縱覽全球變幻、體察細微差別：風雲三號衛星如何助力「智慧氣象」？

3月23日是世界氣象日，今年世界氣象日的主題是「智慧氣象」。智慧氣象是通過雲計算、物聯網、移動互聯、大數據、智能等新技術的深入應用，依託於氣象科學技術進步，使氣象系統成為一個具備自我感知、判斷、分析、選擇、行動、創新和自適應能力的系統，讓氣象業務、服務、管理活動全過程都充滿智慧。而說到氣象科學技術，就不得不提氣象衛星，氣象衛星綜合了氣象和航天領域的高科技，是智慧氣象的一大助手和重要成果之一。下面我們就來了解一下備受關注的風雲三號氣象衛星。

風雲三號現已發射四顆衛星

風雲三號衛星是我國第二代極軌氣象衛星，可在全球範圍內實施全天候、多光譜、三維、定量探測，主要為中期數值天氣預報提供氣象參數，並監測大範圍自然災害和生態環境，同時為研究全球環境變化、探索全球氣候變化規律以及航空、航海等提供氣象信息。風雲三號現已發射了A、B、C、D四顆星，保證了極軌氣象衛星的升級換代，完成了 「上下午星業務組網」的觀測布局，同時也實現了多個「中國之最」。

風雲三號極軌氣象衛星，圖片來源：國家衛星氣象中心

談到風雲三號系列衛星，就不得不說 「帶頭大哥」風雲三號A星，從這顆2008年成功發射的「奧運星」開始，中國極軌氣象衛星的觀測能力得到質的飛躍。衛星攜帶的微波探測儀器和紅外垂直探測儀實現了對大氣的三維探測，不僅可以了解雲和大氣的表面特性，而且可以探測大氣溫度濕度的垂直結構分布，這對天氣預報特別是數值預報有著非常關鍵的作用。

風雲三號A星中解析度光譜成像儀全球影像鑲嵌圖，圖片來源：中國氣象局、國家衛星氣象中心

風雲三號B星是我國第一顆下午軌道氣象衛星，與A星共同實現了極軌氣象衛星「上、下午星組網觀測」的布局，將全球觀測時間解析度從12小時提高到6小時，進一步增強了我國防災減災和應對氣候變化能力。

風雲三號C星則是風雲三號系列衛星中第一顆業務衛星，實現了從科研試驗衛星到業務應用衛星的轉變。風雲三號C星的資料被我國和國際同行應用於數值預報模式，歐洲數值預報中心和英國氣象局表示衛星數據質量與歐美同類儀器相當，對數值天氣預報準確度有改進。

2017年11月15日發射的風雲三號D星作為現在國內光譜通道數量最多的衛星更是備受關注，星上裝載了10台/套先進的遙感儀器，其中四台為全新儀器，一台為改進儀器，五台繼承儀器。

D星裝載四台全新儀器,分別探測溫濕度、溫室氣體、極光和電離層

紅外高光譜大氣垂直探測儀（HIRAS）採用了目前國際上最先進的傅里葉干涉探測技術，可以實現地氣系統的高光譜解析度紅外觀測，提高大氣溫度和大氣濕度廓線反演精度1倍以上，極大提升對我國中長期數值天氣預報的支撐能力。

高光譜溫室氣體監測儀（GAS）是首次在風雲衛星上搭載的監測全球溫室氣體濃度的遙感儀器，可以獲取二氧化碳、甲烷、一氧化碳等主要溫室氣體的全球濃度分布和時間變化的信息，提高區域尺度上地表溫室氣體通量的定量估算，分析和監測全球碳源碳匯，為巴黎氣候大會溫室氣體減排提供科學監測數據。

廣角極光成像儀（WAI）是全球首台從空間大範圍獲取極光圖像的遙感儀器，在高磁緯地區可以實現極紫外波段、每2 分鐘一幅、約130°×130°範圍的極光圖像，空間解析度10公里，可以監視極光邊界位置、電離層全局圖像和沉降電子分布，實現極光強度和範圍、極區沉降粒子的現報，進而開展磁暴預報、磁層亞暴預報和極區電離層天氣預報。

電離層光度計（IPM）通過測量氧氣原子和氮氣分子的極紫外波段氣輝輻射強度，反演夜間電子濃度和白天氧氮比參數，實現電離層狀態及變化監測。這兩台儀器將提升我國空間基礎設施安全的保障能力，為國家航天強國戰略的實施提供支撐。

一台改進儀器，整合了原有兩台成像儀器的功能

中解析度光譜成像儀II型（MERSI-II）是D星的核心儀器之一，升級改進後可以與美國最新發射的聯合極軌氣象衛星的成像儀器相媲美，成為國際上最先進的寬幅成像遙感儀器之一。中解析度光譜成像儀整合了原有風雲三號衛星兩台成像儀器的功能，是世界上首台能夠獲取全球250米解析度紅外分裂窗區資料的成像儀器，可以每日無縫隙獲取全球250米解析度真彩色圖像，實現雲、氣溶膠、水汽、陸地表面特性、海洋水色等大氣、陸地、海洋參量的高精度定量反演，為我國生態治理與恢復、環境監測與保護提供科學支持，為全球生態環境、災害監測和氣候評估提供中國觀測方案。

D星正在處於在軌測試階段，目前衛星和儀器工作狀態良好，預計在今年汛期正式投入業務使用。這將極大提高對地球低層大氣動力參量、熱力參量、溫室氣體和高層大氣電場、磁場、高能粒子的探測能力，提升我國在全球數值天氣預報、全球氣候變化應對、生態環境監測和空間天氣預報等方面的能力和水平。

風雲三號D氣象衛星首幅圖像（雷州半島和青海湖），圖片來源：中國氣象局

風雲三號衛星是國內首次採用全譜段遙感方案的衛星，實現了從紫外、可見光、紅外到微波探測的多載荷、全球、全天候、多光譜、三維、定量綜合對地觀測。同時因為極軌衛星的特點，還可以提供全球範圍的氣象觀測資料，為做好突發災害性天氣預報，提高災害性天氣預報準確率提供支撐。滿足農業、交通、航空、航天、水利、環境、林業等行業對各類專業氣象觀測的新需求。

風雲三號衛星颱風監測，圖片來源：國家衛星氣象中心

風雲三號衛星大氣垂直探測，圖片來源：國家衛星氣象中心

氣象與航天科技的結合，讓智慧氣象發展到更高一個層次。「智」無止境，相信在未來，隨著科技的進步，我們會實現更高水平的氣象現代化。

氣象衛星如此厲害，為何卻無法實現精準預報？

大氣系統是一個極其複雜的混沌系統，預報是一個世界性的難題。2016年左右，美國的暴雨預報準確率也就是19%，在沒有互聯網+前，全世界最高性能的計算機系統基本全在各國的氣象部門。因此衛星觀測的能力強並不意味著預報精度會提高。

至今為止，物理學家從來沒有得到過滿意的氣象學理論。正如費曼先生在1961年所言，「首先，我們並不真正知道今天的空氣狀態，它太敏感而又不穩定。如果你看到水從堤壩上一瀉而下，在下落過程中形成各種各樣的水珠和水滴，你就知道不穩定是什麼意思了。水滴從哪裡開始的？是什麼決定了它的大小和位置？通通不知道。空氣就更難捉摸了。前一秒還是平緩地滑過平原，下一秒遇到山丘，就變成各種複雜的旋渦和渦流了。我們至今都無法分析這種湍流情況。」如今，我們的氣象衛星風雲三號雖然能夠準確地獲得當前的空氣狀態數據，但是在湍流問題解決之前，我們永遠不可能精準地預測天氣，包括颱風等極端天氣的預報。

那麼，當今的超算技術能否解決湍流問題呢？「湍流的尺度非常小，我們還無法真正解決湍流問題，這是一個漸進過程」，中國科學院吳立新院士在上個月接受騰訊科普採訪時說到，「超算技術在一定程度上能夠提高天氣預報的準確性，但是，我們可能永遠無法做到百分百的準確預報。」

文/張琳，國家衛星氣象中心

審稿/錢航，中國科學院國家空間科學中心博士，現運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師

文章由「科普中國頭條創作與推送項目」團隊推出

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