世界和我國氣象衛星數據共享服務現狀與展望

■咸迪　李雪　徐喆　錢建梅

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世界和我國氣象衛星數據共享服務現狀與展望

■咸迪李雪徐喆錢建梅

自1960年世界上第一顆氣象衛星升空以來，氣象衛星應用不斷深化，美國、歐洲、日本、俄羅斯、印度等先后建立了各具特色的氣象衛星應用服務體系，大大推進了衛星資料在氣象及相關領域的應用。我國氣象衛星和衛星氣象事業經過40多年的發展，已逐步形成以風云極軌和靜止兩個系列氣象衛星為主的氣象衛星觀測業務體系，為國家減災防災和應對氣候變化提供了有力支撐。通過風云一號、風云二號和風云三號衛星地面應用系統的建設，國家衛星氣象中心綜合利用CMACast、衛星直收站、地面寬帶網、業務內網和互聯網技術，逐步建成了一套天地一體化的氣象衛星數據共享服務體系。

我國氣象衛星數據共享服務主要經過三個發展階段。第一階段為20世紀80—90年代末，氣象衛星由初期的試驗衛星逐步轉入在軌業務運行，性能相對穩定，同時形成了包含大型計算機構成的地面資料接收處理系統，衛星數據主要用于大型科研項目以及對重大天氣和遙感事件的監測中，數據共享服務介質以磁帶為主；第二階段為20世紀90年代末至21世紀初，極軌衛星和靜止衛星的觀測方式、精度以及頻率都有了較大發展，使氣象衛星數據需求逐步擴大，并隨著計算機逐漸普及以及互聯網的出現，利用數據庫管理系統，也使共享服務手段得到提升，第一次建立起通過互聯網對指定用戶提供氣象衛星數據共享服務的平臺；第三階段為21世紀初至今，氣象衛星儀器和數量不斷增多，每日存檔數據量逐步增長至TB級別，公眾和專業人員對氣象衛星數據的需求不斷擴大，互聯網逐漸成為數據共享服務的主要手段。

到2014年，每日在國家衛星氣象中心存檔的衛星數據產品共計92類，數據量2.2TB，存檔總量達到6.5PB，其中風云三號衛星的數據量最多，占總存檔量的84%。

目前主要以美國、歐洲、日本和中國為主的國際氣象衛星數據共享機制已經日臻成熟，世界氣象組織（WMO）和地球觀測組織（GEO）在其中起到領導和協調的作用，并搭建了全球衛星數據和產品的共享平臺。

一、 國際氣象衛星數據共享情況

1.國際組織領導下的全球氣象衛星數據共享

WMO從2003年起開始建立一個通用、綜合、高效的信息服務平臺（WIS），用于支撐WMO各項計劃及各個成員之間的數據共享，WIS中的資料存檔服務中心（DCPC）承擔了包括氣象衛星的數據共享服務功能。GEO從2005年正式提出地球觀測數據衛星分發系統（GEONETCast）的概念，目前由中國氣象局（CMA）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）和歐洲氣象衛星應用組織（EUMETSAT）分別運營覆蓋全球的數據廣播分發系統（CMACast、GEONETCast Americas 和EUMETCast），借助通信衛星，把地基和空基觀測數據產品及時傳送給廣大用戶，目前已經擁有超過3000個用戶。

2.美國的公益性氣象衛星數據共享

美國在氣象衛星遙感數據共享方面一直走在世界前列，凡是政府資助產生的數據均采取“完全與開放”數據共享政策和公益性共享機制。美國通過多個政府機構，將采集的各類氣象衛星遙感數據和產品向全球開放，為全球科學工作者提供便利的數據服務。

美國國家航空航天局（NASA）的數據共享服務基于1990年成立的分布式動態數據中心（DAAC），目前共有12個數據中心，數據量每天都在大幅增長中，如 Terra衛星每天大約新增194GB的數據。用戶通過登錄任何一個DAAC的 EOS數據門戶網站（EDG），均可在一個統一的界面上搜索、訂購或下載數據。

NOAA負責運行管理多顆靜止和極軌衛星，國家環境衛星數據和信息中心（NESDIS）直屬于NOAA，負責提供由衛星和其他來源獲取得到的全球環境數據。

3.歐洲氣象衛星數據共享

歐洲的氣象衛星數據共享服務在歐盟的基本框架下，以EUMETSAT為主導，主要為歐洲各個成員國和科研業務用戶提供氣象衛星數據的共享，目前有兩種方式：EUMETCast廣播和EUMETSAT網站。準實時數據用戶可以通過搭建廣播接收系統，接收EUMETCast廣播的氣象衛星數據以及其他氣象資料，其他用戶通過EUMETSAT網站直接注冊用戶，并實現歷史數據的檢索和下載。

二、 我國氣象衛星數據共享狀況

1.氣象衛星服務數據和產品

經過40多年的發展，我國已經成功發射14顆風云系列氣象衛星，其中靜止軌道氣象衛星（風云二號）7顆，極地軌道氣象衛星7顆（其中風云一號4顆，風云三號3顆）。除此之外，國家衛星氣象中心還存儲了從20世紀80年代至今，接收處理的美國、日本和歐洲20多顆衛星的數據產品。隨著衛星儀器的時間分辨率、光譜分辨率和空間分辨率的逐步提高，數據產品種類越來越豐富，數據量也越來越多。到2014年，每日在國家衛星氣象中心存檔的衛星數據產品共計92類，數據量2.2TB（圖1），存檔總量達到6.5PB，其中風云三號衛星的數據量最多，占總存檔量的84%。

靜止和極軌兩個系列氣象衛星的數據產品根據衛星和儀器的特點不同而各具特色（表1）。我國第一代靜止氣象衛星風云二號共分為三個批次：01批衛星包括兩顆星FY-2A和FY-2B，屬于試驗型地球靜止氣象衛星；02批有三顆衛星FY-2C、FY-2D 和FY-2E，為業務型地球靜止氣象衛星；03批有三顆星FY-2F、FY-2G和FY-2H，主要業務定點位置在東經86.5°、105°和112°，實現了對歐亞大陸和太平洋中西部的覆蓋。風云二號衛星的數據產品以高時效、高時間分辨率圖像產品為主，主要用于天氣分析，特別是用于中尺度強對流災害性天氣系統臨近預警和預報，監視生命周期較短的中小尺度天氣系統等。我國極軌氣象衛星目前已經發展了兩個系列（風云一號和風云三號），風云一號共4顆衛星，FY-1D作為該系列的最后一顆業務衛星，已經于2012年停止運行。風云三號共分為三個批次，01批衛星包括兩顆星FY-3A和FY-3B，屬于試驗型極軌氣象衛星；02批包括兩顆衛星FY-3C和FY-3D，為業務型極軌氣象衛星；03批暫定為四顆衛星，在儀器性能和運行模式等方面將有更多改進。極軌氣象衛星具有全球觀測能力和高分辨率兩大特點，可以以比較高的時間頻次和分辨率觀測地球兩極地區，可以為中期數值天氣預報提供全球海溫、濕度、云和輻射等氣象參數，同時監測大范圍的自然災害、生態和環境變化，實現對全球變化的跟蹤和監測。

2.數據共享服務現狀和成果

天地一體化的數據共享服務體系利用現代化的通信、網絡和IT技術，通過通信衛星、氣象衛星自身、氣象寬帶網以及互聯網，為不同需求的用戶提供獲取氣象衛星數據的多種渠道：衛星廣播（包括直收站和CMACast）、專線網絡（中國氣象局地面寬帶網）、互聯網以及人工協議服務。

隨著數據共享服務體系的逐步完善，國家衛星氣象中心已經實現完全自動化的數據檢索共享系統，風云衛星遙感數據服務網（http://satellite.nsmc.org.cn）自2005年開通以來，逐漸受到廣大氣象衛星數據用戶的認可，已經成為中國風云衛星用戶獲取風云衛星數據以及相關衛星數據的主要途徑之一。每年對外共享數據超過400TB，為400多個各類國家、省部級項目提供氣象衛星數據支持。服務領域不僅主要包括國內外氣象、遙感、環境、航空航天、農林牧漁等傳統行業，同時也在建筑、電力、水利、汽車、石油、醫學、質檢等其他領域發揮重要作用。

網站注冊人數和數據訂單也逐年增多，2014年的訂單數（42284個），較2005年增長26倍。風云衛星數據得到廣大用戶的認可，在網站訂單的統計結果中，風云衛星數據的文件數占總體的97%，數據量占總數據量的90%。

3.用戶空間和行業分布

風云衛星遙感數據服務網通過全自動化的數據準備流程，在無人值守的情況下實現7×24小時的數據訂購和服務。截至2014年，網站注冊用戶已經超過3.3萬人（圖2）。國內注冊用戶分布在全國各地，包括港澳臺地區在內的所有省（市、自治區）。除此之外，來自全世界70多個國家的用戶也通過英文網站下載風云衛星遙感數據。

圖1　國家衛星氣象中心每日衛星數據存檔數據量（1998—2014年）

表1　靜止氣象衛星和極軌氣象衛星數據產品分類對比

根據現有用戶資料統計分析表明，網站國內注冊用戶主要來自于121個行業，其中47%的用戶來自于教育行業，這些用戶主要由高校教師、本科、碩士和博士研究生構成，專業以遙感和大氣科學為主；18.6%的用戶來自于氣象行業；14.9%的用戶來自于研究和試驗發展行業，即中科院、農科院等相關科研行業。電力、國家機構、生態保護、工程技術、電氣制造業和農業等行業也是主要用戶來源。

圖2　風云衛星遙感數據服務網國內和國際用戶分布

4.數據用途分析

經過多年的應用實踐和數據免費共享，氣象衛星數據逐步得到國內外用戶的認可，在氣象及相關領域中得到了廣泛應用（圖3），包括預報研究、遙感監測、生態環境監測、氣候變化研究、大氣污染防控、重大氣象服務和氣象要素特征分析等方面。

圖3　風云衛星遙感數據主要用途

5.衛星數據在科學研究中的應用

為了進一步跟蹤用戶對風云衛星數據在獲取、應用、質量等方面的需求，國家衛星氣象中心從2013年開始對網站用戶開展大范圍的用戶調查。通過分析2014年的調查結果，可知風云衛星數據已經在各類科研項目中得到廣泛使用，所有參與調查的用戶利用衛星數據在正式刊物上發表文章226篇，其中中文文章192篇，英文文章34篇，重點支持各類科研項目611個（表2）。

表2 風云衛星數據支持各類項目

三、 我國氣象衛星數據共享趨勢展望

1.衛星觀測能力不斷提高

隨著我國氣象衛星的不斷發展，衛星監測手段將更加豐富，時空分辨率和光譜分辨率均有所加強，同時衛星的壽命和運行成功率也隨之提高，可以為用戶提供更加精確、穩定的服務。

風云三號（03批）衛星在不斷改進現有儀器觀測性能的基礎上，還有可能增加降雨雷達衛星和晨昏軌道衛星。降雨雷達衛星可以克服雨量站和地基雷達的局限，實現對降水更準確的監測和預警。晨昏軌道衛星將完善和豐富我國現有的現代氣象業務觀測體系，可向我國的8點鐘會商業務及時提供微光、紅外和微波的綜合觀測信息，也可以在凌晨時刻提供針對臺風、暴雨和強對流等的衛星監測。

風云四號系列衛星將在未來兩年內發射，將提供更高時空分辨率的觀測數據，同時也提供了更加機動的區域掃描功能、閃電定位以及垂直探測的能力。

2.衛星遙感產品更加豐富

衛星遙感產品從定性分析逐漸發展為定量化遙感。隨著定位和定標技術的不斷發展，風云三號衛星地面應用系統將建立穩定的數據質量檢驗系統，可以為用戶定期提供風云衛星數據的質量檢驗報告，利用多源空基和地基探測數據提高風云衛星遙感產品的精度。產品內容越來越豐富，涵蓋大氣產品、溫濕度廓線產品、輻射產品、地表產品、海洋產品和大氣成分產品，在空間和時間上全面彌補地面氣象觀測站和雷達的缺陷。同時，也可以為數值預報提供更加豐富的衛星同化產品，提高數值預報的準確率。

3.天地一體化的數據共享服務體系日趨完善

隨著IT技術的迅猛發展，國家衛星氣象中心積極探索采用新技術實現氣象衛星遙感數據的快速服務和精細化服務，完善新一代天地一體化的數據共享和服務體系（圖4）。在數據可視化、數據分發以及遙感應用等方面不斷推陳出新。未來將在國家級層面，依托于海量分布式存儲與國家級CIMISS平臺，實現實時更新的風云衛星數據PB級全集（歷史數據與實時數據）直達用戶桌面共享。在省級層面，依托于天上衛星直接廣播、CMACast播發、地上CIMISS系統分發，實現內容互補、互為備份的實時衛星數據高效服務。國家級與省級衛星數據共享形成固化統一的衛星數據與定量產品編目結構，與衛星遙感應用平臺無縫連接，透明調用。同時不斷豐富衛星數據產品，借助互聯網和移動互聯網技術，搭建開放數據平臺，推進衛星數據的產業化發展。同時，氣象衛星遙感數據作為國家民用空間基礎設施建設的一部分，與陸地衛星數據中心、海洋衛星數據中心互相支持、互為補充、互為備份，共同推進遙感衛星數據資源的共享。

基于氣象衛星各種能力的不斷加強，國家衛星氣象中心通過后續氣象衛星地面系統工程建設，逐步形成以國家衛星氣象中心數據中心為主中心，建設一個數據備份中心，多個地域分中心的分布式天地一體化數據共享和服務體系。

4.服務手段趨于多元化

1）針對氣象行業用戶：借助氣象信息化建設，充分利用衛星廣播和地面專線，實現國省一體的衛星遙感數據服務，根據對靜止衛星和極軌衛星的不同需求，為MICAPS和遙感應用平臺提供及時、高效、專業的數據支撐；

圖4　天地一體化的氣象衛星遙感數據共享服務體系

2）針對專業用戶：大力發展國家民用空間基礎設施——氣象衛星數據中心，與陸地衛星、海洋衛星兩大數據中心互為補充，公開長時間序列衛星數據集，開放算法和數據集交流共享平臺，為國內外遙感專業用戶提供天地一體化的數據共享服務；

3）針對企業用戶：利用公有云等IT新技術，開放企業級數據檢索和可視化產品調用接口，通過支持若干個應用示范項目，為企業創新和萬眾創業提供豐富的衛星數據產品接入平臺；

4）針對公眾用戶：根據公眾需求，開發多元化的增值服務和產品，并開放數據接口，支持多樣化的客戶端平臺，建立可視化的演示平臺，同時與高校、公開課組織合作，加強風云衛星遙感數據的科普和培訓，讓更多的公眾了解衛星氣象知識；

5）針對國際合作用戶：加強與美國、歐洲、日本等國家以及WMO、GEO等國際組織的合作，以衛星廣播和國際交換為主，同時輔以公有云技術，為不發達地區和其他國際用戶提供風云衛星數據服務。

深入閱讀

馮筠,高峰,黃新宇.2005.構建天地一體化的全球對地觀測系統——三次國際地球觀測峰會與CEOSS.地球科學進展,12(20):1327-1333.

錢建梅,孫安來,徐喆,等.2012.風云氣象衛星數據存檔和服務系統.應用氣象學報,23(3):369-376.

施進明,錢建梅,林曼筠.2010.新一代遙感數據中心建設的關鍵技術.氣象科技,38(4):472-477.

楊軍，董超華,等.2011.新一代風云極軌氣象衛星業務產品及應用.北京:科學出版社.

張鵬,楊磊,谷松巖,等.2015.晨昏軌道衛星的氣象應用需求分析.氣象科技進展,5(2):6-12.

（作者單位：國家衛星氣象中心）