編者的話：12月11日0時11分04秒，我國新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云四號”01星搭乘“長征三號乙遙42”運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。幾天后，它將抵達(dá)東經(jīng)99.5度約3.6萬公里赤道上空，正式獲得“風(fēng)云四號A星”的新名字。在同一個地球靜止軌道上，它將和許多主要國家的靜止軌道衛(wèi)星成為“鄰居”。
在這些“小伙伴”里，有剛比“風(fēng)云四號”01星早一個月定居的GOES-16、“向日葵9號”，有兩年前定居的“向日葵8號”和五年前定居的Electro-L，它們有的來自美國，有的來自日本，還有的來自俄羅斯。按照計劃，再過兩年，來自歐洲的MTG-I也將成為“風(fēng)云四號”01星的“新伙伴”。
這些先進(jìn)的靜止軌道氣象衛(wèi)星在太空“攜手”，密切監(jiān)視著地球天氣的“一舉一動”，在氣象、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境、能源、航空和海洋等領(lǐng)域成為人類安排活動的重要“參謀”。
美國GOES-16：將為氣象預(yù)報帶來“革命性變化”
當(dāng)?shù)貢r間11月19日晚，美國GOES-R衛(wèi)星由“阿特拉斯5”（Atlas V）運載火箭送入軌道。經(jīng)過大約10天的5次變軌，衛(wèi)星順利定點于西經(jīng)89.5度，并被正式命名為GOES-16，以美國新一代靜止氣象衛(wèi)星首顆星身份，進(jìn)入了GOES衛(wèi)星序列。
GOES-16代表著美國高軌氣象衛(wèi)星的最先進(jìn)水平，搭載有高速多光譜相機(jī)、閃電成像儀和一套空間天氣儀器，可提供西半球連續(xù)的高分辨率颶風(fēng)和其他風(fēng)暴圖像。美國稱，GOES-16將給氣象預(yù)報帶來“革命性變化”。
三類載荷各有突破
GOES-16配備的先進(jìn)基準(zhǔn)成像儀（ABI）探測通道增加為覆蓋可見光和近紅外的16個（原為5個通道），空間分辨率是原有GOES衛(wèi)星成像儀的五倍。“結(jié)合多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星光譜圖像將提高我們對風(fēng)暴消長的認(rèn)識。”美國國家氣象局觀測處主任約瑟夫·皮卡說。
“對于天氣預(yù)報員來說，GOES-16的發(fā)射就像是從黑白電視時代進(jìn)入超高清電視時代。”美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）主管衛(wèi)星和信息的副局長斯蒂芬·沃爾茲說，“這將意味著更快、更準(zhǔn)確的天氣預(yù)報和預(yù)警，意味著可以挽救更多生命，并為國家和地方官員等提供更好的決策服務(wù)。”
GOES-16的觀測范圍是整個西半球。“GOES-16能夠每五分鐘提供地球西半球圖像；對于颶風(fēng)或雷暴，能做到每30秒拍攝一張圖像。”NOAA的GOES-16項目主任格雷戈·曼特介紹，“圖像獲取后，將在幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)傳給預(yù)報員。”GOES-16還是國際上搭載首個閃電成像儀的衛(wèi)星，能夠提供每秒200次的西半球雷電場紅外圖像。
GOES-16還配有磁力計、用于探測太陽輻射如何影響上層大氣的紫外線X射線傳感器、用于持續(xù)監(jiān)測太陽的紫外線成像儀，以及用于測量來自太陽會影響通信和導(dǎo)航的帶電粒子的傳感器。
2036年前的換代計劃
作為美國新一代靜止氣象衛(wèi)星，GOES-16的成功發(fā)射開啟了NOAA靜止氣象衛(wèi)星更新?lián)Q代的序幕。
“美國很注重規(guī)劃的科學(xué)性、合理性，長期保持兩顆衛(wèi)星處于連續(xù)業(yè)務(wù)觀測位置，建立了衛(wèi)星在軌備份以及應(yīng)急區(qū)域觀測機(jī)制。”風(fēng)云四號01星地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師張志清此前在接受采訪時說。具體來說，在任何時候，都有兩顆GOES衛(wèi)星在軌運行，其中一顆位于美國東部上方（GOES-東，西經(jīng)75度），另一顆位于美國西部上方（GOES-西，西經(jīng)137度）。在過去數(shù)年的不同時間點，包括在2012年颶風(fēng)“桑迪”肆虐期間，NOAA都曾把其中一顆GOES衛(wèi)星調(diào)為一種試驗性的超快掃描模式，其數(shù)據(jù)更新速度達(dá)到每分鐘一次。根據(jù)NOAA官方公布的最新計劃，GOES-16將于2017年5月左右進(jìn)入西經(jīng)137度或西經(jīng)75度的操作經(jīng)度。
這一次美國新一代靜止氣象衛(wèi)星換代項目由NOAA負(fù)責(zé)管理，美國國家航空航天局（NASA）提供支持，具體由洛克希德馬丁航天系統(tǒng)公司承接建造，包括GOES-16在內(nèi)，計劃發(fā)射四顆衛(wèi)星，項目總投資約110億美元，目標(biāo)是在2036年前為西半球提供不間斷觀測。GOES-16同系列的下一顆氣象衛(wèi)星GOES-S將于2018年初發(fā)射，GOES-T和GOES-U的發(fā)射時間分別是2019年左右和2025年左右，四顆衛(wèi)星設(shè)計壽命都為11年。
四顆衛(wèi)星的主要進(jìn)展是，基準(zhǔn)成像儀能力大幅提高，增加了先進(jìn)的閃電成像儀。但遺憾的是，由于經(jīng)費等原因，對觀測大氣垂直運動有十分重要作用的垂直探測儀器目前并沒有在計劃之列。（盧健）
日本向日葵8號和9號：大幅提高臺風(fēng)觀測能力
11月2日，東京時間15時20分，在日本南部鹿兒島縣的種子島宇宙中心，H2A運載火箭第31次起航，將“向日葵9號”衛(wèi)星送入太空。約30分鐘后，衛(wèi)星與火箭成功分離進(jìn)入預(yù)定軌道。再經(jīng)過大約一周時間，“向日葵9號”就進(jìn)入了高度約3.6萬公里的地球同步軌道。
此前，代表著日本新一代靜止氣象衛(wèi)星最高水平的是“向日葵8號”，它于2014年發(fā)射，是世界上首顆拍攝彩色圖像的地球同步軌道氣象衛(wèi)星。“向日葵9號”與“向日葵8號”屬于同一類型，到達(dá)指定地點后，它將作為“向日葵8號”的備用衛(wèi)星使用。按照計劃，“向日葵9號”將于2022年起代替“向日葵8號”進(jìn)行氣象觀測。
據(jù)日本氣象廳介紹，形成兩顆衛(wèi)星的體系后，將能確保長期穩(wěn)定的觀測。該廳衛(wèi)星整備計劃官大友猛表示：“希望兩顆衛(wèi)星體系提供更高精度的氣象信息，幫助降低災(zāi)害影響。”
這兩顆新一代的靜止氣象衛(wèi)星定位于東經(jīng)140度，采用三軸穩(wěn)定方式，裝有先進(jìn)的葵花成像儀（AHI），這與美國地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-R的先進(jìn)基線成像儀（ABI）相似。通過葵花成像儀正常掃描全圓盤圖的時間小于10分鐘，也可以在選定的時間對特定區(qū)域進(jìn)行掃描，每2.5分鐘能夠獲得一幅區(qū)域圖像，它的在軌工作壽命預(yù)期為8年。
它們的成像儀還擁有16個可見光和紅外通道，可見光的高空間分辨率達(dá)到0.5公里到1公里，紅外高空間分辨率達(dá)到1公里到2公里，再加上成像速度快，觀測區(qū)域和時間靈活可變等特點，使日本氣象廳得以改進(jìn)和生成很多新的產(chǎn)品，其中包括大氣運動矢量、晴空輻射、云網(wǎng)格信息、洋面溫度等。以有重大改進(jìn)的大氣運動矢量為例，更高的空間分辨率和更頻繁的觀測對大氣運動目標(biāo)提供了更高的跟蹤精度。
此外，在“向日葵8號”的有力支持下，日本氣象廳還開發(fā)了不穩(wěn)定性指數(shù)和火山灰監(jiān)測產(chǎn)品。不穩(wěn)定性指數(shù)是根據(jù)多通道觀測數(shù)據(jù)，利用一維變分方法從大氣溫度和濕氣廓線計算出來的數(shù)據(jù)，用于天氣預(yù)報，能夠更早地預(yù)測暴雨和雷暴等惡劣天氣。因為直接影響飛機(jī)飛行，火山灰的監(jiān)測近年來越來越受到重視，利用“向日葵8號”能夠測得火山灰強(qiáng)度和高度定量信息。
回顧歷史，日本第一顆地球靜止軌道氣象衛(wèi)星GMS-1于1977年7月14日發(fā)射，之后陸續(xù)發(fā)射了5顆“地球靜止氣象衛(wèi)星”，一直運行到2003年。在此期間，東亞太平洋和澳大利亞地區(qū)的衛(wèi)星觀測主要依賴日本地球靜止氣象衛(wèi)星。接替該系列衛(wèi)星的是日本“多用途運輸衛(wèi)星”（MTSAT），這是由日本運輸省和日本氣象廳合作投資的，具備氣象觀測和飛行控制功能。在“向日葵8號”之前運行的多用途運輸衛(wèi)星2號，即“向日葵7號”，它于2006年2月18日發(fā)射，定位于東經(jīng)145度，2010年7月1日成為主用業(yè)務(wù)衛(wèi)星。
與 “向日葵7號”相比，“向日葵8號”和“向日葵9號”都是專用氣象衛(wèi)星，沒有飛行控制等功能，但它們更優(yōu)的性能和先進(jìn)的探測儀器使得其分辨率較此前提高一倍，觀測間隔也大幅縮短，特別是對臺風(fēng)的觀測能力大大提高。在2015年“蘇迪羅”和2016年“尼伯特”“鯰魚”等臺風(fēng)的監(jiān)測中，“向日葵8號”提供了更加清晰的臺風(fēng)圖像，幫助預(yù)報員更好地捕捉到了臺風(fēng)中心附近的風(fēng)向及風(fēng)速。（張格苗）
歐洲MTG系列：歐洲最大型太空計劃成果
歐洲下一代地球同步軌道氣象衛(wèi)星計劃為MTG系列，該計劃由歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）和歐洲空間局（ESA）聯(lián)合提出，將以MTG-I（成像衛(wèi)星）和MTG-S（探測衛(wèi)星）雙星運行，各自承載不同的探測儀器，計劃發(fā)射6顆衛(wèi)星（4顆MTG-I和2顆MTG-S）。該計劃被稱為歐洲實施的最大型、最復(fù)雜的太空計劃之一，首顆MTG-I衛(wèi)星預(yù)計將于2018年發(fā)射。
ESA最初于1972年提出氣象衛(wèi)星計劃，開始重點發(fā)展地球同步軌道應(yīng)用，并于1977年11月23日成功發(fā)射了Meteosat-l衛(wèi)星。1983年，歐洲16國籌建研制第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星（MSG），并規(guī)劃了4顆可至少持續(xù)工作到2018年的衛(wèi)星。自2000年起，歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織（EUMETSAT）與歐空局（ESA）開始規(guī)劃下一代地球同步軌道氣象衛(wèi)星（簡稱MTG）。
MTG系列衛(wèi)星均采用三軸穩(wěn)定平臺。MTG-I衛(wèi)星上的主要載荷包括組合成像儀、閃電成像儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及搜救系統(tǒng)；MTG-S衛(wèi)星上的主要載荷包括紅外探測儀和紫外可見光近紅外探測儀。
其中，MTG-I星搭載的組合成像儀將繼承其上一代靜止衛(wèi)星系列自旋可見光紅外成像技術(shù)，將高分辨率快速成像和全圓盤高光譜分辨率成像功能合并實現(xiàn)。在正常的工作模式下，組合成像儀覆蓋地球圓盤一次只需要10分鐘。此外，組合成像儀在云、氣溶膠、濕度和火災(zāi)探測等方面的性能都得到了改進(jìn)，并增加了新通道，提高了時間分辨率、空間分辨率和輻射測量分辨率。
MTG-S衛(wèi)星上的“主角”則是地球同步軌道的紅外探測儀，能夠提供大氣水汽和溫度水平、垂直的立體分布和瞬時分布（即四維結(jié)構(gòu)）信息。紅外探測儀具有800個長波紅外光譜通道和920個中波紅外光譜通道，能夠在60分鐘內(nèi)凝視和掃描整個地球圓盤。紅外探測儀能穿透云和雨的毫米波波段，其觀測對象包括長波紅外波段的臭氧帶和中波紅外波段的一氧化碳。通過對自由對流層進(jìn)行測量，紅外探測儀可以得到邊界層以下的污染增強(qiáng)等級信息。（牛彥元）
俄羅斯Electro-L：曾拍出地球最清晰圖像
俄羅斯2011年發(fā)射的靜止氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星Electro-L在2012年火了一把。當(dāng)年5月，Electro-L僅用一個鏡頭拍攝到了地球高清完整照片，分辨率達(dá)到121兆像素，創(chuàng)造了截至2012年史前最清晰的地球圖像。
與之前由拍攝合成的大部分地球圖片不同，Electro-L氣象衛(wèi)星所拍攝的地球完整圖片來自一個拍攝鏡頭，而不是通過多張圖片合成完整的一張圖片。由于僅通過一個拍攝鏡頭拍到地球全貌并不容易，因此這張完整高清地球照片顯得非常珍貴。
早在上個世紀(jì)，蘇聯(lián)就宣布要發(fā)射靜止軌道通信、海洋和氣象衛(wèi)星-N1（GOMS-N1），但計劃一再推遲，一直到1994年11月才發(fā)射。它是三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，定位于東經(jīng)76度。但發(fā)射后成像儀故障，未能獲取可見光圖像。
第二代衛(wèi)星Electro-L系列的第一顆Electro-L N1（又稱為GOMS-N2）于2011年1月23日發(fā)射，三軸穩(wěn)定姿態(tài)，定位于東經(jīng)76度，裝有10通道成像儀（MSU-GS），與歐洲“第二代氣象衛(wèi)星”的改進(jìn)型自旋可見光紅外成像儀（SEVIRI）相似，有3個可見光通道，7個紅外通道和太陽地球物理探測器（GGAK）。同系列還有兩顆衛(wèi)星計劃發(fā)射，一顆是Electro-L N2，定位于西經(jīng)14.5度，另一顆是Electro-L N3，定位于東經(jīng)166度。這3顆衛(wèi)星將組成覆蓋俄羅斯國土的靜止氣象衛(wèi)星觀測網(wǎng)。
事實上，由于俄羅斯國土大多處于高緯地區(qū)，靜止氣象衛(wèi)星觀測效果欠佳，極軌衛(wèi)星觀測頻次又不夠密，因此需要大橢圓軌道衛(wèi)星觀測。俄羅斯的大橢圓軌道衛(wèi)星系統(tǒng)將通過Arctica項目來實現(xiàn)，該系統(tǒng)同時有兩顆衛(wèi)星在橢圓軌道運行，軌道周期12小時，每顆衛(wèi)星對高緯地區(qū)觀測6.4個小時后由另一顆衛(wèi)星觀測，使得一天24小時都能獲得觀測資料。
不過，雖然大橢圓軌道衛(wèi)星仍然使用和Electro-L一樣的衛(wèi)星，探測儀器也相同，但已經(jīng)不在地球靜止軌道上了。（張格苗）