氣象風云多變換 理念創新得天下——2015年NOAA衛星大會評介

■賈朋群　張蕾

?

氣象風云多變換 理念創新得天下——2015年NOAA衛星大會評介

■賈朋群張蕾

一、引言：關于NSC

2015年4月27日到5月1日，2015 年NOAA（美國海洋大氣管理局）衛星大會（NSC）在馬里蘭州的Greenbelt成功舉辦。來自全球相關領域（氣象衛星信息的用戶和提供方）的650位學者報名參會，可謂盛況空前。為了配合這次大會的召開，從4月22日開始，衛星遙感跨機構工作組會議、GOES數據技術工作組會和NOAA GOES數據國際用戶培訓等在會前相繼舉辦，為大會的召開烘托了人氣，也增加了技術含量。

作為東道主，NOAA大約有200人參會，而NOAA的合約人和外圍機構的參會人員達到240人。在國際學者方面，包括中國在內的全球39個國家和地區的大約100人參加了會議。會議分5個板塊，安排了近70個報告，使得整個會議緊湊和內容十分充足。特別是，大會的主題定位于“準備未來的環境衛星”，使得大會成為各氣象衛星國和組織爭相展示未來氣象衛星全貌的舞臺。本文主要會議報告和會后動態，介紹大會折射的未來氣象衛星領域的新理念。

繼2013年4月成功召開首次NOAA氣象衛星大會（NSC）之后，2015年4月27日—5月1日，NOAA召開了第二次氣象衛星大會。因為這次會議到會專家廣泛、會議報告內容全面，使得這次會議成為具有全面當前和未來氣象衛星事業發展的良機。

2013年3月，第一次NSC召開，會后主辦機構還專門發布了會議總結報告，針對會議上代表們提出的34個涉及各衛星傳感器數據、培訓、數據管理等問題，發表了《2013年NSC行動和反饋》報告。2013年會議取得很好的效果，也讓NSC成為大約每2年舉辦一次的系列會議，當然，會議并沒有按照一般學術會議那樣，被冠以“XX屆”，而是用舉辦年區分，也許是為了具有更好的靈活性和時代感。

但是，無論NSC如何演進，從首屆會議確定的大會全稱，即“NOAA Satellite Conference(NSC)for Direct Readout,GOES/POES,and GOES-R/JPSS Users”（面向直讀以及GOES/POES和GOES-R/JPSS用戶的NSC）并沒有改變，也就是說NSC實際上是用戶大會。但是，從連續兩次會議結構上看，NSC倡導的是“氣象衛星信息的使用者和提供者的直接交流”，這也應該是NSC最顯著的標簽。此外，2015年大會還給出了一個“熱點主題（spotlight theme）”，即“為未來的環境衛星做準備（Preparing for the Future of Environmental Satellites）”，正是這一主題，也讓這次會議具有了“承上啟下”的意味，尤其值得關注。

二、當氣象衛星大踏步邁向高分辨時，會倒逼地面預報系統做出改變

美國天氣局（NWS）首席業務官員Murphy在開幕式上，做了論述衛星資料對NWS重要性的演講，他指出，雖然全球擁有35顆不同的環境探測衛星，但是天基探測和預測的能力卻出現弱化。面對政府預算的減少，天基設備的能力幾乎被全部挖掘出來，進一步的挑戰也就尤其尖銳。Murphy認為，傳統上，低軌（LEO，主要指極軌）衛星主要為NWP提供數據，而靜止衛星（GEO）擁有幫助預報員判斷天氣形勢的優勢。但是，目前二者的區別正在走向模糊。例如，低軌道衛星資料越來越多地被預報員利用，特別是在阿拉斯加州天氣和沿海風的預警方面；而靜止衛星上的一些探測資料，也通過不斷改進的數據同化系統，越來越多地在NWP中獲得應用。因此，兩個種類衛星的全面融合即是方向，也是氣象衛星界最重要的挑戰之一。Murphy分析了衛星快速探測獲得的資料，在進入延遲時間很長的數據同化過程后，其價值會大幅度降低。他因此提出2.5小時同化窗口的概念，希望通過更快速的更新盡可能避免因衛星數據的延遲使用限制激烈天氣預警的改進。

NWS代表的發言也向與會專家提出一個值得思考的問題：在進入高時空分辨的新一代天基觀測時代，如何確保所有資料最快速有效地被業務預報圈利用？要做到這一點，也許所有的地面系統要有所改變，至少要和天基觀測的節奏保持一致才行。

三、美國換代氣象衛星平臺初露端倪

2016年初發射升空的Jasson 3，宣告未來美國下一代氣象衛星即將登場。會上NOAA衛星和信息局長還直接宣告了到2017年NOAA另外3顆重要衛星的發射時間：GOES-R（2016年2季度，現改為10月份）、COSMIC-2a（2016年3季度）和JPSS-1（2017年2季度）。其中JPSS-1代表了重要技術改進，目前其搭載的VIIRS、OMPS-N、CrIS和CERES等儀器已經裝載完畢；而一再推遲發射的GOES-R，其性能更是成倍提高：譜信息的數量提高3倍，空間分辨率提高4倍，對高影響天氣系統的掃描速度提高5倍。可以說，上述衛星的發射和成功運行，加上之前已經升空的GPM和SMAP等衛星，將開啟NOAA氣象衛星的換代周期。

實際上，背負美國下一代靜止氣象衛星盛名的GOES-R，其換代的實質來自兩個關鍵傳感器：ABI和GLM。和以往GOES搭載的類似儀器不同，先進基準圖像儀（ABI）不僅是GOES-R系列衛星的基本儀器，其探測通道增加到覆蓋可見光和近紅外的16個通道（原為5個），前述的GOES-R主要性能數倍提高主要來自ABI。目前，世界上歐洲、日本和韓國等國家的下一代地球靜止氣象衛星，類似ABI的儀器幾乎成為標配，尤其是ABI與日本葵花-8衛星上的AHI相比，只是在2個通道上的波長不同而已。如果說ABI是對原載儀器的改進，那么，地球靜止閃電測繪儀（GLM）則是填補空白。GLM能夠對西半球所有的閃電活動進行探測，探測的時間延遲僅僅20秒。GLM資料的出現，給目前的預報帶來了改進的機會，也同時提出了挑戰。首先，閃電一般總是和激烈天氣聯系在一起，延遲很小的GLM數據，如果能夠和模式預報結合起來，不僅能夠改進預報，還能夠大幅度提高預警的提前時間。但是，目前的數據更新系統，有可能讓時效性很強的GLM無所作為。會上，科學家們討論了GLM與NOAA新推出的高分辨率（3km）快速同化系統（HRRR）可能的結合方式，即通過HRRR時間延遲集合技術，最終解決GLM與目前業務體系相融合的可能（圖1）。

本次大會并沒有來自NASA的代表就NASA主導構建的空基平臺中大氣和環境探測內容做重要的發言，此外，美國與其他國家和地區聯合開展的項目，例如，美日聯合開發的GPM（全球降水觀測）等也不見專門的介紹，這是大會讓人略感遺憾的地方。

圖1　高分辨快速同化系統（HRRR）的時間延遲LTG集合技術，可望將吸納快速更新的GLM資料

四、衛星數據獲取和培訓，一個都不能少

會議的最后2個板塊，分別探討衛星數據的發布和獲取以及氣象衛星的教育和培訓，這既是一種務實，即想用戶之想，更是衛星技術快速發展帶來的必然：衛星數據快速融入預報和研究模式帶來更多的數據接口問題，而衛星和衛星搭載傳感器的多樣化和復雜化，正在讓氣象衛星培訓成為科研和業務人員入門的必要程序。未來面對一個特定的天氣系統，可以從極軌、靜止軌道上甚至小衛星等更加多變軌道上，獲得時間和空間域最接近的多個衛星及星載傳感器探測資料，要了解如此眾多衛星資料的視角和特點，沒有相關的培訓幾乎不可想象。

正如很多與會者的感覺，如果說世界上氣象資料的全球共享走在了前面，那么全球衛星資料的共享則更是一面旗幟。地球靜止衛星在全球的定位都是衛星國間協商的結果，其中資料的共享顯然是前提。針對JPSS衛星和GOES-R衛星資料的獲取，大會分別安排了4個和3個報告進行了介紹。

在教育和培訓方面，來自美國的代表分別介紹了區域培訓、合作所、COMET項目以及虛擬培訓等手段中涉及衛星的部分。這些教育和培訓的共同特點是超前性。美國即將升空的氣象衛星的主頁上，幾乎無一例外都有教育板塊，提供該衛星工作原理和對氣象預報和研究促進意義等信息，而在COMET的超過2000個英語氣象衛星課件中，已經有數十個針對GOES-R的培訓課件（英語69個，西語25個，法語16個）。NOAA的國家實驗室和與高校合建的合作所，往往能夠利用其本身就是新衛星傳感器或產品研發基地的優勢，開展更加有含金量的培訓。例如，CIRA（大氣研究合作所）和CIMSS（氣象衛星研究合作所）兩個合作所推出了VISIT（衛星綜合培訓可視學院）和SHyMet（衛星水文和氣象）兩個針對預報員的培訓計劃，它們與WMO的虛擬實驗室共同構筑美國業務和學術氣象衛星新技術的培訓和研發基地，吸引力眾多相關機構形成影響廣泛的平臺。

五、日韓氣象衛星發展受關注

日本氣象廳衛星項目主任（隸屬于氣象廳數據處理局的系統工程部）在大會開幕式后，做了論述日本地球靜止衛星發展的報告，特別是針對最新發送升空的葵花衛星技術突破和資料使用，進行了全面的描述。報告副標題“葵花端口和葵花云的數據應用（Data Utilization via HimawariCast and HimawariCloud）”，因為旗幟鮮明提出了“云”理念，使其現代氣息大增。

日本地球靜止衛星的發展，實際上暗合了始于1977年偏向氣象業務應用的葵花系列衛星的發展歷程。如果說美國的S-NPP衛星開創了新一代極軌氣象衛星之先河，那么2014年升空并在2015年7月業務化的葵花-8衛星，則是下一代地球靜止衛星的先鋒。日本地球靜止氣象衛星也從GMS過渡到MTSAT之后，進入了靜止衛星技術突破的新階段。日本氣象廳以葵花-8和葵花-9衛星，開啟其下一代地球靜止氣象衛星的時代，在國際上具有領先優勢，這既有其近40年地球靜止氣象衛星開發歷史做基奠，也有其受益于與美國等國開放和共同開發技術戰略的成分。

葵花-8衛星2014年的成功發射將成為人類地球靜止氣象衛星發展里程碑事件。該衛星每10分鐘即可獲得一幅完整全彩色圖像，僅為MTSAT衛星的1/3，而針對日本國土和敏感區域的掃描戰略，更是縮短到2.5分鐘，可以極大地提高資料獲取的時效。

葵花-8衛星的另一個亮點，是明確提出“葵花云”（Himawari Cloud）的理念并應用于衛星數據服務。目前，葵花云向每個國家的主管氣象部門指定的1個機構提供1個賬號，提供實時資料。歷史資料服務則針對所有非營利的研發用戶，由日本科學組織（Japanese Science Group）提供。此外，葵花云還借助世界氣象組織的WIS（WMO信息系統）端口以及JDDS（JMA互聯網FTP向各國國家氣象部門提供數據備份）提供數據服務。目前，葵花云能夠提供3種數據，每天的數據量接近400GB，葵花云整體的業務化有望在2015年中實現。利用云技術，葵花-8衛星數據在觀測開始8分鐘之內，第一個掃描數據段（每次HSF圖像掃描數據被分為10個數據段，每個數據段含有16個通道數據文件）即可以下載，最后1個數據段的數據在掃描結束后的7分鐘內即可下載。借助“云”技術，葵花-8衛星真正實現了天上觀測與地面數據的轉同步數據獲取。

會上，韓國氣象局（KMA）國家氣象衛星中心的Sang Jin LYU做了關于KMA氣象衛星現狀和未來計劃的報告。KMA氣象衛星的發展，無論是極地軌道還是地球靜止軌道，均起步于1992年，且20多年來一直保持高速發展的態勢，幾乎每1～2年，都有新的衛星升空，尤其是2010年地球靜止軌道衛星COMS（通信、海洋和氣象衛星）的發射和計劃在2018年實施發射的下一代GK-2A星，以及計劃在2018年及之后幾年發射的多個極軌衛星，不僅引起了全球關注，也使韓國據此躋身世界具有極軌和靜止雙軌道氣象衛星國家行列。

實際上，韓國的下一代地球靜止衛星的主要成像設備與美國下一代靜止氣象衛星GOES-R衛星成像設備類似。韓國還計劃發展低軌道（LEO）衛星，加載合成孔徑雷達（SAR）主動遙感設備。

目前，C O M S運行穩定，2011—2014年資料可獲取率達到了99.31%的較高水平。韓國還和斯里蘭卡、菲律賓、老撾等亞太國家合作，向這些國家提供接受設備、業務監測和分析系統以及技術支持和培訓，很好地擴大了COMS衛星的價值和影響。此外，KMA還通過承擔WOM二區協示范虛擬實驗室項目（VLab）開展培訓和亞太及國際各種氣象衛星相關的協調和工作會議，擴大其影響力（如，第19屆TOVS國際會議）。

目前在軌的韓國極軌衛星（KOMPSAT系列）以及COMS衛星的換代衛星，Geo-KOMPSAT-2A（前面加前綴Geo）研發計劃。預計在2018年升空的2 A星，在2012—2018年的設計階段就與2B星在星載儀器上明確了分工，即2A星裝載氣象和空間天氣傳感器，而2B星專注于海洋和環境探測。2A星相對于COMS的改進，與美國等換代衛星類似，星載的主要儀器，如微波圖像儀（MI）改進為先進微波圖像儀（AMI）之后，空間分辨率提高4倍、時間分辨率提高4倍，掃描頻道是原來的3倍，獲得的產品數量是原來的3.5倍。其中，每2分鐘即可完成對韓國掃描，最終產品的數量將會達到52種。韓國氣象衛星日漸豐滿是很多參會人的直接感覺。

六、歐洲換代衛星同樣可期

2015年7月15日，歐洲氣象衛星開發組織（EUMETSAT）第二代衛星中第四顆也是最后一顆衛星MSG-4衛星成功發射。MSG-4升空進行業務運行后，將更名為Meteosat-11，這顆衛星也肩負了第二代與第三代衛星間承上啟下的作用，具有重要的歷史意義。MSG-4將以初始狀態被“存儲”在其軌道上，直到第三代氣象衛星開始“服役”。MSG-4進行業務化并開始服務后，將為下一代衛星發展提供重要的數據支持，而第三代氣象衛星（MTG）預計在2019年和2021年發射。歐洲衛星計劃的目標是未來幾十年繼續覆蓋全球的衛星觀測。未來主要衛星有：Meteosat第三代氣象衛星（MTG）、EUMETSAT第二代極軌衛星以及哥白尼衛星。

MTG衛星的主要任務是支持高影響天氣的短時預測。它具有連續性和增強的MSG影像服務，添加了新的閃電成像能力，并且在世界上首次實現了創新的紅外超光譜探測。這些能力都成為MTG衛星的短時預測的有力武器。MTG還有一個次要任務，就是歐洲空氣質量監測。需要哨兵4、IRS、IRST等衛星圖像協同合作。

從2019年起，第三代氣象衛星（MTG）將陸續發射六顆新的衛星：四顆MTG-I成像衛星（預計運行服務20年）以及兩顆MTG-S探測衛星（預計運行服務15.5年）。這兩種類型將被放置在地球同步軌道相同的經度上。MTG計劃確保了直到21世紀30年代后期太空氣象數據的獲取。

利用第三代氣象衛星（MTG），可以期待持續從的地球靜止軌道可見光通道觀測，也可利用紅外及紫外/可見光探測儀器觀測。

MTG系列衛星使歐洲氣象衛星第一次不僅實現了可以為天氣系統成像，還能通過對大氣化學成分的復雜性進行分層和更深入的洞察，從而對大氣層進行分析。MTG提供的10分鐘一次的全盤圖像，以及紅外和紫外/可見探測任務所得到的數據，對未來產品的量化反演是非常關鍵的。

歐盟委托歐洲氣象衛星組織負責開發四個哨兵衛星，作為哥白尼太空組成部分，致力于大氣、海洋和氣候監測。哨兵3是一個低地球軌道任務衛星，支持有關全球海洋和陸地的環境服務，以高精度和可靠性支持海洋預報系統和對環境和氣候的監測。哨兵3是哨兵系列衛星之一，是哥白尼的計劃的組成部分。哥白尼計劃將會對星球做一個連續的“健康檢查”。按照哥白尼計劃，EUMETSAT將負責哨兵-3（海洋部分）、4和5的運行，ESA負責哨兵1、2和3（陸地部分）的運行。

七、結語：氣象衛星大會及其背后的“話語權”

目前，世界各國共同開展的氣象和環境探測活動，每天提供大約20億條觀測信息，而這些信息的99.9%來自主要依靠衛星探測平臺的遙感資料。氣象衛星組成的星群和空間網絡，實際上代表著人類對地球大氣和環境的感知和逐步加深的認知。在成功發射了人類第一顆氣象衛星的美國，其近期戰略性的演進，不僅具有強大的技術優勢，同時也在與氣象業務互動和對接中，大踏步地向新一代氣象衛星平臺邁進。

2013年，NOAA探路氣象衛星大會，組織了首次NSC，盡管會議的結構、甚至邀請嘉賓和主講嘉賓，都與歐洲的會議有相似的地方，但依然可以說是填補了空白，2015年的再次主辦，基本確定了NOAA今后每2年的上半年舉辦氣象衛星大會的格局（近年來，歐洲衛星大會一般在下半年舉行），于是，類似極地軌道衛星的上午和下午軌道，美歐形成了氣象衛星大會的世界格局。NOAA多年之后急于補充衛星大會的空白，追其原因，除了世界氣象衛星大發展的背景之外，最近幾年來NOAA在氣象衛星上的預算和衛星用途等，頻遭國會和包括審計總署在內的其他組織的質疑，幾近因預算削減導致其衛星數據難以為繼，也應該是起因之一。尤其是，一些輿論認為，氣象衛星探測帶來的巨大市場，已經激活了本來就位于創新前沿的美國企業，國家完全可以通過復制NASA與SpaceX公司之間購買契約，實現市場化的氣象衛星戰略。

在這次大會上，韓國代表在報告中明確提出了也要舉辦氣象衛星大會的設想，這種似乎要在“上午、下午軌道”之外，增加“昏晨星”的舉動，也許會一發不可收拾，成為各衛星國爭相模仿的舉動。可以預見，隨著全球氣象衛星換代，氣象衛星大會或許會形成“你方唱罷我登場”之群雄爭鋒的局面。

（作者單位：中國氣象局氣象干部培訓學院）