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日本新一代地球静止气象卫星——葵花8/9号 发布日期 :2024-04-07  

王喆 唐伟 李博

(中国气象局发展研究中心)

  

• 日本静止气象卫星发展简史

  自1977年以来,日本分别运转了一系列的静止气象卫星,到目前为止历经两代共7颗。它们定位于东经140度左右,是亚太地区重要的气象卫星,并一直致力于贡献世界气象组织的“世界天气监测网(WWW)”工程(图1.1)。

  

  第一代静止气象卫星GMS,共发射5颗,并由美国帮助制造。首颗GMS于1977年7月14日在美国发射,而后续卫星均由日本自行发射,直到1995年发射升空了最后一颗GMS卫星(GMS-5),并一直服役到2003年。GMS气象卫星姿态控制均为自旋稳定方式,可见光和红外自选扫描辐射仪(VISSR)是其主要探测仪器。以GMS-5为例,其观测能力较前4颗有较大改进,除原有的可见光通道(0.55-0.90μm)和红外窗区通道(10.5-12.5μm)外,新增加了用于观测对流层中层水汽辐射的6.5-7.0μm的水汽通道,并将原来的红外窗区通道分裂成两个10.5-11.5μm和11.5-12.5μm的单独通道,可见光通道星下点分辨率为1.25km,红外和水汽通道星下点空间分辨率为5km。每小时至少可以获得一张全圆盘图,可利用VISSR可对台风、气旋、锋面等天气现象进行观测,并可从所获取的卫星观测资料中提取诸如地表和云顶温度、云顶高度、云量、云分布、云迹风等气象参数。GMS卫星运行相当稳定靠,其资料在我国应用广泛,曾是我国天气预报应用最多的卫星资料。

  20世纪末,日本开始发展其第二代静止气象卫星MTSAT(多功能传输卫星),具有气象和航空管制双重功能,设计寿命5年(气象探测)至10年(航空管制)。首颗MTSAT卫星(MTSAT-1)1999年11月由于火箭的原因发射失败,而其替代卫星MTSAT-1R又由于种种原因推迟到2005年才发射成功。因此2003年至2005年是GMS-5退役和MTSAT-1R发射成功之间形成的观测空白期,美国调用了GOES-9卫星来弥补。第三颗MTSAT卫星(MTSAT-2)于2000年2月24日发射,作为1R的备份定位于145°E,同年7月1日与1R进行了业务转换。自MTSAT-2卫星发射后,日本才以“HIMAWARI-6”和“HIMAWARI-7”重新命名了MTSAT-1R和MTSAT-2(前五颗GMS分别为HIMAWARI1-5),而MTSAT的名称多见于西方的出版物(表1.1)。

  

  MTSAT卫星的姿态由自旋稳定改为三轴稳定,这带来一系列优点,如成像时间缩短,图像信噪比、灵敏度和精度提高,探测时间灵活可控等。“MTSAT-2”每30分钟拍摄1次北半球的图像,间隔时间是上一代卫星的一半,这有助于更好地把握台风和云层的移动情况。同时,其扫描辐射计通道由4个增加到5个,可见光分辨率由1.25km提高到1km,红外分辨率由5km提高到4km(表1.2)。

  

• 葵花8/9发射计划与主要规格

  据日本气象厅卫星中心官网介绍,“葵花-8”计划于2014年10月7日发射,并在2015年投入运转。为了确保卫星的稳健运行,还计划在2016年发射第二颗卫星“葵花-9”在轨道上待命(图1.2)。

  

• 新的观测能力

  葵花8/9最显著的特点是其搭载的最新型的扫描辐射仪AHI,具有16个观测波段(3个可见光波段,3个近红外波段,10个红外波段),仅通道数量上就比上一代的MTSAT提高3倍。

  葵花8/9与MTSAT一样,采用三轴定向稳定姿态控制方式。但MTSAT全盘扫描是30分钟左右一次,而葵花8/9缩短为每10分钟一次(图1.3)。同时,葵花8/9还可高频观测特定地区,例如,可做到每隔2.5分钟观测一次日本本土范围大小,或者跟踪台风等中尺度系统。如果将观测范围缩小,甚至可以每30秒观测一次选定范围。

  

  葵花8/9的空间分辨率(图1.4)也做了进一步改善,是MTSAT系列的两倍。其可见光波段为1km,而红光波段(0.64μm)最高为0.5km,近红外为1km,其余红外波段为2km。

  

  这些重大改进(表1.3)使得监测热带气旋和带来局地暴雨的云层运动变得前所未有的精确,同时还可以非常准确地监测到火山灰和气溶胶的分布。

  

• AHI观测通道简析

  表1.5列出了AHI16个观测通道的中心频率,与MTSAT相比,有如下显著特点:一是可见光波段由一个变为三个,并分别代表红绿蓝三原色,可合成全彩色图像;二是红外窗区(10.3-12.5μm)由两个变为三个;三是增加了若干近红外通道与水汽、SO2、CO2等气体的吸收通道。AHI各通道的作用详见表1.4。由于每个通道对于观测目标物的不同特性,葵花8/9搭载的16通道AHI将会为科学家们基于单通道的观测以及不同通道的组合开发更加丰富的气象观测产品提供强有力的支撑(图1.6,图1.7)。

  

• 与GOES-R和风云四号卫星的比较

  由于美日同盟的关系,日本和美国在卫星领域合作十分密切。葵花8/9卫星的设计制造、仪器参数、观测能力与美国下一代静止气象卫星GOES-R很相似。特别是GOES-R卫星搭载的最主要的观测仪器——先进基线成像仪(ABI),性能参数与AHI十分类似。表1.5可以看出,ABI与AHI同为16通道,通道中心频率几乎相同,观测分辨率也一致,只不过AHI取消了ABI的1.38μm观测通道(该通道对卷云敏感),而增加了0.51μm绿光通道,以便进行RGB全彩色图像合成。葵花8/9观测时间分辨率要比GOES-R高。GOES-R的ABI做全圆盘扫描15min一次,区域观测5min,均低于葵花8/9的10min一次全圆盘扫描和2.5min的区域观测。

  由于风云四号还在研制阶段,根据目前了解到的情况,其搭载的多通道扫描成像辐射计(AGRI),其成像通道共14个,包括两个可见光、四个近红外与短波红外和八个红外通道(见表5)。与葵花8/9和GOES-R相比,少了7.3μm水汽通道、9.6μm臭氧吸收通道,红外分裂窗通道还是传统的两个。地球圆盘图像成像时间与GOES-R相同,为15min。空间分辨率比AHI、ABI要低。但是,风云四号卫星搭载了多种探测仪器,除了成像仪之外,还包括大气垂直探测仪、闪电成像仪、CCD相机、地球辐射收支仪、空间环境探测仪等。葵花8/9只搭载了AHI与空间环境探测仪;GOES-R也由于经费的原因,取消了大气垂直探测仪。

• 新一代葵花卫星应用和发展前景

  新一代葵花卫星将具有更高的观测能力,可以使用户对云的特性和微观物理结构进行更加深入的分析。为了最大限度的开发新一代葵花卫星观测产品,发挥其优势,日本气象厅会促使其所属的卫星气象中心(MSC)与其他相关部门进行合作,共同设立新的开发环境和研发平台。未来,日本气象厅将与国际气象卫星协调组织(CGMS)其他成员合作,共同致力于进行观测产品的科学研发工作。特别是对于EUMETSAT和NOAA/NESDIS,因为他们已经开始运转或正在准备使用下一代多通道成像仪设备(MSG和GOES-R)。

  目前来说,新的成像仪对大气运动矢量(AMV),晴空辐射(CSR),云格点信息(CGI),海表面温度(SST)等产品的改进是显而易见的。特别是AMV产品,更高的图像分辨率和更频繁的观测将会提供更好的目标跟踪精度,而新增加的观测通道由于其吸收权重函数最大值高度的不同,将会对AMV风矢量高度的指定产生积极作用。

  新的成像仪器也会带动新观测产品的研发。目前JMA正在致力于研发两种观测产品,不稳定指数和火山灰观测。不稳定指数是通过大气廓线中的温度和湿度计算而来,可使用基于葵花8/9卫星多波段观测的一维变分(1D-Var)方法进行反演。而各国对火山灰的观测也逐渐重视,因为它会直接影响飞机的飞行安全。目前MTSAT的10.8μm和12μm的红外图像可用于监测火山灰。但是,定量的信息也是需要的,可以预期通过葵花8/9的观测可以获得诸如火山灰的密度和高度等的定量信息。JMA已经开始在EUMETSATMSG算法和NOAA/NESDIS算法的基础上开发新产品。