1.引言

　　自20世纪60年代起，美国运行着两个独立的极轨气象卫星系统：由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）管理的极轨运行环境卫星系列（POES）和由美国空军管理的国防气象卫星计划（DMSP），之后，军民两个卫星系统历经分分合合。这些卫星获取的环境数据经处理后用于提供天气图像和专业的天气产品。同时，卫星数据还是数值天气预报模式中所采用的最主要资料，而该模式是用于提前预报天气以及预报飓风路径和强度的首要工具。根据NOAA报告，美国国家气象局用于制作三日及以上天气预报产品的数值天气预报模式，其中80%的同化数据来源于极轨卫星[1]。天气产品和模式也被用于预测恶劣天气的潜在影响，使社区和应急管理人员可以帮助预防和减轻这种影响。极轨卫星还为环境现象监测提供数据，例如臭氧损耗和干旱状况，研究人员也利用数据集开展了关于气候监测的各种研究。

　　不同于地球静止轨道卫星与地球保持一个相对固定的位置，极轨卫星不断的环绕着接近南北两极的轨道运动，提供能够影响天气和气候的覆盖全球的状况信息。由于地球也在做自转运动，每颗卫星一天的观测可覆盖全球表面两次。

　　目前，NOAA的一颗卫星——索米国家极地轨道伙伴卫星（SuomiNPP）和DMSP的两颗卫星分别定位于清晨、上午中段和午后经过赤道。除此之外，美国还依靠一颗欧洲的气象业务卫星Metop，来负责上午轨道的观测（图1）。除业务卫星之外，NOAA、美国空军和欧洲气象卫星组织依然维持一些老旧卫星继续进行数据收集，作为业务卫星的备份，以避免其失效或故障带来的影响。　　

2.美国极轨气象卫星的发展历程

　　气象卫星的历史可追溯到1958年。当时，美国国防部开始开发专门用于气象相关的航天器，该航天器被命名为电视红外观测卫星（TIROS）。1959年美国国家航空航天管理局（NASA）接管项目。自1960年以来，美国极轨气象卫星的发展共分为5个不同的阶段。

2.1 1960-1965年的TIROS系列

　　1960年4月1日，第一颗气象卫星TIROS-1在美国佛罗里达Cape Canaveral发射成功。这颗极轨卫星为预报员提供了第一张云图（图2），展示了云的发展和移动过程，从此开启了一个更准确预报天气的时代。TIROS的开发由NASA负责，NOAA的前身环境科学管理局（ESSA）负责TIROS的管理。

　　其余的极轨TIROS研究卫星在接下来几年陆续发射，用于测试新的光学镜片和传输技术。例如，TIROS-8用于测试一个图像自动传输系统，可以直接将图片传送到地面接收站。1965年发射的TIROS-9卫星，首次获取了地球整个白天日照部分的完整覆盖图。

　　1965年7月2日，第一颗临时业务气象卫星TIROS-10发射。同年，Nimbus-1卫星搭载红外传感器，从太空捕获了第一张夜间图像。TIROS-10和Nimbus-1证明了携带不同仪器和不同环绕地球轨道的气象监测卫星业务系统的可行性。这些早期系统引发了更复杂的气象观测卫星的发展。从1960年4月1日到1965年7月2日，总共有10颗TIROS卫星相继发射（表1），这些卫星确保了早年间数据的连续性[2]。　

2.2 1966-1969年的ESSA系列

　　随着ESSA-1和ESSA-2的发射，世界上第一个业务气象卫星系统于1966年得以实现。ESSA项目的启动是作为TIROS项目的延伸和补充，为美国国家气象中心提供云层摄影。大约四年间，ESSA卫星向地球传输了数千张图像，使得对天气类型包括飓风的预测能够进行。1966年2月3日-1969年2月26日期间，共有9颗ESSA系列极轨卫星发射（表2）。其中奇数号的卫星携带高级光导摄像系统，将资料发送到指令站；偶数号卫星携带自动图像发送器，可向全球发送卫星资料[3]。

2.3 1970-1976年的ITOS/NOAA系列

　　1970年1月23日，改进的TIROS业务系统（ITOS）系列第一颗卫星成功发射，被命名为ITOS1。之后，该系列卫星改名为NOAA系列。1970年12月11日至1976年7月29日期间，NOAA-1至NOAA-5系列卫星发射（表3）。NOAA-1是NOAA于1970年10月成立后发射的并以其名命名的首颗卫星。

    与ESSA业务卫星相比，这一代卫星有了很大的改进。ITOS/NOAA采用三轴定向稳定姿态，使仪器能够连续的对地面观测和获取充分的太阳能。卫星可提供昼夜云图、同步数据广播以及数据存储供地面站之后回放。卫星还对雪、冰和海洋表面进行观测，并收集每天的温湿度廓线数据。卫星携带的甚高分辨率辐射计（VHRR），提高了观测分辨率。　

2.4 1978-2009年的TIROS-N/NOAA系列

　　1973年，NOAA奉命将美国国防部空军DMSP计划的Block5D开发航天器设计应用于下一代的极轨卫星系列。1978年10月13日，该系列的第一颗卫星TIROS-N成功发射，N表示新一代的业务卫星。TIROS-N搭载了4光谱通道的先进甚高分辨率扫描辐射计（AVHRR），能够提供昼夜的可见光和红外数据。后继发射的卫星继续以NOAA命名，NOAA-6和NOAA-7相继发射。1983年3月28日，第一颗改进TIROS-N系列卫星发射，命名为NOAA-8。改进后的卫星体积变大，能源充足，能够携带更多设备。与上一代相比，这一代卫星的观测次数、观测通道和观测资料内容均有所增加。

    1998年5月13日，NOAA-15即NOAA-K发射。这是支持三个先进微波探测器单元AMSU-A1、AMSU-A2、AMSU-B的专用微波仪器套装系列卫星的第一颗。该微波探测单元主要用于有云情况下的大气温度和湿度探测。此外AVHRR还新增了一个观测通道，用于对大气气溶胶的探测。1998-2009年间，该系列共有NOAA-15至NOAA-19即NOAA-K、L、M、N、NPrime共五颗卫星发射成功。

    到目前为止，TIROS-N/NOAA系列共有15颗卫星发射成功（表4）。

2.52011年至今的SNPP/JPSS系列

　　联合极轨卫星系统（JPSS）是美国的下一代极轨业务环境卫星系统。JPSS代表了在环境监测领域中重要的科技进步，将有助于推进气象、气候、环境和海洋科学的发展。

　　凭借超过40年的密切合作，2011年10月28日，NOAA与NASA联合推出了第一颗下一代极轨卫星SuomiNPP，成功的延续了这种合作伙伴关系。Suomi的命名是为了纪念已故的卫星气象学之父VernerE.Suomi。SuomiNPP被认为是连接NOAA在役极轨卫星系列和NASA地球观测任务以及JPSS卫星系列之间的桥梁。卫星上装载了五个世界领先的仪器：可见光/红外成像辐射计（VIIRS）、跨轨扫描红外大气探测器（CrIS）、先进技术微波探测器（ATMS）、臭氧成像和廓线仪（OMPS）以及云和地球辐射能量系统飞行模式5（CERESFM5）。星上的这些遥感探测器使它具有获取多通道图像、全天候气象要素三维分布、气溶胶和云的微物理特性、大气成分和地球大气辐射收支等地球物理参数的能力[4]。

　　基于SuomiNPP的成功，NOAA和NASA正按照预算和计划建造第二颗JPSS系列卫星，名为JPSS-1，预计于2017年初发射。JPSS系列计划将总共发射三颗卫星，JPSS-2预计于2021年发射[5]。目前NOAA负责JPSS项目的管理和运行，NASA负责JPSS航天器的开发和制造。

3.极轨气象卫星产品的应用

　　极轨气象卫星观测的覆盖范围大、时空分辨率高、均匀一致性好，卫星数据可广泛的应用于对地球环境资源的动态监测。例如天气分析和预报、气候研究和预测、全球海洋表面温度测量、大气温度和湿度探测、海洋动力学研究、火山爆发监测、森林火灾探测、全球植被分析、搜救等诸多应用。

3.1　天气分析预报应用

　　极轨气象卫星具有多星运行、多时相、多通道和定标定位精度高的优势，所提供的全球范围内全天候的云图和数据，是天气分析和预报形成过程中的重要辅助工具。卫星云图是最基本的也是最早在气象业务中发挥作用的卫星资料，它能为天气预报提供云参数、大气流场和大气物理过程等重要气象信息。通过云型可以诊断出其所代表的天气系统，确定其所处的生命阶段和估计其未来的移动和发展趋势。对于海洋、荒漠、冰川、高山等气象观测站点稀少的地区，卫星云图所提供的资料能够弥补常规气象观测的不足，有效的提高了预报准确率。

3.2　数值天气预报应用

　　长期以来，数值天气预报资料的主要来源是常规的地面观测与探空数据。但受人类活动与地理条件的限制，一些自然条件恶劣、人迹罕至的地区常规观测资料稀缺，制约着数值预报的发展。气象卫星观测的出现打破了这种局面，为数值预报质量的提高带来了新的机遇。

　　极轨气象卫星能够提供全球的大气、海洋、地表、云等信息，有效的弥补了常规探测的观测空白。这些海量信息是数值天气预报模式制作天气预报，尤其是中期天气预报的关键初始值。此外，卫星还可遥感陆地、海洋、冰雪状况，探测微量气体和气溶胶等，为数值预报模式提供其所必需的下垫面和大气成分信息，是大气以外资料的重要来源之一。

　　由于观测精度和数值预报的资料同化水平的限制，早期气象卫星资料的应用效果不佳。1989年，Eyre[6]提出了变分同化方法，直接同化卫星探测的辐射资料，开创了卫星资料在数值预报中应用的新时代。随着同化技术的发展和新的观测仪器的运行，卫星资料同化也获得快速发展。目前，发达国家的数值预报系统使用的卫星观测数据已经占了资料总量的绝大部分。卫星资料同化带来的数值预报初始场的改进，是近20年来全球数值预报质量快速提高的主要原因之一[7]。2012年，飓风桑迪改变移动路径，袭击了美国的东海岸。来自极轨卫星的观测资料使预报员对桑迪飓风这次臭名昭著的“左急转弯”成功的进行了预测。如果没有这些数据，天气模式将预报风暴发生在海上，不会识别出这次突然左转（图3）。

3.3　气候研究应用

　　自第一颗极轨业务气象卫星升空，已过去近四十年。卫星在业务化运行期间，尤其是NOAA的长时间序列卫星，积累了大量连续性的对地观测资料，成为气候与气候变化研究中地球物理参数的重要来源途径。

　　全球变暖是当前人们面临的首要气候问题，大气温度变化趋势的确定充满争议。传统的观测由于站点覆盖稀疏和仪器误差，得出的结论难以令人信服。NOAA极轨业务卫星系列的微波探测仪器提供了一个连续的大气温度观测资料，成为大气温度变化研究的有效手段。基于30年的星载微波探测仪MSU/AMSU-A的一维变分同化资料，NOAA卫星与应用研究中心得出了晴朗天气下大气温度的全球气候趋势。研究结果不仅显示了全球对流层的变暖和平流层的变冷，还表明对流层高层比低层的变暖更为强烈（图4）[8]。此外，国际卫星云气候计划收集了自1983年7月以来的卫星辐射测量数据，生成的云参数产品广泛应用于气候监测和预测、气候模式的完善等。　　

3.4　环境与灾害监测应用

　　气象卫星在灾害监测上的应用由来已久。气象卫星能够全天候稳定工作，快速准确的获取灾情信息，不受灾害影响，使其在灾害监测、灾情评估中具有独特的优势和无可比拟的重要性。随着卫星探测能力的增强，卫星资料在环境与自然灾害监测方面的应用也逐步深入，如洪涝、森林火灾、积雪和海冰监测等。极轨气象业务卫星NOAA/AVHRR资料的时间分辨率较高，适合对洪水灾害进行宏观的动态监测。1998年中国长江流域、嫩江流域特大洪涝灾害等事件中，气象卫星提供了大量的水情监测图像，充分发挥了其在大范围洪涝灾害中的宏观监测作用[9]。极轨气象卫星还被广泛用于大范围的火情监测，提供火灾位置、着火面积等信息。图5显示的是2014年9月17日美国加利福尼亚州北部大火“火王（KingFire）”的SuomiNPP卫星VIIRS图像。