0 引言 

　　2015年4月27日—5月1日，2015年NOAA（美国海洋大气管理局）卫星大会（NSC）在马里兰州Greenbelt成功举办。本次大会，在展示天基观测新技术的同时，也有一些天气气候预报新理念浮现，而这些创新性的思维，更多来自预报一线熟悉和每天在应用卫星数据的用户。本报告作为会议报道的第三部分，结合会议文件对欧洲气象卫星进展进行评介。

　　2015年7月15日，MSG-4卫星在法国库鲁成功发射。MSG-4升空进行业务运行后，将更名为Meteosat-11，这颗卫星也肩负了第二代与第三代卫星间承上启下的作用，具有重要的历史意义（图1.1）。作为欧洲气象卫星开发组织（EUMETSAT）第二代卫星中第四颗也是最后一颗卫星，MSG-4以初始状态被“存储”在其轨道上，直到第三代气象卫星开始“服役”。MSG-4进行业务化并开始服务后，将为下一代卫星发展提供重要的数据支持，而第三代气象卫星（MTG）预计在2019年和2021年发射。

　　

1 欧洲气象卫星开发组织目前运行的业务的卫星

　　欧洲气象卫星开发组织（EUMETSAT）目前运作着七颗业务气象卫星，分别是Meteosat-7，-8，-9和-10，Metop-A，Metop-B和Jason-2（图1.2-1.3），监测天气和气候，为研究人员和气象学家们提供了大量极端天气条件下的宝贵数据（表1.1）。7月15日，MSG-4也已发射升空。

　　

　　

1.1 METEOSAT系列地球静止轨道卫星：恶劣天气预报的重要监测手段 

　　30多年来，欧空局研究并制造了欧洲的轨道气象卫星——Meteosat系列地球静止轨道卫星，给欧洲的气象预报员和研究者提供了极大的帮助。两代活跃的Meteosat气象卫星——第一代气象卫星（MFG）和第二代气象卫星（MSG），不仅提供完整的地球圆盘图像，还为天气预报以及其他应用程序如水文、农业、环境研究以及风险防范和灾难等的预警提供关键的信息和图像。人们把收集到的数据用于气象和气候变化的研究。

1.1.1 当前的Meteosat系列卫星

　　气象卫星Meteosat-7，-8，-9和-10（表1.2）在赤道上方36000公里的地球静止轨道，为欧洲和非洲上空提供实时天气数据监测服务。

　　

　　Meteosat-10（于2012年在库鲁圭亚那空间发射中心发射升空）是主要的地球同步卫星，每15分钟一次提供完整的圆盘图像。

　　Meteosat-9（2005年发射升空）提供了快速扫描服务，每五分钟一次频繁地为欧洲的部分地区、非洲和邻近的海洋提供图像。

　　Meteosat-8（2002年发射升空）是双卫星结构的备份星。

　　Meteosat-7（1997年发射）是仅存的一颗第一代Meteosat气象卫星，为印度洋上空填补部分区域观测数据的空白，直至2017年脱离轨道。

　　MSG-4，于2015年7月15日发射，是第四颗也是最后一个MSG地球同步卫星。发射后将暂时留在轨道上，直到需要时启用。

　　METEOSAT系列卫星的这些服务对确保人民生活、财产以及公共基础设施，尤其在恶劣天气的情况下是至关重要的。

　　每一个Meteosat气象卫星预计至少保持在轨有效运行七年。欧洲气象卫星组织数十年来以“双卫星”结构进行临近预报的监测。当前的政策是保持两个卫星在轨道运行，即“双卫星”结构，当两颗卫星中最老的那颗接近退役期时发射一颗新的卫星。当第二代Meteosat卫星的生命期结束后，将开启第三代气象卫星系列时代。

　　最早的双卫星结构是由Meteosat-8和Meteosat-9构成，Meteosat-10升空后无疑成为第二代气象卫星系列里最年轻的一颗新星，Meteosat-9和Meteosat-10组成了新的第二代气象卫星系统的“双卫星”结构，即欧洲气象卫星应用组织认为的卫星观测最佳运作模式。“双卫星”结构卫星可以非常频繁地获取包含大量信息的大气图像，由此探测和监测快速发展的雷暴、雾等高冲击强度的天气现象未来几小时的发展并发出报警信息。

1.1.2 第二代气象卫星简介

　　MSG卫星系统紧随第一代气象卫星（MFG），由欧洲气象卫星开发组织和欧空局合作建立的，确保了从地球静止轨道得到气象观测资料的连续性。

　　MSG气象卫星携带一对仪器——一个是以12个可见光通道观测地球的旋转增强可见光红外成像仪（SEVIRI），另一个是用于研究地辐射收支的可见光红外辐射计的地球静止轨道辐射收支系统（GERB）。

　　MSG身体是一个圆筒形的太阳能鼓，直径3.2米，高2.4米（图1.4）。

　　

　　

　　

　　卫星本身是以一种模块化的方式（表1.3），以三个主要的组件构建的：

　　旋转增强可见光和红外成像仪（SEVIRI）位于中部；

　　GERB扫描辐射计位于中部；

　　任务通信有效载荷（MCP），包括天线和转发器，位于上层；

　　该平台支持子系统，位于较低层。

　　为使其有足够动力顺利进入地球同步轨道，也为了维护的目的，卫星采用了一个双向发射系统。这个系统由多个小型推进器构成，同时也用于高度控制。由八个弧形板建造的MSG太阳能电池板，环绕着卫星的身体。

1.1.3 第二代气象卫星的主要应用

　　（1）临近预报和短时临近预报

　　Meteosat气象卫星的主要作用是帮助检测和预测快速发展的高影响天气，如提前6小时预报雷暴或雾。达到6小时临近预报和短时临近预报，对生命、财产和建筑物基础设施的安全有至关重要的影响，更需要频繁获取大气的详细图像。

　　MSG卫星的SEVIRI仪器获得的数据，对于大范围临近预报的应用包括： 

　　• 密切监测可以形成发展强对流天气的对流运动， 

　　• 雾、沙尘暴、灰尘的监测， 

　　• 空气质量特性的评价。

　　气象卫星图像也被天气预报员用来检查和确认天气预报模式输出是否符合实际发生的天气现象，并调整相应的极短时预报。

　　（2）对流风暴预报

　　强对流风暴或雷雨，通常伴有大风、暴雨，有时还有冰雹。可能对欧洲和非洲的生命财产受到严重威胁。

　　MSG可以连续监测所有不同阶段的对流天气，从开始的大气不稳定，到存在对流天气可能性，以及发展到有成熟雷暴的性状。

　　Meteosat气象卫星每15分钟，甚至高达5分钟一次快速更新并发送图像，使气象工作者对于快速发展的强对流天气能及时发出警告。

　　（3）火山灰监测

　　Meteosat卫星具有监测火山灰云的能力，对于空中交通管理是重要的。尽管火山喷发对飞机的影响还没有完全研究清楚，但目前已有证据表明，飞机穿越火山云时引擎会停止工作。

　　第二代气象卫星（MSG）可以检测大气中的灰。正是由于这种能力，MSG卫星成为伦敦和图卢兹的火山灰咨询中心（VAAC）用于监测火山灰的主要卫星。VAACs由英国和法国气象局共同管理，负责为欧洲不同地区的空气发出火山灰警告。

　　在Eyjafjallajökull和Grímsvötn火山喷发期间，MSG对实时地跟踪了火山灰的迁移扩散起到了至关重要的作用。

　　用新的算法，从SEVIRI得到的数据将很快反馈无云区或云以上区域火山灰柱的高度、总量、火山灰粒子的有效半径等信息。

　　（4）雾的预报

　　气象卫星图像24小时监控雾的分布和移动。在与其他技术相结合，它可用于帮助检测和监测预报雾的形成和消散。这样的信息对于机场周边、主要交通网络以及运输航线和港口等敏感的局部地区尤其重要。

1.2 METOP卫星 

　　Metop由三颗极轨气象卫星组成，它们形成了欧洲气象卫星开发组织极地系统（EPS）的空间组成部分（图1.5）。EPS是初始极地系统的一部分，与美国共享。

　　

　　EPS计划的三颗极地轨道Metop卫星（表1.4），从2006年起将连续飞行超过14年。Metop-A（2006年10月19日发射升空）和Metop-B（2012年9月17日发射升空）都位于一个较低的极地轨道上，即817公里的高度，提供更详细的全球大气、海洋和陆地的观测资料。Metop-A服务用户期间，两颗卫星并行运行。Metop-C将于2017年发射升空。

　　Metop卫星继承了美国和欧洲新一代改进遥感装置的优点，携带了可以更加精确测量温度湿度、风速、风向和大气臭氧量的仪器，为气象学家和气候学家服务。

　　Metop把全球天气、气候和环境的观测带入了一个新时代，显著提高了气象业务，特别是数值天气预报（NWP）。

　　通过Metop上携带的仪器产生的数据被直接同化到数值天气预报模型，计算几小时到10天以上的预报。Metop上搭载的红外探测仪、微波辐射计和探测器，给数值预报模式提供的数据具有很高的垂直和水平分辨率，对计算全球大气温度和湿度结构具有十分重要的意义。

　　Metop-B第一天的预测的主要影响（图1.6）

　　

　　EPS也确保了气候变化监测中起重要作用的因子在长期监测中数据的连续性。例如改变模式在全球云、冰雪覆盖、海洋表面温度和风的分布。红外大气探测干涉仪（IASI），具有检测和精确测量二氧化碳等对气候有影响的气体的值和循环模式。这些由IASI收集的数据被输入数值模式，用季节和环流异常的函数，如南方涛动和北大西洋振荡函数（NAO），第一次给出了二氧化碳变化的全球分布。

　　EPS是欧洲为EUMETSAT和NOAA签署的初始联合极地系统协议（IJPS）的产物。Metop卫星位于低地球轨道，对应于当地的早晨，而美国负责下午观测。即使是在多云天气搭载在Metop的仪器也能观测日夜遥感探测地球的。

1.3 Jason-2

　　Jason-2可靠地提供详细的海洋数据，对了解天气预报和气候变化监测非常重要（图1.7）。Jason-2计划关系到两家业务和两所研究机构（EUMETSAT，NOAA，CNES和NASA）也带来了一个转变——从研究向业务应用转变。

　　

　　Jason-2的一个主要目的就是海洋表面地形测绘任务，其主要使命是支持海洋业务： 

　　• 近71%的地球表面被海洋覆盖 

　　• 世界上三分之二的人口居住在距海岸线60公里 

　　• 全世界一半的城市，有一百万多人，坐落在河口附近

　　海洋为食品和就业带来主要资源，但也会对生命和财产带来威胁，所以，海洋的“天气”预测是至关重要的。

　　Jason-2上的高度计是全球海洋观测系统的重要组成部分，可协同定位测量典型的波高、风速和海面地形。

　　Jason-2提供大范围海洋盆地，如大西洋数十年的振荡数据、尺度的变化、表面的风和海浪情况。Jason-2的测量有助于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）卫星资料同化，同时也帮助改善了全球大气和海洋预报。

　　Jason-2测高数据，帮助建立了长达十年的全球长期观测和分析厄尔尼诺和拉尼娜现象详细的分析，为发现海洋环流对气候的影响开辟了新的道路，也为海洋潮汐，湍流海洋漩涡和海洋重力提供了新的见解。海表面高度的信息能够研究表面海浪的演化和生长，对应于风和潮汐作用，就可以得出洋流的强度、漩涡和热锋。

2 欧洲未来卫星发展

　　欧洲卫星计划的目标是未来几十年继续覆盖全球的卫星观测。未来主要卫星有：Meteosat第三代气象卫星（MTG）、EUMETSAT第二代极轨卫星以及哥白尼卫星（图2.1）。

　　

2.1 MTG卫星

　　MTG卫星的主要任务是支持高影响天气的短时预测。它具有连续性和增强的MSG影像服务，添加了新的闪电成像能力，并且在世界上首次实现了创新的红外超光谱探测。这些能力都成为MTG卫星的短时预测的有力武器。

　　MTG还有一个次要任务，就是欧洲空气质量监测。需要哨兵4、IRS、IRST等卫星图像协同合作。

　　从2019年起，第三代气象卫星（MTG）将陆续发射六颗新的卫星：四颗MTG-I成像卫星（预计运行服务20年）以及两颗MTG-S探测卫星（预计运行服务15.5年）。这两种类型将被放置在地球同步轨道相同的经度上。MTG计划确保了直到21世纪30年代后期太空气象数据的获取。 

　　• MTG-I双卫星系统的图像任务:

　　每10分钟16个光谱带的全盘图像

　　每2.5分钟的欧洲天气快速成像

　　新闪电成像仪（LI） 

　　• MTG-S探测任务：

　　高光谱红外（IRS）探测

　　在欧洲上空每半小时一次的水蒸气、温度、O3三维绘图

　　将协同哥白尼哨兵-4紫外探测器进行的空气质量和大气化学监测

2.1.1 MTG的优点

　　利用第三代气象卫星（MTG），可以期待持续从的地球静止轨道可见光通道观测，也可利用红外及紫外/可见光探测仪器观测。

　　MTG系列卫星（图2.2）使欧洲气象卫星第一次不仅实现了可以为天气系统成像，还能通过对大气化学成分的复杂性进行分层和更深入的洞察，从而对大气层进行分析。MTG提供的10分钟一次的全盘图像，以及红外和紫外/可见探测任务所得到的数据，对未来产品的量化反演是非常关键的。

　　MTG的优点主要包括以下几方面：

　　（1）产品处理

　　为适应MTG成像仪、测深仪未来数据处理的需求，EUMETSAT地面段将要升级。卫星应用设施（SAF）的改进被认为在当前的规划阶段第二阶段SAF不断发展和运营阶段（cdop-2）。同样，中央应用设备在未来几年内也将升级，以适应MTG数据中央处理。

　　（2）图像服务 

　　• 光学成像 

　　灵活组合成像（FCI），具有以下特点： 

　　　　• 真彩色图像 

　　　　• 改善了大气水循环快速过程的气象信息，从而改善了极端天气的预报和早期预警 

　　　　• 提高陆面气溶胶的反演，对火山灰和空气质量监测很重要 

　　　　• 陆面白天总降水量 

　　　　• 改进非常薄的卷云的检测 

　　　　• 改进的云微物理过程的反演 

　　　　• 通过更高的空间分辨率，提高火灾探测和气候相关产品质量

　　下面的图片（图2.3-2.6）分别为从第二代气象卫星上的SEVIRI得到的图像和从NASA的Terra和Aqua卫星MODIS仪器得到的图像。从MTG得到的图像与从MODIS仪器得到的图像具有相同的分辨率。

　　

　　• 闪电成像

　　闪电成像仪（LI）搭载在MTG-I上，将连续测量以777.4nm的极窄带波长，在空间分辨率为4.5公里的星下点，发射能量大于4-7μjm-2sr-1的光脉冲阈值启动触发。向用户传递的信息将被转换成地闪的时间、位置和强度。此外，用户被提供累积的超过30秒的闪电资料，还可以根据用户的应用进一步叠加更长闪电时间。

　　它将补充美国NOAA的GOES-R和GOES-S卫星上的静止闪电测绘仪（GLM）。

　　闪电成像仪的优点： 

　　• 及时检测，监测，跟踪和推断活跃的对流区和风暴的生命周期发展； 

　　• 提高空中交通路由和安全的基本信息质量，作为全球地面闪电测量系统的补充； 

　　• 使用IC（云内）+CG（云地）闪电信息监测气候： 

　　• 通过监测和长期分析的雷电特性，将有助于评估气候变化对雷暴活动的影响； 

　　• 研究和监测大气中氮氧化物（NOx）的物理化学过程，对臭氧转化过程和酸雨的产生起着关键性的作用；

　　在全球范围内提供关于已知误差特性的信息，改进极短期预测预报模型对流事件验证算法。

　　（3）探测服务

　　• 红外探测

　　新的地球静止轨道探测器的服务是基于数值天气预报（NWP）群体的要求，以湿度和温度梯度的水平、垂直梯度的形式传递信息和反演产品。得出的信息对未来业务天气预报价值巨大。特别是一个较好的预报就是利用这种新的信息，根据这些先进的模式，再加上先进的数据同化能力得到的。

　　• 紫外探测

　　哨兵4的任务作为哥白尼联合哨兵4和5卫星的一部分，为气候协议监测（低层）和空气质量监测服务。哨兵4先前的任务主要是支持空气质量监测，以及对欧洲的超前预报。主要的数据产品是臭氧、二氧化硫、甲醛和气溶胶光学厚。

　　（4）同步搜索和救援（GEOSAR）信号转播

　　类似于以前的气象卫星系列，MTG将携带一个小型通信有效载荷（GEOSAR），转播406兆赫信标求救信号到欧洲中央接待站，通过信号迅速组织救援活动。对地静止的信号转接可以进行连续监测，并立即报警。

　　（5）数据采集和重传

　　继承了前辈特点，MTG还将从自动数据采集平台提供数据采集和转发服务，以收集和传递环境数据。

　　（6）数据访问

　　MTG的数据和产品生成于EUMETSAT应用地面部分，将提供近实时的传递机制，如EUMETCast和全球电信系统（GTS）。一些数据高速的实时传播，也可能是基于地面的高速通信网络。离线数据和时间序列数据和产品将通过数据中心获得。

　　（7）数据传送

　　NetCDF-4是FCI，LI和IRS仪器1级数据集生成的基线格式。NetCDF-4的选择符合当前气象界的趋势，因为它具有许多优点： 

　　• 处理大数据集的能力——MTG的全盘存档数据7GB，而目前是220MB； 

　　• 数据集是自我描述； 

　　• 更容易接纳的子系统。

　　BUFR，GRIB等格式，是当一个产品先前已经以这些特定的格式发送时才使用。

2.2 EPS第二代卫星（EPS-SG） 

　　EPS-SG（图2.7）代表了欧洲对未来联合极地系统（JPS）的贡献。JPS来自于最初的联合极地系统（IJPS），是在建立美国国家海洋和大气管理局（NOAA）时就计划好的。

　　

　　极地轨道卫星，由于其覆盖全球的各种无源和有源传感器，可以部署在低地球轨道，对数值天气预报（NWP）最显著的积极影响。初始联合极地系统（IJPS），共享EUMETSAT和NOAA，用各种观测资料实时输入数值预报模式，得到的第1天的预报结果所减少的总误差约占减少的总误差的45%。

　　极地轨道卫星还为高纬度地区高影响天气预报提供独特的红外和微波图像输入。这些对所有欧洲气象卫星组织成员和合作国国家气象服务是至关重要的。

　　在2020–2040的时间内，EPS-SG计划预计将是一个对所有基于数值预报的天气预报卫星观测资料的最重要来源。通过其集成到JPS和气象卫星协调组（CGMS）与世界气象组织的合作模式，它预计将直接增加社会经济效益并为各成员国带来额外的好处。

　　欧洲航天局将制定METOP第二代卫星和一些仪器，与法国国家空间研究中心(CNES)和德国航空航天中心（DLR）发展的一些关键的仪器。

　　欧洲气象卫星组织将提供发射服务及发射和早期轨道阶段（LEOP）服务并且运作卫星的期限为21年。

2.3 哥白尼卫星

　　欧盟委托欧洲气象卫星组织负责开发四个哨兵卫星，作为哥白尼太空组成部分，致力于大气、海洋和气候监测。

• 哨兵系列

　　哨兵3是一个低地球轨道任务卫星，支持有关全球海洋和陆地的环境服务，以高精度和可靠性支持海洋预报系统和对环境和气候的监测。哨兵3是哨兵系列卫星之一，是哥白尼的计划的组成部分。哥白尼计划将会对星球做一个连续的“健康检查”。按照哥白尼计划，EUMETSAT将负责哨兵-3（海洋部分）、4和5的运行，ESA负责哨兵1、2和3（陆地部分）的运行。

　　第一个哨兵3卫星（sentinel-3a）目前已计划2015年10月从俄罗斯普列谢茨克航天器发射场，随后第二个哨兵3卫星（sentinel-3b）发射，他们一起工作，以提供最大的覆盖面。

　　哨兵3的任务是提供连续的长期收集遥感海洋和土地数据，以统一的质量为海洋业务的分析，预测和提供服务。该任务的主要目标是确定参数，如海面地形、海洋和陆地表面温度，以及海洋和陆地表面的颜色。哥白尼计划卫星对海洋和陆地环境近实时数据处理和交付，使其可以更广泛的服务以继续其使命。

　　哨兵4和哨兵5是大气传感器，置于MTG和EPS-SG上。哨兵5将绘制发电厂重工业和公路运输等产生的污染地图。

　　哨兵6雷达高度计的任务是哥白尼计划的一部分，以提供全球海平面高精度测量的目的。Jason-CS（服务连续性）是欧洲气象卫星组织直接投资、开发并应用于哨兵6任务。

• JASON卫星

　　Jason-3（图2.8）和Jason-CS（哨兵6）都致力于哥白尼计划的任务，为哨兵卫星数据提供补充，以确保一个令人满意的完整的观测要求的范围。Jason-3将于2015年夏末于范登堡发射。

　　

　　

　　作为支持的业务海洋学的海洋表面地形测绘任务的一部分，Jason-3将确保为哥白尼服务提供关键数据，特别是哥白尼海洋服务。为使资源优化，EUMETSAT计划合并Jason-2和Jason-3。

　　通过联合jason-3以及两个Jason-CS卫星的开发和发展，在充分的协同作用下，哥白尼哨兵3卫星的海洋使命确保了至少到2030年海洋表面地形高精度观测的连续性。

　　 

　　附录：NOAA与EUMETSAT的合作

　　1985年：临时负责Meteosat卫星数据收集系统（DCS），当时Meteosat-1已经具备，而紧接着的Meteosat-2的DCS却失败了，受西部大西洋上的一颗美国卫星GOES-4影响。

　　1992年：由于大西洋上的数据覆盖（ADC），NOAA和欧洲气象卫星组织之间开始交换信件。当时，欧洲地球静止卫星（METEOSAT-3）开始运行，覆盖从一个位于50°W的位置到NOAA要求的大西洋上方。

　　1993年：形成了一份包括培训、科研在内的支持协议和一个通用的合作协议

　　1995年：获取图像的协议，包括数据交换，数据分布（NOAA是EUMETSAT在美国境内数据分配器）。随着欧洲业务的发展，美国的基础设施的建设，使这些交流成为可能。协议为了涉及MSG，于2003更新。

　　1998年：初始联合极地系统开发协议（IJPS），涉及欧洲和美国2颗NOAAPOES卫星和欧洲2颗Metop卫星之间的应用仪器交换。

　　2003年：IJPS以联合过渡协议作补充，涉及三分之一EUMETSATMetop卫星，并为2015年联合极地系统协议的签署铺平道路。

　　2004年：关于极轨卫星气象培训的合作协议。

　　2006年：IJPS补充了数据拒绝实施计划，在战争或危机的情况下，使美国拒绝存取欧洲卫星上的仪器得到的数据。

　　IJPS现在包含当斯瓦尔巴特群岛出现问题时，Metop数据从麦克默多的获得，以及从费尔班克斯数据采集。

　　欧洲气象卫星组织与NOAA，法国国家空间研究中心，美国宇航局合作Jason2和Jason3。

　　目前，欧洲气象卫星组织和NOAA正在密切合作，巩固共同的通信基础设施。

　　直播网（DBNett）美国和欧洲的直接广播接收的极地轨道卫星数据连接。 

　　现在JPS协议双方同意，一旦EPS-SG计划在欧洲气象卫星组织被批准就签署协议。

　　国际合作

　　全球地球观测系统（GEOSS）（如：GEONETCast）

　　地球观测卫星委员会（CEOS）（如：星座海洋学）

　　气象卫星协调组（CGMS）

　　未来合作

　　特别是在业务海洋学（Jason系列和业务海洋学测量长期战略）