找出公共機構和私人企業(yè)提供如何能相互補充數據：為了確保提供“基本數據”的自由，成員必須有一個WMO協(xié)調的，由政府控制骨干觀測系統(tǒng)，而商業(yè)運營商可以提供“額外的數據”以增強觀測系統(tǒng)。公共/私營伙伴關系可以結合這兩個方面，例如政府主導的衛(wèi)星項目提供免費共享的“基本數據”，以滿足由政府制定的公共服務目標；商業(yè)航天機構可以針對特定商業(yè)運營客戶群體提供和銷售“附加數據”服務。

6　結束語

需要強調指出的是，提前25年做遠景發(fā)展規(guī)劃是非常具有挑戰(zhàn)性的。首先需要準確把握對于到2040年經濟社會發(fā)展對于氣象服務的需求的預測，其次還要從氣象服務需求的預測中準確確定對于觀測的需求（包括氣象衛(wèi)星和地面觀測系統(tǒng)），最后也可能是最具有挑戰(zhàn)性的是對于觀測技術的發(fā)展的預測，即在多大程度上觀測技術的進步能夠滿足氣象服務對于觀測的需求。

遠景發(fā)展規(guī)劃目前尚在初期發(fā)展階段，須經多方咨詢和反復論證，最終目標是提交第18屆世界氣象大會（2019年）批準實施。期望本遠景發(fā)展規(guī)劃有助于WMO各會員國提前預測氣象部門響應未來氣象服務需求的挑戰(zhàn)，并考慮到航天發(fā)展的長期計劃特性，盡早提出和明確對未來空間觀測的需求。也期望全球航天機構及衛(wèi)星操作國在考慮制定本國的氣象衛(wèi)星和相關對地觀測衛(wèi)星遠景發(fā)展規(guī)劃時，確保充分考慮到WMO綜合觀測系統(tǒng)空間部分的遠景發(fā)展規(guī)劃需求牽引的指導。

（作者單位：世界氣象組織）