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风云四号:中国气象卫星革命性重器

日期 2016-12-13   来源:新华网 来源:中国青年报   作者:  【 】   【打印】   【关闭

风云四号效果图。航天科技集团八院供图。

  这是一个和普罗大众日常生活并不遥远的科技事件,随着新一代静止气象卫星风云四号的成功飞天,我国迎来了新的气象观测时代,以及有望更为准确的天气预报时代。

  12月11日凌晨0时11分 ,风云四号搭乘长征三号乙运载火箭,在西昌卫星发射中心成功发射。根据这颗卫星的主用户单位、中国气象局的说法,风云四号代表着当今气象卫星的最先进水平,其成功发射标志着我国静止轨道气象卫星实现了升级换代和技术跨越,将大幅度提高我国天气预报、气候预测能力。

  所谓气象卫星,相当于一个高悬在太空的自动化高级气象站,由其提供的气象云图,是现代天气预报系统的基石。中国工程院院士许健民说,风云四号的观测质量会比上一代静止气象卫星即风云二号有“台阶性”的提高。那么这究竟是一个怎样的提升,对民众关心的天气预报又有着什么样的影响?中国青年报·中青在线记者采访了有关专家。

  观测能力是现有系统的上千倍

  根据航天科技集团八院风云四号卫星工程总师李卿的说法,风云四号是我国首颗静止轨道上三轴稳定的定量遥感卫星,搭载了多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间天气监测仪等4种探测器,实现了多个重大技术突破。

  将四大类载荷安装在同一个卫星平台上,就是其中的一个突破。中国气象局副局长、风云四号卫星工程总指挥于新文说,这是一个世界性难题的突破,解决了多个仪器同时工作所产生的相互干扰问题。

  他说,相较于其他国际先进水平静止气象卫星将成像仪器和探测仪器分置于两颗卫星的普遍做法,风云四号的这种设计大大节省了研制成本,更重要的是,在世界上首次实现对大气的多手段综合观测。

  具体来看,与目前业务运行的风云二号卫星相比,风云四号配备的扫描成像辐射计通道数量增加了2.8倍,达到14个。其观测时间分辨率提高1倍,可每15分钟对东半球扫描一次,最快可以每1分钟生成一次区域观测图像。最高空间分辨率较之前提高了6倍,达到500米。

  李卿说,这些新能力,将让风云四号以全新的方式来揭示台风、暴雨、洪涝、森林火灾、沙尘暴和空间天气的变化规律。

  风云四号还搭载了世界首个静止轨道干涉式大气垂直探测仪,其在垂直光谱探测通道达到1700个,可方向上对大气结构实现高精度定量探测,相当于对大气进行CT扫描。

  这也是国际上静止轨道气象卫星的首次装载,将首次实现静止轨道大气高精度温度、湿度廓线探测,获取的高光谱大气数据,可进一步提高天气预报的准确性。

  根据中国气象局的说法,风云四号的观测能力是现有观测系统的上千倍,将极大提高天气预报准确率和精细化水平。

  接下来是闪电成像仪。风云四号的成功发射,是我国自主研制闪电成像仪的首次在轨应用,填补国内空白。1秒钟可以拍摄500张闪电图,探测区域范围内的闪电频次和强度,这可以用来实现对强对流天气的监测与跟踪,提供闪电灾害预警,也是国内首次应用。

  能感知3.6万公里外湖水温度的变化

  放眼全球,国际上新一代静止气象卫星已呈现出竞相发展的态势。日本和美国分别在今年11月2日和11月19日发射同类气象卫星。欧盟、俄罗斯、韩国、印度也计划于2017~2018年前后发射新一代静止气象卫星。

  风云四号地面应用系统总师张志清说,风云四号卫星与日本、美国2016年最新发射的葵花九号卫星、GOES-R卫星及欧洲正在研制的MTG等均属于新一代静止轨道气象卫星。

  气象卫星又被叫做定量遥感卫星,除了获取云图,还有一个重要的功能就是获取准确的、定量化的大气和地表观测信息,为后续的应用提供服务。

  张志清说,针对越来越高的定量遥感需求,风云四号装载的多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪和闪电成像仪,在性能上比之前的卫星有大幅的提升。

  张志清举了一个例子,青海湖的温度是20℃,风云四号卫星可以做到对其温度的测量误差小于1℃,同时,当湖水温度变化0.1℃时,卫星就能够准确感知出来。

  此外,风云四号还可以通过不同光谱通道的观测,对全国植被覆盖、粮食亩产等作出预估。在气象学家看来,其经济、社会效益空前。

  不过天气预报是一件极其复杂的工作,除了温度,还包含湿度、压强、风等指标,涉及温湿度、导风、闪电、辐射、云和气溶胶、大气成分等数十个种类卫星遥感数据产品的应用。

  张志清说,风云四号卫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。

  革命性的跨越:提高天气预报准确率的重器

  事实上,在风云四号之前,我国已成功发射了14颗气象卫星,其中7颗卫星在轨运行,成为世界上少数几个同时拥有极轨和静止轨道气象卫星的国家。

  国防科工局系统工程司副司长赵坚表示,极轨气象卫星已经实现了升级换代和上、下午星组网观测,如今,风云四号卫星的成功发射使静止轨道气象卫星也实现了升级换代,并形成了“多星在轨、统筹运行、互为备份、适时加密”的业务格局。

  在茫茫太空中,气象卫星就是洞察风云变幻的锐利“眼睛”。张志清说,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。

  气象卫星云图可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。不过,能用自己研制的卫星拍摄这两种云图的国家和地区,美欧之外,就只有中国了。

  根据赵坚的说法,风云系列气象卫星中的风云一号卫星和风云三号卫星分别是我国第一代和第二代太阳同步轨道气象卫星,距地面高度大约500公里至1000公里,其拍摄的云图就是太阳同步轨道气象卫星云图。

  而风云二号卫星和刚刚发射的风云四号卫星则分别是我国第一代和第二代对地静止轨道气象卫星,距地面约3.6万公里,其拍摄的卫星云图是地球静止轨道气象卫星云图。

  静止卫星与极轨卫星,一个相对于地球保持静止,一个则绕着地球转动。如风云二号卫星和风云三号卫星对我国天气的观测好比一个定点站岗警察和一个流动巡逻警察。

  目前,人们看到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三颗星。张志清说,风云四号卫星正式投入业务运行后,将逐步接替风云二号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。

  中央气象台首席预报员、风云四号卫星应用首席专家许映龙说,成像和垂直观测相结合,就好比医生不仅有了X光片,同时还有了CT片,获得了不同层次的切片数据,对于病情的判断就更加准确了。

  他说,这是一个革命性的跨越,“可以说,风云四号卫星是提高天气预报准确率的重器”。

  根据官方的说法,随着风云卫星的发展,我国当前天气预报的准确率从上世纪70年代的约50%,提高到了现在的90%。而风云四号的成功发射,将进一步提高这一准确率。

  未来的天气预报会怎样

  那么,有了卫星重器,我国天气预报的水平究竟能提高多少,与国际发达国家相比又将如何?

  这个问题并不难回答。事实上,现代天气预报包括5个环节:气象观测、数据收集、综合分析、预报会商、预报产品发布。

  这其中,气象观测又分为地基观测、空基观测和天基观测三大类。而气象卫星,只是其中的天基观测一环。在专家看来,气象卫星观测能力的提升,将会带来天气预报能力的提升,不过至于能提升多少,以及能否和欧美比肩,则还要进行综合考量。

  毕竟,真正引领天气预报技术走向现代化的是数值天气预报的诞生。而所谓数值预报,就是使用大气运动方程建立的数值模式,按时间顺序计算不同高度全球各处气象要素的值。

  遗憾的是,按照中国工程院院士丁一汇的说法,中国的数值预报与欧洲中心、美国等相比,起步要晚,先天条件处于弱势。

  数值模式涉及大量微分方程,计算量巨大,一般使用超级计算机完成。这方面,中国正在迎头赶上,前不久,中国科学家获2016年度的高性能计算应用最高奖“戈登·贝尔”奖,就是在这方面所作的努力。

  计算机并不能完全取代人,数据收集、综合分析之后,还需要预报会商,这时,预报员就要发表意见、综合分析,对未来天气的发展变化作出最终的预报结论。在这方面,中国尽管有一些优秀的预报员,但相比发达国家,仍比较缺乏。

  想更准确地“猜”到老天的心思,并不容易。道阻且长,今天的风云四号是一个新的开端,未来我们拭目以待。

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