今天小編分享的科學經驗：從風雲一号到風雲三号，帶你了解風雲系列氣象衛星，歡迎閱讀。
今天（2024 年 9 月 7 日），是風雲一号衛星成功發射 36 周年。前些日子，我國最新的風雲三号 F 星順利投入運行。在這樣一個特殊的日子裡，讓我們走近風雲系列氣象衛星，對比中外氣象衛星發展潮流，了解這些建功累累的功勳們吧。
據中國氣象局消息，2024 年 6 月 28 日，風雲三号 F 星通過地面和應用系統在軌測試總結評審和業務試運行，具備正式業務運行的條件。2024 年 7 月 1 日，F 星正式投入業務運行。
圖片來源：中國氣象局
按照運營方的計劃，風雲三号 F 星将取代風雲三号 C 星，因為後者自 2013 年就開始進入軌道運行，算是目前仍然運行的風雲系列衛星中 " 星齡 " 比較大的，被更先進的三号 F 星取代屬于正常的更替。
風雲系列氣象衛星在軌示意圖
（圖片來源：世界氣象組織）
風雲三号氣象衛星示意圖
（圖片來源：CGTN）
大氣研究具有全球性
以上提到的風雲三号 F 星和風雲三号 C 星都屬于氣象衛星。顧名思義，氣象衛星就是進行氣象觀測的人造衛星，本質上是個集成度較高，可通過多種方法觀測大氣現象的軌道氣象站，不易受到自然條件和地網域條件的限制。
目前在軌運行的風雲系列衛星，主要有地球靜止軌道和太陽同步軌道兩種，風雲三号 F 星則屬于太陽同步軌道。這兩種軌道各有特點，因此适用于不同尺度的天氣系統。
太陽同步軌道可實現對全球氣象的觀測。首先，它的軌道面與太陽光照射方向的夾角在運動過程中始終不變，這一特點有利于對地觀測，同時也能保證太陽電池帆板始終轉向太陽，獲得穩定的能量。另外，該軌道繞過地球兩極，結合地球本身的自轉，便可獲得全球大氣變化的實時情況。但不足之處是，對同一地區的觀測存在較長時間的間隔，無法滿足對中小尺度天氣系統的跟蹤監測。
而地球靜止軌道則沒有這樣的問題，衛星在地球靜止軌道上運行與地球自轉同步，可長時間對某個地區的天氣進行連續觀測，對應的是中小尺度的天氣系統。
但不論我們生活在何處，都屬于同一個地球生态系統，這也意味着局部氣象不可脫離整體而談。因此，大氣觀測與研究具有全球性的特點，這也是為什麼我們國家不僅有可觀測全球大氣活動的太陽同步軌道氣象衛星，也有專注觀測我們所處地區的靜止軌道氣象衛星。
舉個例子，著名的厄爾尼諾現象影響全球，起因卻要從沿南美洲秘魯海岸和赤道東太平洋說起。這裡的海水溫度異常升高，進而導致全球大氣環流出現明顯變化，最終造成東亞、東南亞、澳大利亞、美洲等出現區網域高溫幹旱或者洪澇。
我國多位學者發現，不同類型不同強度的厄爾尼諾有較強的季節演變特征，對我國降水汛期、大氣環流等都會產生影響，甚至可影響我們雲貴川等地的森林防火情勢，因此我們國家對氣象衛星的研發一直保持較高的重視和投入。
氣象衛星的軌道示意圖
（圖片來源：springer）
" 風雲 " 系列氣象衛星家族的特點
我國氣象衛星目前已經發展到第二代。其中，風雲一号和二号系列是第一代氣象衛星，它們分别是太陽同步軌道衛星和地球靜止軌道衛星。一号和二号系列實現了氣象、海洋、空間環境的綜合探測應用，可獲得高精度的觀測影像，一代氣象衛星的出現說明我們已掌握研發氣象衛星的多項核心技術。
風雲三号和四号系列則是我國第二代氣象衛星，分别對應着太陽同步軌道和地球靜止軌道。與一代相比，它們在性能方面當然有了較大幅度的提升，實現了從紫外、可見光、到紅外、微波等多波段的綜合觀測能力，也是目前我國氣象衛星的主力。
至此，兩代、四型一共 21 顆氣象衛星的風雲系列家族形成了。風雲二号 F 星已在 2022 年完美收官，運行十年獲取 14.4 萬餘幅雲圖，專注觀測台風、強對流天氣。最新的風雲三号 F 星将接替風雲三号 C 星，F 星搭載了 10 台先進儀器，可實現全譜段、定量化觀測。
風雲三号 C 星退役後，風雲二号系列還剩 2 顆，與風雲三号和四号系列一同形成了第二代風雲氣象衛星觀測系統。
風雲系列氣象衛星
（圖片來源：中國氣象局）
風雲系列與氣象衛星
的發展趨勢
在發展中，風雲家族也出現了新的特點。
風雲三号系列本應該是太陽同步軌道衛星，但是 2023 年 4 月發射的風雲三号 G 星卻是第一顆非太陽同步傾斜軌道衛星，軌道高度約 407 公裡。
三号 G 星的定位是中國首顆低傾角軌道降水測量衛星，專注監測災害性天氣系統的降水，主載荷是降水測量雷達，可展示不同層次降水的三維立體結構。這展現出了氣象衛星在氣象觀測的細分領網域更加垂直的發展趨勢。
此外，三号 G 星将與其他風雲系列衛星進行在軌組網觀測，這使得預報精度和時效得到提升和延長。組網觀測需要多顆氣象衛星共同實施，可以發揮出不同軌道、不同衛星平台的優勢，實現優勢互補，展現更高的時空分辨率，這對氣象預報、預測而言至關重要，這也說明風雲系列在體系觀測方面不斷成熟。
我國風雲氣象衛星對氣溶膠的監測
（圖片來源：CCTV）
早期風雲氣象衛星，強調的是一星多用，突出綜合觀測能力。但防災減災等具有突發性特征的事件，需要高時效的觀測，多星體系觀測則可以實現對特定區網域高頻次的訪問，發揮不同類型衛星的優勢，是氣象觀測發展的趨勢之一。
風雲三号 F 星正式投入業務運行後，由于其作為太陽同步軌道上午星，也将與 D（下午星）、E（黎明星）、G（降水星）組網，形成四星聯動觀測，這也是目前我國氣象衛星組網觀測的最強陣容，對實現更精密的氣象觀測有重大的意義。
同時，随着 AI 技術的發展，将人工智能應用到氣象衛星觀測領網域将會是下一個重大技術變革。AI 大模型可以快速處理和分析大量的氣象數據，顯然比傳統的分析和預報模式響應更快。如果讓 AI 學習觀測地區的歷史氣象數據，完全能夠結合當下的最新數據，進一步提高預報的準确性，所以垂直化、體系化、智能化則是氣象衛星接下來的發展趨勢。
風雲 4A 對地球的觀測
（圖片來源：NSMC 風雲氣象衛星官網）
美歐氣象衛星的新特點
美國的氣象衛星也有兩個系列，分别是 NOAA 極地軌道系列，以及 GOES 靜止軌道系列，還有 DMSP 國防氣象衛星、美國空軍所有的氣象衛星，共 18 顆左右。美歐對氣象衛星的發展極為重視，甚至将其納入國防領網域。
美國的下一代 GeoXO 氣象衛星提出 " 由三顆靜止軌道衛星組成一個星座 " 的概念，新的氣象衛星将側重于功能細化方面的提升，比如首次新增了對沿海生态系統進行觀察的模式，可實現監測空氣中的有害污染物，監測野火、煙霧、灰塵、火山灰等，以及提供環境預警。
歐洲哥白尼計劃的衛星
（圖片來源：ESA 歐洲空間局）
歐洲的氣象衛星分為地球靜止軌道和極地軌道。由歐洲氣象衛星組織運營的 Meteosat 系列衛星就是處于地球靜止軌道，極地軌道則是 Metop 系列，最新的 Metop SG-A 計劃在 2025 年左右發射。
除了觀測氣象外，該衛星還對大氣臭氧、其他微量氣體分布進行測量。歐洲氣象衛星組織還參與實施對地觀測計劃，正在實施的是哥白尼計劃，又稱為全球環境與安全監測計劃，通過發射哨兵系列衛星，對陸地、海洋進行觀測。
顯然， 氣象衛星的功能開始豐富，從傳統的降雨等氣象觀測，發展到對大氣環境污染物要素的觀測，同時兼容了海陸觀測能力，将大氣與海洋同時并入觀測。
風雲三号 F 星已經實現了類似的功能，提高了對臭氧、二氧化硫等平流層和對流層大氣成分以及地球輻射收支能量的探測能力，從而在生态環境監測和綜合防災減災等方面有了一定提升。這也意味着觀測參數将種類更多、更復雜，因此不可避免地需要 AI 分析，從而通過更復雜的氣候預測模型來預報天氣。
策劃制作
出品丨科普中國
監制丨中國科普博覽
作者丨川陀太空 科普創作者
責編丨何通
審校丨徐來 林林
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