■張文建

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世界氣象組織全球綜合觀測系統(tǒng)（WIGOS）空間部分2040年遠景發(fā)展規(guī)劃的解讀

■張文建

由世界氣象組織（WMO）基本系統(tǒng)委員會牽頭制定的WMO全球綜合觀測系統(tǒng)（WIGOS）的2040年遠景發(fā)展規(guī)劃，需要對兩個方面開展預(yù)測，即預(yù)測氣象服務(wù)需求和預(yù)測科技發(fā)展進步。WMO期望該遠景發(fā)展規(guī)劃有助于各會員國提前預(yù)測氣象部門應(yīng)對未來氣象服務(wù)需求所面對的挑戰(zhàn)，也期望全球航天機構(gòu)及衛(wèi)星操作國在考慮制定本國的氣象衛(wèi)星和相關(guān)對地觀測衛(wèi)星遠景發(fā)展規(guī)劃時，充分考慮將WMO綜合觀測系統(tǒng)空間部分的遠景發(fā)展規(guī)劃作為需求牽引的指導(dǎo)。

1　引言

第17屆世界氣象大會（2015年）贊同由世界氣象組織（WMO）基本系統(tǒng)委員會（CBS）牽頭制定WMO全球綜合觀測系統(tǒng)（WIGOS）的2040年遠景發(fā)展規(guī)劃。這個新的遠景發(fā)展規(guī)劃應(yīng)當(dāng)作為WMO的綱領(lǐng)性指導(dǎo)文件，充分地考慮到2040年可能出現(xiàn)或演進的新的氣象服務(wù)需求（包括多種新的應(yīng)用領(lǐng)域，例如氣候服務(wù)、空氣質(zhì)量預(yù)報和監(jiān)測、水圈和冰雪圈的監(jiān)測服務(wù)需求等），并對到2040年的全球觀測系統(tǒng)格局和信息技術(shù)的發(fā)展進步進行預(yù)測。

WMO的第一個全球觀測系統(tǒng)（GOS）2015年遠景發(fā)展規(guī)劃于2002年發(fā)布，此后以此規(guī)劃為指導(dǎo)于2005年制定并發(fā)布了全球觀測系統(tǒng)演進發(fā)展實施計劃（EGOSIP）。2009年，WMO發(fā)布了全球觀測系統(tǒng)（GOS）2025年遠景發(fā)展規(guī)劃，并于2012年更新發(fā)布了新的全球觀測系統(tǒng)演進發(fā)展實施計劃（EGOS-IP 2025）。

本文主要闡述和解讀新的全球綜合觀測系統(tǒng)2040年遠景發(fā)展規(guī)劃的空間觀測系統(tǒng)（以下簡稱遠景發(fā)展規(guī)劃）。推動制定2040年遠景發(fā)展規(guī)劃的三個主要因素如下。

1）在WIGOS框架中設(shè)定規(guī)劃目標(biāo)。需要特別提出的是，原來的2025年遠景發(fā)展規(guī)劃是針對全球天氣監(jiān)測計劃（World Weather Watch）下的全球觀測系統(tǒng)（GOS）的遠景發(fā)展規(guī)劃，主要以滿足天氣監(jiān)測為主，兼顧其他計劃。而2040年的遠景發(fā)展規(guī)劃是在WIGOS框架下。WIGOS包括了目前WMO的全部全球觀測系統(tǒng)，即世界天氣監(jiān)測計劃下的全球觀測系統(tǒng)、監(jiān)測全球大氣成分的全球大氣監(jiān)測計劃（GAW）、WMO水文觀測系統(tǒng)和正在建立的全球冰凍圈監(jiān)測計劃（GCW）等。全球空間天氣監(jiān)測也逐步成為WIGOS的一個重要組成部分。近年來WMO新發(fā)展的一些應(yīng)用項目或計劃，其觀測需求并沒有包括在以前的2025年遠景發(fā)展規(guī)劃中，例如2009年啟動的全球氣候服務(wù)框架（GFCS），2011年啟動的全球冰凍圈監(jiān)測計劃（GCW），空氣質(zhì)量的預(yù)報監(jiān)測，全球空間天氣服務(wù)需求等等。所以WIGOS框架下的2040年遠景發(fā)展規(guī)劃的范圍大大拓展了，其目的就是通過這個框架性的遠景發(fā)展規(guī)劃，滿足WMO全部計劃的觀測需求。

2）在對2040年空間技術(shù)進步預(yù)測的框架下設(shè)定目標(biāo)。新技術(shù)的發(fā)展是漸進性的，包括新的遙感儀器、新的衛(wèi)星軌道概念、衛(wèi)星間的組網(wǎng)配合、星上數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)壓縮、新的數(shù)據(jù)傳輸手段等等。在過去數(shù)十年間一些研發(fā)衛(wèi)星計劃，例如全球熱帶降水測量計劃（TRMM）、全球降水測量計劃（GPM）、美國和歐洲相關(guān)國家的海洋觀測計劃等，都非常及時地響應(yīng)了WMO的觀測系統(tǒng)遠景發(fā)展規(guī)劃，所以WIGOS的2040年衛(wèi)星系統(tǒng)遠景發(fā)展規(guī)劃，有意將這些衛(wèi)星系統(tǒng)納入WMO空間計劃的2040年業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)之中。

3）由于氣象衛(wèi)星的高效益和對于社會公益事業(yè)的不可估量的貢獻，近年來已經(jīng)有一些重要發(fā)展預(yù)示著全球氣象衛(wèi)星操作者進一步擴大的可能性。目前出現(xiàn)的氣象衛(wèi)星商業(yè)化發(fā)展的苗頭，既可望增強對全球氣象衛(wèi)星體系的貢獻，也帶來了國際協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)政策上的復(fù)雜性。

將新的全球綜合觀測系統(tǒng)遠景發(fā)展規(guī)劃設(shè)定在2040年，主要是因為氣象衛(wèi)星的發(fā)展越來越體現(xiàn)出長遠發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)的重要性，所以遠景發(fā)展規(guī)劃應(yīng)該超前于目前世界主要空間大國已經(jīng)基本確定的空間計劃，并應(yīng)包括新的衛(wèi)星軌道的使用，可能的新興衛(wèi)星國家的加盟，以及業(yè)務(wù)衛(wèi)星與科學(xué)技術(shù)先導(dǎo)衛(wèi)星、商業(yè)衛(wèi)星的有機結(jié)合等等，以便體現(xiàn)出超前性和指導(dǎo)性。同時，遠景發(fā)展規(guī)劃應(yīng)該既體現(xiàn)出雄心勃勃的發(fā)展氣勢，但又需考慮到技術(shù)實現(xiàn)的可行性。

2　2040年氣象業(yè)務(wù)服務(wù)需求預(yù)測

聯(lián)合國關(guān)于 2015 年后可持續(xù)發(fā)展議程綜合報告中提示的社會發(fā)展趨勢，WMO最新的發(fā)展戰(zhàn)略報告（2016—2019年）中提出的全球社會需求，以及聯(lián)合國其他相關(guān)組織（如世界衛(wèi)生組織，世界糧農(nóng)組織等）的發(fā)展戰(zhàn)略和相關(guān)報告，為展望和預(yù)測2040年氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)發(fā)展的需求提供了重要的參考依據(jù)。

1）氣象服務(wù)于減災(zāi)防災(zāi)。高影響天氣、海洋天氣、氣候和水文事件（風(fēng)暴、洪水、干旱等）可在全球范圍造成災(zāi)難性后果，可導(dǎo)致大量人員傷亡、流離失所和社區(qū)遭到破壞，造成的社會和經(jīng)濟成本是巨大的，僅財政影響本身就十分可觀。從WMO發(fā)展戰(zhàn)略報告提供的1970—2009年期間每十年全球經(jīng)濟損失總值（圖1），可以看出各類氣象水文災(zāi)害造成的每十年經(jīng)濟損失有明顯增加的趨勢。在過去十年間全球每年因自然災(zāi)害帶來的保險損失約100億～500億美元。進一步提升氣象服務(wù)對于防災(zāi)減災(zāi)的貢獻可以更好地體現(xiàn)氣象服務(wù)的社會經(jīng)濟效益。按災(zāi)害類別劃分，風(fēng)暴和洪水分別占據(jù)災(zāi)害損失的第一和第二位，且明顯高于其他災(zāi)害造成的損失。隨著氣候變暖造成極端天氣氣候事件頻次進一步增加且強度增大的總體趨勢，這兩個方面的防災(zāi)減災(zāi)氣象服務(wù)未來（到2040年）必定仍然是重中之重。

圖1　1970—2009年按災(zāi)害類別劃分的每十年全球經(jīng)濟損失總值，均調(diào)整到2011年的價值并以10億美元為單位（出處：WMO和CRED，2013年）

2）沿海和大城市氣象服務(wù)。到2040年全球人口將達到接近90億，其中估計有7億人生活在極度貧困中；目前全球有50%以上人口生活在城市地區(qū)，而到2040年居住和生活在城市中的人口將達到70%左右，且更多集中在沿海地區(qū)。這個趨勢表明，精細化的城市和沿海地區(qū)氣象服務(wù)將成為突出的氣象服務(wù)需求。

3）空氣質(zhì)量預(yù)報和監(jiān)測服務(wù)。世界衛(wèi)生組織2014年報告指出，2012年有700萬人由于空氣污染過早死亡，其中在東南亞的中等和低收入國家和西太平洋地區(qū)尤其嚴重，而死于室內(nèi)空氣污染和室外空氣污染的人數(shù)分別為330萬和260萬人。隨著人們對于未來提高生活質(zhì)量的追求，未來空氣質(zhì)量的預(yù)報和監(jiān)測必將成為氣象服務(wù)的重要需求之一。

4）氣象服務(wù)于經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。聯(lián)合國秘書長報告預(yù)測，2050年將有7.8億人口無法獲得清潔水；將有13億人缺乏電力供應(yīng)等等。全球氣候服務(wù)框架確定的五個重點領(lǐng)域（農(nóng)業(yè)、減災(zāi)防災(zāi)、水資源、健康和能源）基本涵蓋了國家可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的氣候服務(wù)需求，明確了增強和全面改進氣候服務(wù)信息的重要性。隨著未來氣象服務(wù)的質(zhì)量進一步提高和范圍的進一步拓展，必將為更多的國家經(jīng)濟社會支柱產(chǎn)業(yè)（航空、交通、旅游、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、保險等）提供更好的增值服務(wù)。

3　2040年主要氣象服務(wù)領(lǐng)域發(fā)展預(yù)測及對氣象衛(wèi)星觀測的需求

3.1用戶需求增長的總體趨勢

目前WMO每個計劃對觀測系統(tǒng)發(fā)展需求的總體趨勢都是：更高，更快，更準。更高：希望觀測得到更高的空間分辨率和更高的光譜分辨率；更快：進一步加快觀測頻次和更快地獲取衛(wèi)星觀測；更準：即首先需要進一步提高觀測精準度（高精準度，高信噪比）以滿足氣候和痕量及污染氣體的觀測需求。

應(yīng)用于氣候監(jiān)測和再分析，觀測精準性、連續(xù)性、長期穩(wěn)定性和完整性需求進一步提高，以確保長期基本氣候變量的觀測、變量產(chǎn)品的生成和基本氣候數(shù)據(jù)記錄長期連續(xù)性。需要在所有在軌衛(wèi)星上都設(shè)置測量參考標(biāo)準，以支持業(yè)務(wù)輻射測量的校準，進而通過衛(wèi)星間的傳感器互定標(biāo)系統(tǒng)達到整個星座測量的準確性和高度一致性。需要建立全球定標(biāo)基準衛(wèi)星，并要求參考標(biāo)準的精度儀器應(yīng)覆蓋空間對地觀測所使用的全部光譜波段。

3.2天氣領(lǐng)域

3.2.1數(shù)值天氣預(yù)報

1）服務(wù)需求及發(fā)展前景預(yù)測

先進的全球數(shù)值天氣預(yù)報（NWP）模式可輸出長達15d的中期天氣預(yù)報，水平分辨率達到15～50km，垂直分辨率在地球表面附近達10～30m，在平流層為500～1000m左右。目前利用NWP的輸出預(yù)測極端天氣和氣候事件的成功率在逐步提高?；诩项A(yù)報的統(tǒng)計方法也越來越多地用于較長期的天氣預(yù)報。這種集合預(yù)報需要對NWP中所有輸入資料的不確定性有很好的了解。

參考美國國家航空航天局（NASA）地球科學(xué)展望報告和其他相關(guān)報告，預(yù)測2040年的NWP的一些需求指標(biāo)如下：

? 7～10d的預(yù)報準確率達到90%以上；

? 可以常規(guī)發(fā)布7d的降水預(yù)報；

? 常規(guī)發(fā)布7d的區(qū)域強局地風(fēng)暴預(yù)報，具有中等到較高的準確度；

? 提前4d預(yù)報洪水；

? 3d臺風(fēng)（颶風(fēng)）路徑預(yù)報精度達到75海里，2d臺風(fēng)（颶風(fēng)）強度預(yù)報精度（以風(fēng)速為指標(biāo)）達到9節(jié)（海里/小時）；

? 可以開展7/10d的空氣質(zhì)量預(yù)報。

為滿足精細化氣象服務(wù)需求（大城市、沿海地區(qū)等），到2040年左右，全球NWP單模式的分辨率需要達到1km，集合預(yù)報模式分辨率需要達到5km，200個層次和100個診斷變量，非靜力和完全耦合模式、區(qū)域模式的分辨率甚至可以達到100m。

2）對于衛(wèi)星觀測的需求

NWP的準確度很大程度上取決于如何準確完整地估計大氣的初始狀態(tài)，為實現(xiàn)上述2040年需求指標(biāo)，期望2040年氣象衛(wèi)星可以為全球NWP提供的關(guān)鍵大氣變量是（按重要性排序）：

? 衛(wèi)星觀測的三維大氣風(fēng)場（從近地面層到平流層所有層面）和二維的地表氣壓場；

? 具有足夠垂直分辨率的三維大氣溫度和濕度分布（在對流層低層和多云的地區(qū)更重要）；

? 基于衛(wèi)星的降水估計和云參數(shù)；

? 海洋上層（0～500m）溫度和土壤濕度（對中期預(yù)報的后沿，即10～15d的預(yù)報更加重要）；

? 海冰和雪水當(dāng)量；

? 氣溶膠和痕量氣體。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)能夠有效地利用全球地面常規(guī)同步觀測和非同步（任意時間）觀測這兩種數(shù)據(jù)。常規(guī)觀測水平分辨率和覆蓋范圍有很大限制，但卻具有高精確度和高垂直分辨率的優(yōu)勢，由于是直接測量所需的模型變量（溫度、濕度、風(fēng)等），所以觀測容易直接使用；衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)是遙感觀測，提供了非常良好的水平分辨率和全球覆蓋范圍，但是垂直分辨率不高，觀測的是非模式直接變量，需要一種較為復(fù)雜的正演模式將其轉(zhuǎn)化為模式變量。四維變分同化使得我們可以從觀測的時間序列和高頻次觀測中（例如每小時觀測）獲得更多的大氣動態(tài)信息。

3.2.2臨近預(yù)報和短期天氣預(yù)報

1）服務(wù)需求及發(fā)展前景預(yù)測

一些與天氣有關(guān)的決策需要具有較高的空間和時間分辨率（高達1km，幾分鐘）的準確預(yù)報。臨近預(yù)報通常指未來0～2h，而超短期預(yù)報指2～12h。盡管人們追求“無縫隙”預(yù)報系統(tǒng)，但是應(yīng)該指出的是，這些不同時段的預(yù)報對觀測資料的需求有很大不同。傳統(tǒng)上，臨近預(yù)報技術(shù)主要是根據(jù)觀測數(shù)據(jù)采用觀測外推法，現(xiàn)在正在發(fā)展的高分辨率區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報模式，且越來越有效地指導(dǎo)超短期預(yù)報。2040年臨近和短期天氣預(yù)報的服務(wù)需求指標(biāo)預(yù)測如下：

? 提前6～12h有效地預(yù)報雷暴的發(fā)生區(qū)域（對流擾動）；

? 實時地監(jiān)測臺風(fēng)和強對流系統(tǒng)的強度和路徑變化；

? 提前60分鐘預(yù)報龍卷風(fēng)；

? 對局地災(zāi)害性事件（森林火災(zāi)、火山爆發(fā)、局地暴風(fēng)雪、空氣污染、化學(xué)或放射性事故等）進行實時監(jiān)測和發(fā)展趨勢預(yù)測。

主要發(fā)達國家依賴其成熟完善的天氣雷達網(wǎng)和高分辨率數(shù)值預(yù)報模式的結(jié)合建成具有先進水平的臨近預(yù)報和超短期天氣預(yù)報系統(tǒng)。在沒有成熟雷達網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中國家和不發(fā)達國家，預(yù)報系統(tǒng)發(fā)展的條件受限。所以WMO鼓勵發(fā)展中國家發(fā)展基于衛(wèi)星資料和數(shù)值預(yù)報的“低成本”臨近預(yù)報系統(tǒng)。

2）對于衛(wèi)星觀測的需求

以觀測外推技術(shù)為主的臨近預(yù)報和超短期天氣預(yù)報，除了和NWP需求相同的氣象變量觀測（例如云和降水、三維風(fēng)場、三維濕度和溫度場等）以外，還需要多一些關(guān)鍵大氣變量（如臺風(fēng)和強對流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及環(huán)境場）和地表變量（如氣壓、風(fēng)、能見度和污染天氣狀況、短波輻射、雷電、沙塵暴和火山爆發(fā)監(jiān)測）。指導(dǎo)臨近預(yù)報和超短期天氣預(yù)報用的高分辨率區(qū)域模式則需要更高空間分辨率的衛(wèi)星觀測和更高的觀測頻次，以滿足高分辨率模式快速更新循環(huán)同化的需要。

未來衛(wèi)星觀測支持臨近預(yù)報和超短期天氣預(yù)報的觀測重點的發(fā)展方向為：1）靜止軌道衛(wèi)星的多通道成像快速區(qū)域掃描觀測，需要的快速成像頻次在分鐘的量級上，空間分辨率在百米的量級上，通道應(yīng)該在20個以上，這種能力的提高可以有效識別各種天氣和地表災(zāi)害現(xiàn)象（洪澇、火災(zāi)、滑坡泥石流等）。隨著全球下一代靜止氣象衛(wèi)星在未來5年相繼投入業(yè)務(wù)運行，其觀測能力已經(jīng)比較接近上述目標(biāo)，但是完全實現(xiàn)其目標(biāo)可能需要期待更下一代靜止衛(wèi)星的發(fā)展。2）雷電觀測。過去的一些低地球軌道試驗衛(wèi)星已經(jīng)證實了衛(wèi)星載荷監(jiān)測地面雷電現(xiàn)象的有效性。但是到目前為止，尚未實現(xiàn)地球靜止軌道衛(wèi)星對于雷電現(xiàn)象的觀測。目前一些空間大國即將發(fā)射的氣象衛(wèi)星（例如中國風(fēng)云四號衛(wèi)星，美國GOES-R衛(wèi)星和歐洲的第三代靜止氣象衛(wèi)星MTG）都載有閃電成像儀器，空間觀測雷電的時代馬上就要到來。但是其探測精度和準確度、覆蓋范圍、時效和應(yīng)用有效性需要經(jīng)過實際應(yīng)用得到證實，儀器也需要經(jīng)過進一步改進和優(yōu)化才能滿足實際應(yīng)用需求。3）攻克對臺風(fēng)強度和強對流降水系統(tǒng)的直接觀測和預(yù)報的挑戰(zhàn)。目前對臺風(fēng)強度的直接觀測和預(yù)報進展緩慢，主要原因是目前從靜止氣象衛(wèi)星軌道上只能進行紅外大氣探測和紅外可見光成像觀測，因而只能觀測云頂信息，并不能透過云頂實現(xiàn)對降水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強對流過程的觀測。極軌氣象衛(wèi)星雖然具有微波垂直探測和成像觀測能力，但是無論是覆蓋范圍和觀測頻次都不能滿足直接監(jiān)測的需求。

由于臺風(fēng)強度和強對流降水造成的巨大經(jīng)濟損失和社會影響，對臺風(fēng)強度的監(jiān)測和提供預(yù)測所需重要數(shù)據(jù)仍是未來衛(wèi)星觀測系統(tǒng)發(fā)展的首要任務(wù)。未來可能的解決方案包括：1）實現(xiàn)極軌小衛(wèi)星群的微波組網(wǎng)觀測。如果最低要求達到每小時一次觀測的話，則需要均勻分布在極地太陽同步軌道平面上有12顆衛(wèi)星。如果和未來業(yè)務(wù)化的低傾角降水測量衛(wèi)星星座結(jié)合，則可以大大提高觀測頻次，但是需要充分協(xié)調(diào)和加強國際合作才能完成。2）開展靜止氣象衛(wèi)星軌道微波探測試驗和業(yè)務(wù)運行。由于靜止氣象衛(wèi)星的軌道高度是極軌（或低地球軌道）衛(wèi)星的約40倍，如果期望達到接近極軌的觀測需求和技術(shù)性能的話，其技術(shù)難度具有很大挑戰(zhàn)性。WMO大力鼓勵在靜止氣象衛(wèi)星軌道高度上開展高頻微波的重點區(qū)域探測，其技術(shù)前景可行，應(yīng)用潛力巨大。更長遠的預(yù)期也可能是兩種體系的結(jié)合，取長補短，與目前靜止/極軌衛(wèi)星上的可見光紅外成像和垂直探測體系互補的方式相類似。

3.3氣候領(lǐng)域

3.3.1短期氣候預(yù)測和氣候服務(wù)

1）服務(wù)需求及發(fā)展前景預(yù)測

季節(jié)和年際氣候預(yù)測的物理基礎(chǔ)在于氣候的緩慢變化，例如海洋和陸地表面（包括冰凍圈部分）。其中利用大氣和海洋的耦合模式開展的ENSO和北大西洋濤動（NAO）的周期預(yù)測是目前最具有可預(yù)測性的季節(jié)性時間尺度相關(guān)的現(xiàn)象。

WMO發(fā)起的第三次世界氣候大會（2009 年8 月31 日—9 月4 日）呼吁制定全球氣候服務(wù)框架（GFCS），2012年WMO特別屆會通過了GFCS的實施計劃方案。方案包括了觀測監(jiān)測、模式發(fā)展、氣候信息系統(tǒng)和氣候服務(wù)界面等分系統(tǒng)。最終使氣候服務(wù)在許多社會經(jīng)濟和氣候敏感部門應(yīng)用產(chǎn)生服務(wù)效益。目前，全球氣候服務(wù)框架提出了五個重點服務(wù)領(lǐng)域，包括氣候為農(nóng)業(yè)和糧食安全服務(wù)、減災(zāi)防災(zāi)、水資源、健康和能源，并提出了兩年、六年和十年的預(yù)期目標(biāo)?？梢灶A(yù)期，到2040年GFCS的業(yè)務(wù)化運行必將成為WMO的全球業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)的重點之一（表1）。

表1　國際文獻提出的2040年短期氣候預(yù)測目標(biāo)

2）對于衛(wèi)星觀測的需求

對于氣候模式的觀測需求來說，海洋和大氣海洋耦合模式的初始化使用了包括大氣和海洋的觀測數(shù)據(jù)。在氣候模式初始場數(shù)據(jù)的同化方法上，各業(yè)務(wù)中心采用的方法有很大差別。有些簡單的模式僅僅同化大氣風(fēng)場的信息，而更復(fù)雜的模式則同化了地球下表面（土壤溫度）的信息和從衛(wèi)星觀測反演出的地形地貌和地球表面溫度的數(shù)據(jù)。對不同濤動的預(yù)測所需的主要觀測變量也可能是不同的。如何進一步發(fā)展耦合模式的同化技術(shù)，以便能夠最佳地使用觀測來改進模式的初始化場仍然是耦合模式發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。

GFCS所確定的五個重點領(lǐng)域?qū)τ谟^測的需求尚在論證的初步階段。盡管全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）所確定的大部分基本氣候變量（ECV）和用于短期氣候預(yù)測的觀測都可以用于氣候監(jiān)測和服務(wù)，但是針對GFCS上述五個重點服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)服務(wù)，還應(yīng)該明確提出有針對性的觀測需求，并且在監(jiān)測和預(yù)測產(chǎn)品的精度及時效要求方面提出明確的要求。短期氣候預(yù)測模式仍然是各類氣候服務(wù)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)平臺。目前季節(jié)預(yù)報模式初始化主要使用的是大氣和海洋表面溫度的觀測。對于先進的耦合模式的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)發(fā)展，下列數(shù)據(jù)是重要的：

? 海洋參數(shù)：海洋表面和下表面溫度，海洋鹽度，海冰（包括海冰覆蓋面積和海冰厚度）；

? 地表參數(shù)：土壤濕度，雪覆蓋面積和雪水當(dāng)量等；

? 大氣和太陽：平流層狀態(tài)，太陽光譜輻照度。

而對于十年期的氣候預(yù)測模式初始化來說，海洋和大氣的再分析場是模式初始化的主要信息源，且用于后期驗證。十年氣候預(yù)測的關(guān)鍵觀測需求為：上層海洋溫度和鹽度（從表面到海洋表面下500m），海流，平流層狀態(tài)，海冰厚度，太陽光譜輻照度，土壤濕度和雪蓋等。

目前尚不能從衛(wèi)星上直接觀測的變量為：

? 海洋表面以下的溫度，鹽度和海洋洋流（目前主要依靠海洋浮標(biāo)等就地觀測，空間分辨率和全球覆蓋不能滿足要求）；

? 海冰厚度和積雪厚度；

? 土壤濕度（盡管已經(jīng)有了很大進展，土壤濕度仍處在試驗觀測階段）；

以上這些短期氣候預(yù)測所需要的重要變量，有待于2040年前新的遙感技術(shù)的出現(xiàn)，并在2040年前后達到可以實用的觀測效果。

3.3.2氣候系統(tǒng)觀測與監(jiān)測

1）服務(wù)需求及發(fā)展前景預(yù)測

氣候系統(tǒng)由大氣、海洋、陸地表面、冰雪覆蓋層和生物圈等五個部分組成，以各種方式影響著地球上的人類活動，包括水的供應(yīng)、糧食生產(chǎn)、大氣空氣質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康，甚至人類遷徙。隨著2040年預(yù)計人口達到90個億，對于地球資源（水、糧食和能源等）的需求相應(yīng)增加，全球變暖也不斷改變著地球氣候系統(tǒng)之間的聯(lián)系，使得對于地球氣候和環(huán)境的預(yù)測的不確定性增加，地球系統(tǒng)的準確預(yù)測變得越來越重要。在到2040年的未來二十多年中，我們必須超越目前的主要著眼于對地球系統(tǒng)的各個組成部分進行研究的基本立足點，把視點提升到將地球氣候作為一個整體系統(tǒng)（結(jié)合大氣、海洋、生物圈和固體地球）開展綜合觀測和模擬，以便達到能夠準確和定量地預(yù)測地球氣候系統(tǒng)的能力。這些預(yù)測能力將實現(xiàn)知情決策水平，進而提高生活質(zhì)量、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展以及全球社會穩(wěn)定。對于WIGOS的2040年發(fā)展的遠景規(guī)劃來說，觀測整個地球氣候系統(tǒng)是關(guān)鍵發(fā)展方向和難點?？傮w目標(biāo)如下：

? 觀測整個地球氣候系統(tǒng)，以能夠從氣候各個組成部分的變化追蹤到對整個氣候系統(tǒng)的影響；

? 模擬整個地球氣候系統(tǒng)及其所有分系統(tǒng)（組成部分），使得氣候系統(tǒng)的任何分系統(tǒng)的變化可以預(yù)測；

? 不斷地改進對于整個地球氣候系統(tǒng)行為及其動態(tài)演變的描述，使其能夠更好地符合對于地球氣候系統(tǒng)的觀測；

? 實現(xiàn)對地球氣候系統(tǒng)的有效預(yù)測（包括對于預(yù)測的不確定描述），對經(jīng)濟社會各有關(guān)方面的決策提供有實際應(yīng)用價值的支持和服務(wù)。

2）對于衛(wèi)星觀測的需求

為響應(yīng)第十六次世界氣象大會關(guān)于“建立從空間監(jiān)測氣候架構(gòu)”的決議，由WMO、地球觀測衛(wèi)星委員會（CEOS）和氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織（CGMS）組成的特別工作組編寫了一個關(guān)于“建立從空間氣候監(jiān)測架構(gòu)戰(zhàn)略”的報告，指出從衛(wèi)星觀測和監(jiān)測氣候系統(tǒng)存在巨大挑戰(zhàn)， 目前觀測的主要不足如下：

? 目前的許多用于監(jiān)測氣候系統(tǒng)的衛(wèi)星觀測儀器本來并不是針對監(jiān)測氣候所設(shè)計的，其觀測精度和穩(wěn)定性和同樣儀器在不同衛(wèi)星上的接續(xù)性和一致性都難以達到氣候系統(tǒng)監(jiān)測的要求；

? 目前大部分氣象衛(wèi)星序列沒有計劃確保連續(xù)穩(wěn)定運行達到氣候監(jiān)測所需要的時間序列，也沒有在某個重要氣候變量觀測儀器失效情況下的專門針對氣候監(jiān)測目的衛(wèi)星應(yīng)急計劃（即衛(wèi)星系統(tǒng)之間的相互備份支持計劃）；

? 數(shù)據(jù)共享政策盡管最近已經(jīng)取得很大的進步，但是和天氣觀測數(shù)據(jù)相比，對于氣候數(shù)據(jù)共享的重要性認識，和實現(xiàn)氣候數(shù)據(jù)交換的業(yè)務(wù)化尚未實現(xiàn)，需要更大努力；

? 氣候監(jiān)測需要加強建立包括終端到終端的氣候信息系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)存歸檔、處理發(fā)掘，到再加工和氣候數(shù)據(jù)記錄生產(chǎn)準入等管理工作所需的系統(tǒng)建設(shè)。

遠景規(guī)劃提出了一個從空間監(jiān)測氣候的一個邏輯架構(gòu)，即需要一個由業(yè)務(wù)和研發(fā)衛(wèi)星加上特殊任務(wù)衛(wèi)星相結(jié)合的星座，該星座應(yīng)該在觀測氣候系統(tǒng)能力，觀測精度和持續(xù)性方面明顯超出目前的觀測能力，要承諾執(zhí)行長期和持續(xù)的氣候觀測，并保持廣泛的和開放的數(shù)據(jù)共享政策和應(yīng)急計劃。進一步的計劃是，在全面評估觀測需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合各國衛(wèi)星長遠發(fā)展規(guī)劃，制定和設(shè)計一個“從空間監(jiān)測氣候架構(gòu)”的物理體系結(jié)構(gòu)并制定出清晰的發(fā)展路線圖，作為遠景發(fā)展規(guī)劃的一個重要組成部分，以便WMO協(xié)調(diào)和幫助衛(wèi)星擁有國和有關(guān)單位實施和運行。

3.4大氣成分和空氣質(zhì)量觀測

3.4.1服務(wù)需求和發(fā)展前景預(yù)測

第十七屆世界氣象大會通過了第46號決議案，要求WMO的所有會員國支持建立全球綜合溫室氣體信息系統(tǒng)（IG3IS）實施計劃，主要內(nèi)容包括：1）支持進一步改進和發(fā)展全球溫室氣體溫室氣體（二氧化碳、甲烷等）、氣溶膠、臭氧和氧化亞氮監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；2）按照全球大氣監(jiān)測（GAW）計劃的質(zhì)量保證原則，開展溫室氣體的觀測；3）在規(guī)定的時間內(nèi)確保及時提交觀測數(shù)據(jù)以及元數(shù)據(jù)到WMO的專用數(shù)據(jù)和信息中心，元數(shù)據(jù)應(yīng)該納入統(tǒng)一WMO全球綜合觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。目前IG3IS實施計劃正在編寫中，但是計劃的實施需要更多年的努力。

剛剛通過的聯(lián)合國氣候變化框架公約巴黎大會（2015年）協(xié)議，顯示了世界各國政府更主動地參與努力限制和減少大氣中溫室氣體排放的決心。但如何客觀定量地監(jiān)測全球二氧化碳在不同地區(qū)的排放仍是一個懸而未決的事情。期望全球綜合溫室氣體信息系統(tǒng)作為一個獨立的基于科學(xué)觀測和分析的重要觀測與信息系統(tǒng)，用于獨立量化自然和人為的溫室氣體源和匯，提供可操作的信息，以幫助會員在增強的時空尺度上了解和管理溫室氣體收支，并可為會員提供相關(guān)政策方面可付諸于行動的信息。全球氣候服務(wù)框架的“健康”主題包括了對于空氣質(zhì)量服務(wù)的需求。

3.4.2對于衛(wèi)星觀測的需求

目前全球大氣成分和空氣質(zhì)量觀測的主要不足如下：

? 實地觀測站網(wǎng)的密度（包括陸地，海洋和自由大氣中）遠遠不足，從衛(wèi)星平臺上觀測溫室和污染氣體尚處在探索和初步發(fā)展階段；

? 不同尺度的觀測（如全球和區(qū)域觀測）和在不同介質(zhì)中的觀測（如在大氣中觀測與二氧化碳分壓觀察室中觀測）之間的不兼容性；

? 在全球/區(qū)域和局地尺度的傳輸模型中，模式的復(fù)雜性和性能都不足。

以上的主要不足，使得無法充分地觀測到二氧化碳和甲烷的空間和時間分布，僅僅利用目前有限的幾個地面觀測站的觀測導(dǎo)致了全球分析的很大不確定性，嚴重地制約了對于全球碳循環(huán)的認知能力和對未來的氣候監(jiān)測預(yù)測能力。衛(wèi)星將是測量全球二氧化碳和甲烷的時空分布的最有希望的技術(shù)手段之一，有望改善對于這些氣體的源和匯估計的準確度。

衛(wèi)星觀測溫室和污染氣體尚在初步發(fā)展階段。在過去的二十年間，試驗了兩種探測溫室氣體（CO2和CH4）的衛(wèi)星儀器。第一種是熱紅外（TIR）高光譜探測儀，利用溫室氣體對于紅外通道輻射的吸收原理來探測溫室氣體的濃度分布，其代表儀器是裝載于美國地球觀測系統(tǒng)（EOS）上的大氣紅外探測器（AIRS），AIRS采用尖端的紅外分光光譜儀技術(shù)，有2378光譜通道，比以往的紅外探測器的光譜分辨率高100倍以上，可以測量溫室氣體和其他一些氣體（如臭氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和二氧化硫等）。第一顆衛(wèi)星于2002年5月發(fā)射成功，生成了月平均的全球一氧化碳、二氧化碳和甲烷分布圖。發(fā)現(xiàn)的主要問題是，該儀器對于二氧化碳和甲烷吸收靈敏度的峰值在中對流層（400hPa水平）。因此，所觀測到的氣體濃度的全球平均值分布與地面氣體排放的位置無法對應(yīng)。

第二類型衛(wèi)星儀器是利用短波紅外（SWIR）觀測，其原理是用來測量在0.76、1.6和2.0μm由二氧化碳和分子氧所反射的太陽光，達到測量大氣溫室氣體的目的。典型代表儀器是裝載于歐洲環(huán)境衛(wèi)星（ENVISAT）上的掃描成像吸收光譜大氣繪圖儀（SCIAMACHY）。與熱紅外觀測溫室氣體技術(shù)相比，短波紅外觀測到的溫室氣體的豐度敏感區(qū)位于地球表面附近。由于CO2和CH4的源和匯主要來源在地表附近，所以短波紅外比長波紅外技術(shù)更適合用于溫室氣體的觀測。但是SCIAMACHY觀測和反演的精度（對于碳通量）不能達到精度（1%～2%）和準確度（－1.5%）的要求。

近期又有兩個專門用于溫室氣體觀測的衛(wèi)星成功發(fā)射。一個是日本于2009年1月發(fā)射的溫室氣體觀測衛(wèi)星（GOSAT），它配有兩臺儀器：熱紅外和近紅外傳感器碳觀測傅里葉變換光譜儀（TANSO-FTS）和云與氣溶膠成像儀（TANSO-CAI）。TANSO-FTS執(zhí)行從短波紅外到熱紅外的高光譜分辨率的測量（0.758～14.3μm），用于彌補僅僅長波紅外觀測的不足。另外一個是美國研制的在軌二氧化碳觀測臺（OCO）。其中第一顆衛(wèi)星2009年發(fā)射失敗，第二顆衛(wèi)星于2012年7月16日發(fā)射成功。衛(wèi)星設(shè)計壽命兩年，16天重復(fù)觀測周期。盡管宣稱這兩顆衛(wèi)星的載荷儀器都比第一代衛(wèi)星儀器（AIRS和SCIAMACHY）有很大提高，但是數(shù)據(jù)處理顯示儀器噪聲還是影響產(chǎn)品精度的主要原因。當(dāng)然，如何提高空間分辨率以避免云和水汽的干擾，同時又不降低觀測的精度要求，仍然是未來此類儀器發(fā)展的挑戰(zhàn)。

從21世紀初開始，由于空氣污染問題日益嚴重地影響人們的生活，為了滿足實時監(jiān)測污染氣體的需求，一些航天機構(gòu)開展了從衛(wèi)星上監(jiān)測大氣污染和空氣質(zhì)量的試驗計劃，包括計劃于2018年發(fā)射的美國對流層排放和大氣污染監(jiān)測（TEMPO），計劃于2018年發(fā)射的韓國靜止衛(wèi)星平臺地球環(huán)境監(jiān)測成像光譜儀（GEMS）。計劃搭載于歐洲第三代靜止氣象衛(wèi)星上的歐洲哨兵4號（Sentinel-4）的紫外—可見光—近紅外探測光譜儀。這些衛(wèi)星儀器主要采用紫外和可見光近紅外高光譜探測技術(shù)，空間分辨率可以達到7～8km，可以實現(xiàn)每小時一次對于固定區(qū)域的觀測。相信到2040年此類技術(shù)和儀器可以完全達到業(yè)務(wù)化的要求。

4　2040年空間技術(shù)發(fā)展趨勢及滿足業(yè)務(wù)需求的可能性展望

4.12040年WIGOS 空間系統(tǒng)遠景發(fā)展規(guī)劃的基本思路

綜合上述不同領(lǐng)域的需求，WMO召開了2040年WIGOS 空間系統(tǒng)發(fā)展研討會，在WMO基本系統(tǒng)委員會衛(wèi)星專家組提出的建議的基礎(chǔ)上，提出了2040年WMO全球綜合觀測系統(tǒng)空間遠景發(fā)展規(guī)劃如下的4層體系結(jié)構(gòu)。

4.1.1布局明確的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星系統(tǒng)

這個骨干系統(tǒng)，具有確定的全球軌道布局和儀器配置，觀測技術(shù)明確，被定義為最基本和最底線的業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)。它是建立在WMO會員國衛(wèi)星操作者莊重承諾的基礎(chǔ)上，也是當(dāng)前CGMS每個成員國的目前業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷補充完善和發(fā)展演進到2040年的主要格局，是WMO衛(wèi)星計劃所協(xié)調(diào)和規(guī)劃的未來的骨干系統(tǒng)的集合。這個主干系統(tǒng)將得到各國政府的嚴格承諾和經(jīng)費保證，以確保獲取WMO成員國和計劃所需要的“基本數(shù)據(jù)”，并確保此骨干衛(wèi)星觀測系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。到2040年此骨干衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)該比目前的業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)有很大的改進和增強，主要應(yīng)包括：

? 地球靜止軌道圈：提供常規(guī)多光譜可見光/紅外成像，紅外超光譜大氣垂直探測，紫外/可見/近紅外垂直探測（大氣成分和大氣污染監(jiān)測），閃電成像。

? 地球低軌道太陽同步軌道平面：在3個軌道平面（清晨/上午/下午）核心星座上攜帶高光譜紅外垂直探測儀，可見光/紅外成像儀（包括晝/夜微光成像），微波成像儀，微波垂直探測器，散射計等。在此基礎(chǔ)上再增加空間和時間均勻配置的另外三個太陽同步軌道衛(wèi)星，且這三顆衛(wèi)星上特別強調(diào)要攜帶微波成像儀和探測器（其他儀器配置可以有靈活性），和三個核心軌道星座形成最佳配置以實現(xiàn)全球降水、臺風(fēng)和強對流監(jiān)測，同時提高整個極軌星座的可靠性和改進時間采樣頻次。

? 寬幅帶雷達高度計：可以是專門衛(wèi)星計劃，也可以搭載在其他低地球軌道衛(wèi)星上，實現(xiàn)海洋全覆蓋的高精度海面高度觀測。

? 全球降水測量雷達：由降水測量雷達、云雷達、微波探測儀和成像儀組成的傾斜軌道（地球低軌道）星座。

? 紅外雙視角成像儀：用于高精度海面溫度觀測。

? 低頻微波成像：在6.7GHz的微波圖像（用于全天候海面溫度觀測）和低頻微波成像（主要用于土壤濕度和海洋鹽度觀測）。

? 微波跨軌道垂直探測：主要用于獲取平流層和中間層大氣溫度廓線。

? 紫外/可見/近紅外探測儀進行星下點和臨邊探測：主要用于大氣成分觀測。

? 絕對校準的寬帶輻射計和太陽總輻照度（TSI）和太陽分光輻照度（SSI）輻射計：主要用于監(jiān)測太陽輻照度變化和地球大氣輻射收支測量。

? 無線電掩星探測：完全融入骨干星座，用于溫度廓線、濕度廓線和電子密度廓線探測。

? 高分辨率的多光譜可見光/紅外成像儀：主要用于海色、土地利用、植被和洪水監(jiān)測。

? 合成孔徑雷達圖像：用于海況和海冰、土壤濕度觀測等。

? 重力測量任務(wù)：主要觀測地下水、海洋參數(shù)等。

? 空間天氣觀測：在拉格朗日點（L1）包括太陽日冕儀和無線電光譜儀，太陽風(fēng)原位等離子體和高能粒子和磁場觀測。

? 空間天氣觀測儀器包：搭載于靜止衛(wèi)星軌道（GEO）和地球低軌道（LEO）的測量等離子體、高能粒子和地球磁場的儀器。

? 在軌儀器定標(biāo)標(biāo)準：包括紫外、可見/近紅外、熱紅外、微波絕對校準測量參考標(biāo)準儀器，用于全球衛(wèi)星定標(biāo)和互定標(biāo)標(biāo)準。

4.1.2開放包容的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星觀測支撐系統(tǒng)

這個系統(tǒng)是布局明確的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的重要支撐，也是為了提供必須的“基本數(shù)據(jù)”，但是卻以一種更加開放的方式來定義和接納它。包括并不預(yù)先確定采用什么觀測技術(shù)和使用什么軌道配置，具有靈活性，有利于計劃實施，以便及時地囊括最新技術(shù)使其融入到骨干系統(tǒng)中，達到進一步的系統(tǒng)優(yōu)化，包括：

? 地面風(fēng)和海況觀測：例如通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射任務(wù)、被動微波、合成孔徑雷達；

? 通過紫外—可見光—近紅外（UV-VIS-NIR）和微波的平流層/中間層臨邊探測器；

? 激光雷達觀測風(fēng)和氣溶膠廓線（利用多普勒和雙/三頻后向散射效應(yīng)）；

? 激光雷達（DIAL）探測大氣水汽廓線；

? 激光雷達測量海冰厚度；

? 亞毫米成像探測云相位；

? 近紅外成像觀測二氧化碳和和甲烷等；

? 多角度、多極化輻射計探測氣溶膠和輻射收支；

? 高空間分辨率陸地或海洋觀測（多極化合成孔徑雷達、高光譜可見光圖像）；

? 高時間頻次微波探測（地球靜止軌道或低地球軌道星座）；

? 近紅外光譜儀測量表面氣壓；

? 大橢圓軌道連續(xù)可見光和紅外成像觀測（主要覆蓋和連續(xù)觀測北極和南極地區(qū)）；

? 太陽磁場，太陽超紫外/X射線成像儀和X射線輻射計，包括在地球與太陽線連線上（如L1點）和地球與太陽連線外（如L5、L4點上）；

? 太陽風(fēng)等離子體、高能粒子和磁場觀測，太陽日冕與日光層成像觀測，磁層的高能粒子探測等。

4.1.3業(yè)務(wù)開拓者和技術(shù)或科學(xué)的示范系統(tǒng)

這個系統(tǒng)旨在主要為2040年以后的業(yè)務(wù)骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展演進開拓道路，例如：

? 增強大氣/電離層探測的掩星星座的新的衛(wèi)星加盟；

? 用于觀測植被的雷達和激光雷達；

? 高光譜分辨率的微波傳感器；

? 超越L1點外的日冕磁場成像儀和太陽風(fēng)觀測；

? 電離層/熱層光譜成像儀，電離層電子和主要離子密度探測器。

本層次的計劃任務(wù)可以依托多元化平臺，例如使用小衛(wèi)星驗證和示范有關(guān)科學(xué)儀器或完成特定的科學(xué)任務(wù)，也可以作為衛(wèi)星應(yīng)急計劃補充某個衛(wèi)星儀器失效產(chǎn)生的空白，甚至可以利用國際空間站驗證和演示某些科學(xué)儀器或觀測方法。

4.1.4其他補充觀測系統(tǒng)

這個系統(tǒng)將鼓勵和充分吸納由WMO其他會員國和第三方貢獻的衛(wèi)星，包括政府機構(gòu)、學(xué)術(shù)團體或商業(yè)機構(gòu)的貢獻。這個系統(tǒng)可能增強骨干系統(tǒng)的觀測，以提供更多的“基本數(shù)據(jù)”或“附加數(shù)據(jù)”。WMO會對此類觀測系統(tǒng)的貢獻方推薦有關(guān)標(biāo)準和最佳實踐以便貢獻者考慮遵守，以促進此類衛(wèi)星系統(tǒng)對WMO會員國提供有價值的數(shù)據(jù)，并對骨干系統(tǒng)進行補充和增強。

4.2遠景發(fā)展規(guī)劃應(yīng)關(guān)注的幾個重要趨勢

4.2.1氣象衛(wèi)星操作者從目前少數(shù)幾個國家為主，向更多操作者國家加入轉(zhuǎn)變

氣象衛(wèi)星操作者從20世紀60年代初的美國和前蘇聯(lián)兩個國家，逐步拓展到目前的包括中國、日本、印度、韓國和歐洲氣象衛(wèi)星組織在內(nèi)的七個主要業(yè)務(wù)衛(wèi)星運行組織。已經(jīng)可喜地看到：目前這些衛(wèi)星操作者的能力在逐步增強，基本上都已經(jīng)從前期論證研發(fā)階段，發(fā)展到了成熟的業(yè)務(wù)制造和運行階段，衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)性都在增強，不斷提升WMO的空間觀測骨干系統(tǒng)。例如中國已經(jīng)承諾承擔(dān)凌晨極軌氣象衛(wèi)星的軌道業(yè)務(wù)系統(tǒng)；歐洲氣象衛(wèi)星組織會員國聯(lián)盟的成員在逐年增加，其極軌氣象衛(wèi)星在同一軌道上已經(jīng)實現(xiàn)接力飛行（即在同一軌道平面上兩顆衛(wèi)星間距10～20分鐘飛行觀測，既實現(xiàn)了在軌備份也增加了觀測頻次）。

展望2040年，期望并相信全球有更多的國家和航天組織加入氣象/環(huán)境衛(wèi)星操作者。根據(jù)前期的預(yù)研究并根據(jù)發(fā)展趨勢，預(yù)測可能性和潛力比較大的國家和項目如下：

? 加拿大極區(qū)通信和天氣衛(wèi)星（PCW）項目：加拿大航天局（CSA）與加拿大環(huán)境部（EC）、國防部（DND）和其他政府部門合作，于2008年9月完成了該項目的需求和概念階段論證研究（階段0），2001年接續(xù)完成了項目任務(wù)定義階段（階段1）的論證。這項研究論證的結(jié)果證明，可以運行兩顆高橢圓軌道（HEO）衛(wèi)星系統(tǒng)，這兩顆衛(wèi)星都攜帶三個主要載荷（Ka和X波段的通信轉(zhuǎn)發(fā)器，21通道成像光譜儀和一個空間天氣監(jiān)測儀器包）。對于極區(qū)來說，這種軌道其功能類似位于赤道的靜止衛(wèi)星，它可以提供北極地區(qū)連續(xù)24h寬帶通信服務(wù)，提供覆蓋全部北極地區(qū)的多光譜圖像用于高時間頻次（每15分鐘一次）和空間分辨率（1.5～3km）地監(jiān)測極區(qū)的高寒天氣和氣候變化，對于北極地區(qū)的空間天氣監(jiān)測將為航空航天安全提供很有價值的服務(wù)。這個項目的成功將大大彌補靜止氣象衛(wèi)星在緯度60°以上的地方空間分辨率迅速下降、緯度70°以上基本無法應(yīng)用的空白，對于高緯度地區(qū)的天氣預(yù)報和氣候監(jiān)測業(yè)務(wù)和研究都會產(chǎn)生不可估量的貢獻。通信和空間天氣監(jiān)測功能也彌補了極地地區(qū)氣象數(shù)據(jù)收集和空間天氣監(jiān)測的空白。

? 非洲氣象衛(wèi)星計劃：在非洲第二次氣象部長峰會（AMCOMET-2，津巴布韋，2012年10月15—19日）上，通過了探索建立非洲氣象衛(wèi)星計劃的倡議。其后，這個倡議在2013年1月的非洲聯(lián)盟首腦會議上得到了大多數(shù)非洲國家元首和政府首腦的贊同，并進一步?jīng)Q定成立一個聯(lián)合工作組對此計劃開展可行性研究。

? 巴西的空間計劃基本涵蓋了全部空間技術(shù)和應(yīng)用范圍。巴西航天局是拉丁美洲最大的空間組織，其2010年的預(yù)算就達到了2.1億美元。目前巴西擁有十顆以上衛(wèi)星，其中一半以上是由巴西國家空間研究院（INPE）設(shè)計并和工業(yè)部門簽署合同制造的。在地球觀測領(lǐng)域，從1984年開始，巴西與中國開始空間技術(shù)合作，并于1999年成功發(fā)射了第一顆中巴地球資源衛(wèi)星，目前已經(jīng)成功地發(fā)射了四顆，對氣象防災(zāi)減災(zāi)作出了貢獻。巴西已經(jīng)發(fā)射的一些衛(wèi)星上載有空間環(huán)境（天氣）探測儀器。巴西也是一個氣象災(zāi)害頻發(fā)的國家，INPE是地球觀測委員會（CEOS）的正式成員，和巴西氣象局共同開展了許多氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前美國的靜止氣象衛(wèi)星對于南美半球的觀測頻次不能滿足南美國家的需求，即使即將發(fā)射的美國新一代靜止氣象衛(wèi)星（GOES-R），除了正常觀測模式以外，其針對于災(zāi)害性天氣事件的加密觀測模式僅僅適用于美國國內(nèi)，沒有執(zhí)行美國國土以外的針對災(zāi)害性天氣氣候事件的加密觀測機制。期望巴西和其他南美航天國家根據(jù)國家需求進一步拓展地球觀測使命并加入WMO空間計劃的協(xié)調(diào)。

4.2.2衛(wèi)星星座從以業(yè)務(wù)氣象環(huán)境衛(wèi)星為主，向業(yè)務(wù)衛(wèi)星加先進的研發(fā)衛(wèi)星系統(tǒng)相結(jié)合的多星座體系轉(zhuǎn)變

氣象衛(wèi)星發(fā)展的初期（20世紀60—80年代），是以研發(fā)衛(wèi)星為先導(dǎo)，然后將其成熟技術(shù)逐步轉(zhuǎn)移到業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的發(fā)展模式。隨著天氣觀測衛(wèi)星技術(shù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的成熟，加上地球氣候、海洋和環(huán)境觀測需求的驅(qū)使和航天先進技術(shù)發(fā)展的需要，在過去的20多年間，許多國家的航天機構(gòu)（如NASA，歐空局，中國國家航天局，日本空間局等）相繼發(fā)射了一系列的先進的地球觀測衛(wèi)星（業(yè)界稱之為研發(fā)衛(wèi)星），是對業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星的重大補充，也對WMO的許多計劃（特別是全球氣候觀測計劃，全球大氣監(jiān)測計劃，全球氣候研究計劃等）和成員國的業(yè)務(wù)和科技發(fā)展作出了很大貢獻。期望到2040年，一些目前已經(jīng)驗證成功地研發(fā)衛(wèi)星加入業(yè)務(wù)衛(wèi)星序列，而一些更加先進的研發(fā)衛(wèi)星計劃出臺，形成新的業(yè)務(wù)加研發(fā)衛(wèi)星共同運行的格局并能夠得到更加充分的國際協(xié)調(diào)并和諧發(fā)展。期待如下的成功研發(fā)衛(wèi)星星座轉(zhuǎn)入2040年業(yè)務(wù)體系：

? 全球降水觀測星座：從1997發(fā)射成功的熱帶降水測量使命（TRMM）和其后續(xù)的2014年2月發(fā)射成功的全球降水測量計劃（GPM），通過一顆核心觀測衛(wèi)星（裝載有一個主動探測雷達和一個被動微波輻射計及其他輔助測量儀器）和數(shù)顆載有微波探測器的極地軌道業(yè)務(wù)衛(wèi)星，以及其他地球軌道的試驗衛(wèi)星，目前已經(jīng)開始試驗運行。但是TRMM一開始就被定義為試驗衛(wèi)星任務(wù)，其主要科學(xué)目標(biāo)就是加強對熱帶的降水氣候和降水變率的認識，加上沒有業(yè)務(wù)應(yīng)用的安排，加上主動探測雷達觀測范圍限制（200km掃描寬度），嚴重影響了實時業(yè)務(wù)應(yīng)用效益的發(fā)揮。而GPM計劃接受了TRMM計劃的經(jīng)驗和教訓(xùn)，從一開始就定義其為業(yè)務(wù)前期試驗計劃，兼顧了科研和業(yè)務(wù)應(yīng)用兩個方面，期望達到預(yù)期效果。NOAA已經(jīng)表示了很強的興趣，在GPM成功后接手開展其業(yè)務(wù)模式概念的計劃。如何兼顧降水氣候研究/業(yè)務(wù)和災(zāi)害性對流性天氣（包括熱帶氣旋、臺風(fēng)、陸地強降水等）監(jiān)測預(yù)測的要求也是很大挑戰(zhàn)。中國風(fēng)云氣象衛(wèi)星規(guī)劃中也有降水測量衛(wèi)星的序列。所以在2040年前全球降水衛(wèi)星星座加入全球氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)星座具有非常高的可能性和可行性。

? 全球大氣成分和空氣質(zhì)量監(jiān)測星座：前節(jié)給出了2018—2019年間即將發(fā)射的幾顆監(jiān)測大氣污染的衛(wèi)星系統(tǒng)。這些衛(wèi)星雖然分別分布于歐洲、美洲和亞洲，但是均處于試驗階段，覆蓋范圍僅僅局限于這些發(fā)射衛(wèi)星國家國土及其周邊地區(qū)。期望到2040年這些儀器技術(shù)完全成熟，衛(wèi)星觀測范圍實現(xiàn)全球覆蓋，衛(wèi)星形成完整的星座并在WMO的協(xié)調(diào)下納入全球骨干業(yè)務(wù)衛(wèi)星體系。

? 美國、歐洲和亞洲的先進地球觀測衛(wèi)星：21世紀初開始，美國、歐洲和亞洲（以中國、日本和韓國為主）航天大國相繼發(fā)射了許多先進的地球觀測衛(wèi)星。以美國為例，NASA為開展地球科學(xué)研究（其中絕大部分是氣候科學(xué)研究），從21世紀初開始平均每年投入約20億美元發(fā)射了一系列先進的地球觀測衛(wèi)星。其中著名的發(fā)射成功的和即將發(fā)射的衛(wèi)星包括有：軌道碳觀測衛(wèi)星-2號（OCO-2），土壤濕度主動和被動觀測衛(wèi)星（SMAP），冰雪觀測衛(wèi)星1號和2號（ICESat-1，ICESat-2），氣候絕對輻照度和折射率觀測衛(wèi)星（CLARREO-1，以及下一個CLARREO-2，計劃2020發(fā)射），重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒炐l(wèi)星及其后繼衛(wèi)星（GRACE，GRACE-FO），平流層氣溶膠和氣體試驗衛(wèi)星(SAGE Ⅲ)，形變、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和冰動力學(xué)衛(wèi)星（DESDynI）等。這些衛(wèi)星及其遙感儀器技術(shù)的成功及其后續(xù)計劃的持續(xù)發(fā)展，定會對未來2040年遠景發(fā)展規(guī)劃的技術(shù)實現(xiàn)做出巨大貢獻。

4.2.3 衛(wèi)星軌道從傳統(tǒng)的地球同步（靜止）軌道和近極地太陽同步軌道，向多種軌道平面轉(zhuǎn)變

典型的有望加入2040年骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的新的軌道類型，包括如上所述的全球降水測量星座主衛(wèi)星使用的是地球低傾角軌道（非太陽同步軌道，飛行高度407km，軌道與赤道平面夾角為65°）。加拿大極區(qū)通信和天氣衛(wèi)星（PCW）項目使用的是繞地球兩極飛行的大橢圓和大偏心率軌道。全球組網(wǎng)分布的GPS 掩星星座軌道，以及觀測太陽和空間天氣的拉格朗日點軌道等等。多軌道的好處是增加了整個星座的軌道多樣化，提高了整個衛(wèi)星體系的可靠性和互補性，同時也增加了觀測的頻次（特別是低傾角衛(wèi)星增加了熱帶和低緯度地區(qū)的觀測頻次），而大偏心率軌道增加了極地地區(qū)的觀測的頻次和全覆蓋觀測。

4.2.4衛(wèi)星遙感儀器從以被動遙感為主，向被動與主動遙感相結(jié)合轉(zhuǎn)變；從傳統(tǒng)的可見光紅外和微波光譜段觀測，向全光譜覆蓋和高光譜分辨率觀測轉(zhuǎn)變

從上述第一層的骨干衛(wèi)星系統(tǒng)和第二層的骨干衛(wèi)星支撐系統(tǒng)所提出的觀測儀器系統(tǒng)，可以明顯看出一些主動遙感儀器，例如衛(wèi)星高度計、降水測量雷達、激光雷達、合成孔徑雷達等主動遙感儀器將進入骨干衛(wèi)星系統(tǒng)，將大大拓展各類氣象和環(huán)境應(yīng)用。從光譜方面，到2040年骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的遙感儀器將光譜覆蓋增加到從紫外到長波紅外，高頻微波（亞毫米波）到低頻微波（分米波）的全部波段。高光譜分辨率儀器將從目前的僅限于紅外波段儀器，拓展到在全部光譜頻段上均能夠開展高光譜分辨率觀測（包括高光譜分辨率紫外、可見光、近紅外乃至微波儀器），這將大大拓展和豐富所獲取的遙感信息。例如，紫外和可見光短波紅外波段的高光譜分辨率儀器將成為大氣溫室氣體和污染氣體監(jiān)測的主要和重要頻段。低頻微波和亞毫米波是目前業(yè)務(wù)使用的微波波段向微波頻率兩端的拓展，微波低頻段穿透性更好，應(yīng)用于土壤濕度遙感、全天候海面溫度和鹽度觀測等，而亞毫米波對于云粒子敏感，可以探測云的相態(tài)信息，也可以用于靜止軌道的大氣垂直探測。工作在激光波段的各類激光雷達儀器將成為2040年氣象衛(wèi)星觀測載荷系統(tǒng)中的新的重要成員，有望獲取全球風(fēng)場、大氣成分、氣溶膠和污染氣體監(jiān)測等。多角度、多極化觀測儀器將提供附加信息，更加有利于高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)和多領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.2.5衛(wèi)星地面系統(tǒng)從衛(wèi)星運行接收為主，向牽頭發(fā)展應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)和作為業(yè)主代表驗證衛(wèi)星投資效益轉(zhuǎn)變

地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)工程是高科技、高投入、高風(fēng)險和高效益的系統(tǒng)工程。首先，空間系統(tǒng)的復(fù)雜性必將導(dǎo)致地面系統(tǒng)的復(fù)雜性的增加，先進的空間系統(tǒng)必然需要先進的地面系統(tǒng)來支撐（包括數(shù)據(jù)量的急劇增加、數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)處理、產(chǎn)品生成和大數(shù)據(jù)管理的壓力等）。最終的投資效益體現(xiàn)在應(yīng)用的效果上。全球地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)工程都要扭轉(zhuǎn)“重天輕地”的傳統(tǒng)投資理念，從衛(wèi)星規(guī)劃開始就將相關(guān)應(yīng)用納入整體規(guī)劃體系。地面應(yīng)用系統(tǒng)牽頭單位要主動協(xié)調(diào)全國乃至全球衛(wèi)星應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展，并通過應(yīng)用不斷累積和統(tǒng)計，體現(xiàn)衛(wèi)星投資效益的應(yīng)用領(lǐng)域的成果。通過應(yīng)用及時反饋對于衛(wèi)星系統(tǒng)（包括軌道、儀器、數(shù)據(jù)獲取等）進一步改進的建議和舉措，是促進整體衛(wèi)星系統(tǒng)工程的健康和可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

5　遠景發(fā)展規(guī)劃中值得關(guān)注的幾個問題

1）數(shù)據(jù)獲取的及時性和數(shù)據(jù)管理

首先對于許多實時業(yè)務(wù)應(yīng)用，數(shù)據(jù)獲取的及時性非常重要。對于用于臨近及短時天氣預(yù)報的靜止氣象衛(wèi)星來說，實時獲取觀測是最基本要求。對于數(shù)值天氣預(yù)報模式提供重要數(shù)據(jù)輸入的極軌氣象衛(wèi)星來說，數(shù)據(jù)越是接近實時，效果越好，其目標(biāo)是在全球任何地區(qū)得到觀測后30分鐘內(nèi)數(shù)據(jù)進入模式。目前許多全球數(shù)值預(yù)報中心已經(jīng)從WMO協(xié)調(diào)的極軌氣象衛(wèi)星的“區(qū)域先進探測再傳輸服務(wù)”（RARS）及時獲得極軌衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)而獲益（已經(jīng)接近30分鐘的目標(biāo)）。但是先進衛(wèi)星儀器系統(tǒng)隨著空間分辨率增高和儀器通道增多，加上觀測頻次提高，在過去的30年間，衛(wèi)星的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，必將對未來數(shù)據(jù)通信（星—地間數(shù)據(jù)傳輸）和用戶端數(shù)據(jù)獲取帶來新的挑戰(zhàn)和壓力。例如，目前通過日本葵花8號衛(wèi)星的廣播分發(fā)系統(tǒng)（HIMAWARICast）獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)延遲達數(shù)十分鐘以上，而通過地面網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)受限于網(wǎng)路帶寬。期望到2040年信息技術(shù)和云技術(shù)的進一步發(fā)展，并采用衛(wèi)星上數(shù)據(jù)處理和壓縮技術(shù)等解決數(shù)據(jù)獲取的瓶頸。氣候業(yè)務(wù)和研究需要管理全部衛(wèi)星數(shù)據(jù)序列和定期再處理對地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理提出了挑戰(zhàn)。此外，未來的氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的時效性要求是否需要衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼等，都需要根據(jù)未來發(fā)展確定。

2）衛(wèi)星觀測與地面觀測的協(xié)調(diào)

目前的WIGOS 2040年遠景規(guī)劃的研討工作主要集中在空間系統(tǒng)，主要是空間系統(tǒng)需要更長時間的遠瞻性和計劃性。但是地面系統(tǒng)的遠景發(fā)展規(guī)劃是不可或缺的。即使從衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展的角度，特定的衛(wèi)星計劃都需要考慮如何充分利用地面的觀測來補足，包括地面系統(tǒng)作為真值驗證的觀測等，地面定標(biāo)驗證系統(tǒng)等。最終的2040年遠景規(guī)劃應(yīng)該充分地體現(xiàn)如何最佳地布局全球地面和空間觀測網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)最佳的全球觀測系統(tǒng)的投資效益。

3）無線電頻率的保護

隨著商業(yè)通信和地球觀測系統(tǒng)的發(fā)展，對于觀測頻率的爭奪日益激烈，觀測頻段的保護已經(jīng)成為WMO和全部成員國的一項重大任務(wù)。特別在微波波段，由于和通信系統(tǒng)所使用的頻段重疊，造成微波探測頻段保護的巨大困難。應(yīng)該大力擴大被動微波頻段對于地球觀測的重要性的宣傳。沒有頻率就沒有衛(wèi)星上的地球觀測，為整個人類謀福祉的事業(yè)，其重要性遠遠高于商業(yè)利益。

4）商業(yè)化氣象衛(wèi)星的補充作用

傳統(tǒng)上，航天公司都是作為政府的合同方承擔(dān)衛(wèi)星研制和發(fā)射任務(wù)，由氣象部門作為業(yè)務(wù)代表組織衛(wèi)星規(guī)劃，接收并運行管理衛(wèi)星和組織衛(wèi)星應(yīng)用等。未來一些國家的氣象衛(wèi)星發(fā)展模式可能會發(fā)生改變，并導(dǎo)致部分氣象衛(wèi)星的商業(yè)化，一些商業(yè)衛(wèi)星公司認為新的衛(wèi)星數(shù)據(jù)政策可能誘發(fā)潛在的巨大經(jīng)濟效益。NOAA目前發(fā)布了商業(yè)化空間政策，一些美國公司已經(jīng)公布了他們的商業(yè)化氣象衛(wèi)星發(fā)展計劃，并宣稱將提供更加有應(yīng)用實效且價格非常具有競爭力的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品等。正面的看法是，商業(yè)行為引入競爭機制可能導(dǎo)致商業(yè)空間系統(tǒng)得到新的發(fā)展，進而增強全球空間觀測系統(tǒng)。但是目前尚沒有這樣用商業(yè)模式支撐全球公益事業(yè)發(fā)展成功的范例。我們應(yīng)當(dāng)預(yù)見其相關(guān)風(fēng)險，并在以下幾個方面問題需謹慎處理：

? 商業(yè)化模式必將導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換的限制，從而在整體上降低了數(shù)據(jù)的可用性（降低了應(yīng)用效益）

? 處于商業(yè)機密保護的需要，用戶和國際協(xié)調(diào)機構(gòu)可能無法獲取衛(wèi)星和儀器系統(tǒng)的詳細的技術(shù)規(guī)范，導(dǎo)致無法確保獲取儀器的可追溯性和可靠性信息

? 由于私營企業(yè)都有自己的市場目標(biāo)，無法像政府機構(gòu)那樣遵守國際承諾和約束，也無法參與WMO主持下的全球協(xié)調(diào)

? 商業(yè)計劃的短期行為可能產(chǎn)生一定的政治吸引力，但是卻對以滿足國家、區(qū)域或全球需求國家或區(qū)域組織（例如歐洲氣象衛(wèi)星組織）衛(wèi)星長期計劃規(guī)劃所必須的長期的籌資機制和決策過程產(chǎn)生負面影響

在這些機會和挑戰(zhàn)面前，很重要的是要確認這種商業(yè)活動健康并成功演進發(fā)展的先決條件和如何合理地納入國際體系。從WMO的角度，目前基本的估計是：政府主導(dǎo)的氣象環(huán)境衛(wèi)星在可以預(yù)見的未來仍是骨干系統(tǒng)，應(yīng)該重申WMO會員國代表其政府機構(gòu)對運行骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的政治承諾。即由政府機構(gòu)或其他政府指定的代理機構(gòu)，繼續(xù)承擔(dān)不斷發(fā)展和優(yōu)化骨干衛(wèi)星系統(tǒng)的責(zé)任，包括對應(yīng)用需求的滾動評估和對衛(wèi)星應(yīng)急計劃的響應(yīng)，遵守國際免費數(shù)據(jù)交換原則。而商業(yè)化的小衛(wèi)星系統(tǒng)可能提供一些補充或支撐觀測。

WMO第40號決議（CG-12）提供了一個有用的概念框架，從中可以找出公共機構(gòu)和私人企業(yè)提供如何能相互補充數(shù)據(jù)：為了確保提供“基本數(shù)據(jù)”的自由，成員必須有一個WMO協(xié)調(diào)的，由政府控制骨干觀測系統(tǒng)，而商業(yè)運營商可以提供“額外的數(shù)據(jù)”以增強觀測系統(tǒng)。公共/私營伙伴關(guān)系可以結(jié)合這兩個方面，例如政府主導(dǎo)的衛(wèi)星項目提供免費共享的“基本數(shù)據(jù)”，以滿足由政府制定的公共服務(wù)目標(biāo)；商業(yè)航天機構(gòu)可以針對特定商業(yè)運營客戶群體提供和銷售“附加數(shù)據(jù)”服務(wù)。

6　結(jié)束語

需要強調(diào)指出的是，提前25年做遠景發(fā)展規(guī)劃是非常具有挑戰(zhàn)性的。首先需要準確把握對于到2040年經(jīng)濟社會發(fā)展對于氣象服務(wù)的需求的預(yù)測，其次還要從氣象服務(wù)需求的預(yù)測中準確確定對于觀測的需求（包括氣象衛(wèi)星和地面觀測系統(tǒng)），最后也可能是最具有挑戰(zhàn)性的是對于觀測技術(shù)的發(fā)展的預(yù)測，即在多大程度上觀測技術(shù)的進步能夠滿足氣象服務(wù)對于觀測的需求。

遠景發(fā)展規(guī)劃目前尚在初期發(fā)展階段，須經(jīng)多方咨詢和反復(fù)論證，最終目標(biāo)是提交第18屆世界氣象大會（2019年）批準實施。期望本遠景發(fā)展規(guī)劃有助于WMO各會員國提前預(yù)測氣象部門響應(yīng)未來氣象服務(wù)需求的挑戰(zhàn)，并考慮到航天發(fā)展的長期計劃特性，盡早提出和明確對未來空間觀測的需求。也期望全球航天機構(gòu)及衛(wèi)星操作國在考慮制定本國的氣象衛(wèi)星和相關(guān)對地觀測衛(wèi)星遠景發(fā)展規(guī)劃時，確保充分考慮到WMO綜合觀測系統(tǒng)空間部分的遠景發(fā)展規(guī)劃需求牽引的指導(dǎo)。

（作者單位：世界氣象組織）