风云卫星 如何洞察风云变幻

付毅飞

2016年12月13日07:37  来源:科技日报
 
原标题:风云卫星 如何洞察风云变幻

  风云四号效果图

  风云四号发射场合练

  风云四号A星正式投入业务运行后,将逐步接替风云二号系列卫星,提供更加及时和高精度的观测数据,进一步提高天气预报的准确率。

  12月11日零时11分,我国新一代静止轨道气象卫星风云四号发射成功。

  茫茫太空中,气象卫星就是敏于“察言观色”,洞察风云变幻的锐利“眼睛”。风云四号卫星地面应用系统总师张志清向科技日报记者介绍,气象卫星主要是通过卫星装载的各种探测仪器获得不同的卫星气象云图,然后通过云图反演出其他变量,并应用到天气预报模式中,再根据方程的运算得到未来的天气。

  多年来,由中国航天科技集团公司八院509所抓总研制的风云系列气象卫星,为我国天气预报,以及防灾减灾、应对气候变化、保障生态文明建设等作出了重要贡献。

  你“巡逻”我“站岗”,拍摄不同轨道卫星云图

  天气与人们的生产生活息息相关,对天气进行准确的预报可以为大家的出行,农业生产等提供重要参考。当然,要掌握大气的变化规律,对未来的天气进行预测并非易事。

  据张志清介绍,目前的气象观测手段主要包括地面常规观测、空中观测以及天基观测。其中,常规自动气象站只能观测地表的数据;探空站可以释放探空气球获取高空气象数据,但每天只能观测两次,而且无法覆盖海洋;气象雷达只有在有云或下雨时,才能收到回波,如果晴空万里,信号则无法反射回来。这些手段的种种局限,决定气象卫星成为了天气预报中的基石。

  气象卫星获取的卫星云图,是天气预报中对天气情况最直观的说明。通过色彩缤纷的卫星云图,可以识别不同天气系统,确定它们的位置,判别天气系统的发展阶段及未来演变趋势,比如估计台风中最大风速、估计对流云的降水强度等。这些卫星云图都是由气象卫星从太空不同位置对地球表面进行拍摄,将数据传回地面工作站后制作而成。我们每天看到的卫星云图天气预报动画,则是由过去每隔半小时或一小时拍摄一幅,共12幅卫星云图组成。通过图像动画,能让观众更清楚地了解云团的移动变化。

  卫星云图可以分为太阳同步轨道气象卫星云图和地球静止轨道气象卫星云图。目前,能用自己研制的卫星拍摄这两种云图的国家或地区,除了美欧就只有中国了。风云卫星中的风云一号系列卫星和风云三号系列卫星,分别是我国第一代、第二代太阳同步轨道气象卫星,运行轨道距地面大约500公里至1000公里,就像“流动巡警”,负责拍摄太阳同步轨道气象卫星云图;风云二号系列卫星和刚刚发射的风云四号A星,分别是我国第一代和第二代对地静止轨道气象卫星,它们“悬停”在距地面约36000公里的太空,如同“定点岗哨”,任务就是拍摄地球静止轨道气象卫星云图。

  跻身世界一流,与美欧“三分天下”

  目前,中央电视台天气预报的卫星云图基本上来自在轨运行的风云二号E、F、G三颗卫星。风云四号A星正式投入业务运行后,将逐步接替风云二号系列卫星,提供更加及时和高精度的观测数据,进一步提高天气预报的准确率。而目前在轨运行的风云三号卫星,则为全球气候变化和大气环境监测提供了重要观测数据。

  据统计,风云气象卫星云图每年被数以亿计地引用,已成为国内最大的遥感卫星数据库。全球共90多个国家和地区使用风云卫星数据。随着风云系列卫星的发展,我国天气预报准确率从上世界70年代的50%左右,提升至如今的90%。“十二五”期间,我国24小时晴雨预报准确率较“十一五”提高了2个百分点,温度预报准确率提高了13个百分点,24小时台风路径预报误差缩小了66公里,全国平均每年因气象灾害造成的死亡人数也较“十一五”下降一半以上。

  风云系列卫星的稳定运行和出色效能,奠定了中、美、欧气象卫星“三足鼎立”的局面,提高了中国在国际上的话语权。风云系列卫星还被世界气象组织列入了国际气象业务卫星序列,作为全球综合地球观测系统的重要成员,与欧美国家的气象卫星一起,形成了对地球大气、海洋和地表环境的全天候、立体、连续观测的卫星观测网。目前,东半球的气象预报主要靠风云卫星提供相关资料。

  既要精度高,又得“身体好”

  为什么国际上会形成气象卫星仅在少数几个国家发展的局面?这得从天气预报对气象卫星在定量探测和连续业务应用方面提出的苛刻要求说起。

  数值天气预报是当前制作日常天气预报的主要方法,其前提是精确的大气观测参数,以此为复杂的大气环境动力学方程提供初始条件。这对气象卫星提出了极高的定量遥感需求。

  以风云四号A星为例,它以常年温度在20摄氏度左右的青海湖为定标场,要求在36000公里高的赤道上空,对湖水温度的测量绝对误差小于1摄氏度;当湖水温度变化0.1摄氏度时,要能准确感知出来。为实现定量化,研制团队风云四号A星进行了大量仪器定标方法研究,研制了一套完整的在轨定标设备和定标方法。国防科工局系统工程司副司长赵坚介绍说,该卫星的扫描辐射计定标精度达到1K、灵敏度达0.1K,与美国刚刚发射的GOES-R卫星相当。

  不过,天气复杂多变,预报要素除了温度,还包含湿度、压强、风等多个指标,涉及温湿度、导风、闪电、辐射、云和气溶胶、大气成分等数十种卫星遥感数据产品的应用。风云四号A星正式投入业务运行后,将提供包括云、辐射、温湿度、大气、导风、闪电等34种数据产品,产品种类、数量,以及定量化指标均较之前卫星产品有显著提升。

  除了定量探测,气象卫星还要求连续业务运行。就是说,它不能“请假”“开小差”,必须全年365天、每天24小时工作,及时报出晴雨、温度、风力等相同的数据。如果哪天卫星不能提供云图,将造成难以估量的影响。风云二号卫星曾出现丢失云图的现象,受到了中央领导的亲自过问;2015年风云三号C星在轨发生故障,导致一段时间收不到云图,立刻受到国内外广泛关注。

  严苛的运行要求,要求卫星具有极高的可靠性和时效性。为了提供优质稳定的业务服务,研制团队为风云四号A星打造了角秒级测量和控制精度的高轨三轴稳定卫星平台,采用了双总线体制、高性能AOS技术、大功率电源、整星防静电技术、整星防污染技术等一系列关键技术,使卫星设计寿命达到7年,为其长期稳定开展气象业务观测提供了有效支撑。

(责编:魏艳、赵竹青)

推荐阅读

中国人也能去太空旅游啦!长征火箭表示将提供相关服务“我们计划在2020年前后,利用百吨级亚轨道飞行器,向大众提供可乘坐6-20人,最高80-140km亚轨道太空旅游观光、短时间失重飞行体验、按需定制的独特机动飞行等。”未来更可实现全球快速点对点洲际航班到达、长期空间商业飞行。【详细】

“长征五号”为什么重要?有你不知道的神秘意义!“运载火箭的能力有多大,中国航天的舞台就有多大。”“长征五号并不仅仅是一个型号。”“长征五号代表了我国科技创新的最高水平。”“中国航天在今后半个世纪内都要靠‘长五’奠基。”“长五敲开航天强国俱乐部之门”……【详细】