張鵬　郭強(qiáng)　陳博洋　馮絢（國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

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我國風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星與日本Himawari-8/9衛(wèi)星比較分析

張鵬郭強(qiáng)陳博洋馮絢
（國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

摘要：從觀測儀器種類、觀測波段設(shè)置、觀測時(shí)空分辨率、儀器靈敏度、儀器定標(biāo)精度、數(shù)據(jù)服務(wù)能力等六個(gè)方面比較和分析了我國風(fēng)云四號（FY-4）試驗(yàn)星與日本Himawari-8/9衛(wèi)星的水平和差距。從觀測儀器種類方面來看，Himawari-8/9衛(wèi)星只裝載了輻射成像儀（AHI），F(xiàn)Y-4試驗(yàn)星除裝載一臺(tái)與AHI性能基本相當(dāng)?shù)膾呙栎椛涑上駜x（AGRI）外，更將首次在靜止軌道上同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅外干涉式高光譜探測和閃電探測；觀測波段設(shè)置方面，F(xiàn)Y-4試驗(yàn)星搭載的AGRI與Himawari-8/9 AHI基本相當(dāng)；時(shí)空分辨率方面，AHI略優(yōu)于AGRI；儀器靈敏度方面，AHI和AGRI在發(fā)射波段基本一致，AHI在反射波段明顯優(yōu)于AGRI；儀器定標(biāo)精度方面,AHI和AGRI基本相當(dāng)；數(shù)據(jù)服務(wù)能力方面，F(xiàn)Y-4試驗(yàn)星仍然采用傳統(tǒng)的衛(wèi)星直接廣播和借助通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)兩種模式，而Himawari-8/9以互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)為主，可按需靈活調(diào)配服務(wù)內(nèi)容和性能且運(yùn)維成本較低。

關(guān)鍵詞：風(fēng)云四號試驗(yàn)星，Himawari-8/9衛(wèi)星

0　引言

經(jīng)過四十多年的發(fā)展，我國已經(jīng)獨(dú)立自主發(fā)展了風(fēng)云極軌與靜止兩個(gè)系列氣象衛(wèi)星，成功發(fā)射了14顆，實(shí)現(xiàn)了系列化發(fā)展、業(yè)務(wù)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了從“試驗(yàn)應(yīng)用型”到“業(yè)務(wù)服務(wù)型”的轉(zhuǎn)變。這其中，一方面，第一代靜止氣象衛(wèi)星（FY-2）已有三顆衛(wèi)星，即FY-2E/F/G星在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行，分別定點(diǎn)于86.5°E、112°E和105°E，形成了“雙星觀測、互為備份”的業(yè)務(wù)觀測格局，并可在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)加密觀測的業(yè)務(wù)能力；另一方面，第二代靜止氣象衛(wèi)星（FY-4）的首顆試驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃于2016年發(fā)射，除了常規(guī)的成像探測外，該星將在國際上首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅外高光譜垂直探測和閃電探測[1]，這將在很大程度上提高我國在短臨天氣預(yù)報(bào)、應(yīng)對氣候變化等防災(zāi)減災(zāi)方面的觀測能力，鞏固國際氣象衛(wèi)星大國的地位。

自1977年以來，日本的靜止系列氣象衛(wèi)星已經(jīng)歷了兩代，即第一代GMS衛(wèi)星（共發(fā)射5顆，一直服役到2003年）和第二代MTSAT衛(wèi)星（MTSAT-1R和MTSAT-2，計(jì)劃工作到2015年），其第三代靜止氣象衛(wèi)星首發(fā)星Himawari-8已于2014年10月7日發(fā)射并在2015年業(yè)務(wù)化，接替正在服役的MTSAT-2衛(wèi)星。該系列的第二顆Himawari-9星計(jì)劃于2016年發(fā)射。Himawari-8/9最顯著的特點(diǎn)就是裝載了國際上最先進(jìn)的靜止軌道成像儀AHI，它與美國下一代靜止氣象衛(wèi)星（GOES-R）上計(jì)劃裝載的先進(jìn)基線成像儀（ABI）同為ITT EXELIS公司研制，二者僅有個(gè)別波段在性能指標(biāo)上稍有差異。顯然，在充分研究和分析Himawari-8/9系列衛(wèi)星探測和應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，客觀認(rèn)識我國靜止系列氣象衛(wèi)星在發(fā)展水平和技術(shù)能力上的差距和不足，是十分必要的，這對于后續(xù)氣象衛(wèi)星規(guī)劃和研制有重要參考意義。

1　主要比較分析

本節(jié)從觀測資料種類、觀測波段設(shè)置、觀測時(shí)空分辨率、儀器靈敏度、儀器定標(biāo)精度、數(shù)據(jù)服務(wù)能力等六個(gè)方面，展開對比分析。同時(shí)，簡要介紹一下FY-4衛(wèi)星特有的紅外高光譜垂直探測儀和閃電成像儀。

1.1觀測資料種類

由表1可知，從觀測資料種類上來說，Himawari-8/9 和FY-4試驗(yàn)星都具有滿足氣象、環(huán)境監(jiān)測所需的傳統(tǒng)的二維成像觀測，而FY-4試驗(yàn)星還具備對空間環(huán)境要素進(jìn)行探測的能力。特別是，F(xiàn)Y-4試驗(yàn)星新增了靜止軌道的紅外波段三維垂直探測（具有913個(gè)探測波段）和閃電探測能力，這對于進(jìn)一步提高中小尺度上的短臨天氣監(jiān)測和預(yù)報(bào)水平至關(guān)重要。

表1 Himawari-8/9和FY-4試驗(yàn)星觀測資料種類對比Table 1 Comparison of the payloads onboard Himawari-8/9 and FY-4

由于Himawari-8/9系列衛(wèi)星僅有輻射成像儀（AHI）[2]，因此，以下在觀測波段設(shè)置、觀測時(shí)空分辨率、儀器靈敏度、儀器定標(biāo)精度等方面的比較，也僅限于與FY-4 AGRI進(jìn)行對比。

1.2觀測波段設(shè)置

由表2可知，日本第三代Himawari-8/9和我國第二代FY-4同屬新一代靜止氣象衛(wèi)星，其通道設(shè)置和數(shù)量上比較接近。

1.3觀測時(shí)空分辨率

在空間分辨率方面，Himawari-8/9的可見光通道空間分辨率為0.5～1km，紅外通道空間分辨率為2km；FY-4試驗(yàn)星的空間分辨率，可見光波段達(dá)到0.5～1km，中短波紅外達(dá)到2km，長波紅外達(dá)到4km（表2）。這其中，與Himawari-8/9相比，F(xiàn)Y-4在長波紅外波段上空間分辨率相對較低，主要是受制于探測器和制冷器研制水平，預(yù)計(jì)該項(xiàng)技術(shù)可在FY-4第二顆業(yè)務(wù)星上得到全面解決。

表2　Himawari-8/9和FY-4試驗(yàn)星觀測波段設(shè)置及空間分辨率對比Table 2　Comparison of spectral region and spatial resolution of Himawari-8/9 and FY-4

在觀測時(shí)間分辨率方面（表3），Himawari-8/9全圓盤觀測需10分鐘，臺(tái)風(fēng)尺度區(qū)域觀測需2.5分鐘；FY-4試驗(yàn)星全圓盤觀測需15分鐘，臺(tái)風(fēng)尺度的區(qū)域觀測需3分鐘[5]，略遜于Himawari-8/9，但與GOES-R相當(dāng)[6]，基本達(dá)到了國際靜止氣象衛(wèi)星同期水平。

表3　Himawari-8/9和FY-4試驗(yàn)星觀測時(shí)間分辨率對比Table 3　Comparison of temporal resolution of Himawari-8/9 and FY-4

1.4儀器靈敏度

由表4不難看出，F(xiàn)Y-4業(yè)務(wù)星可見光、近紅外波段主要波段的典型信噪比約為200，比Himawari-8/9 低50%；除高溫探測波段（3.8_B）和13.3μm波段外，F(xiàn)Y-4試驗(yàn)星紅外波段典型靈敏度為0.2K，與Himawari-8/9相當(dāng)，具體指標(biāo)對比詳見表4。上述差距主要也是由探測器制造工藝、整星溫度控制水平等因素造成，有望在FY-4后續(xù)業(yè)務(wù)星中逐步解決。

表4　Himawari-8/9和FY-4試驗(yàn)星儀器靈敏度指標(biāo)對比Table 4　Comparison of sensitivity of Himawari-8/9 and FY-4

1.5儀器定標(biāo)精度

由表5不難看出，對于FY-4試驗(yàn)星，在波段增加、空間分辨率提高的條件下，全部波段的定標(biāo)精度有望優(yōu)于1K，爭取達(dá)到0.5K。總的來說，從定標(biāo)精度來看，F(xiàn)Y-4定標(biāo)精度與Himawari-8/9基本相當(dāng)。

表5　Himawari-8/9和FY-4試驗(yàn)星儀器定標(biāo)精度對比Table 5　Comparison of calibration accuracy of Himawari-8/9 and FY-4

1.6數(shù)據(jù)服務(wù)能力

1.6.1FY-4試驗(yàn)星數(shù)據(jù)服務(wù)

FY-4試驗(yàn)星在數(shù)據(jù)服務(wù)方面，主要采用傳統(tǒng)的高速率信息傳輸和低速率信息傳輸兩種方式來進(jìn)行（表6）。

表6　FY-4試驗(yàn)星數(shù)據(jù)廣播方式Table 6　The way of data broadcasting of FY-4

1.6.2Himawari-8/9數(shù)據(jù)服務(wù)

Himawari-8/9不攜帶用于數(shù)據(jù)直接分發(fā)的設(shè)備。衛(wèi)星獲取的所有圖像通過互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)（Internet cloud service）分發(fā)給國家氣象和水文局（NWHSs）。JMA還開展HimawariCast服務(wù)，即把基本的圖像數(shù)據(jù)通過通信衛(wèi)星分發(fā)給NMHSs。具體來說：

1）互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)

為了發(fā)布海量的圖像數(shù)據(jù)，JMA為東亞和西太平洋地區(qū)的用戶提供互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)。為了能夠使用云服務(wù)，要求用戶的網(wǎng)速至少為25Mbps。

表7列出了Himawari-8/9通過云服務(wù)分發(fā)的觀測數(shù)據(jù)集，可用于生成所有16個(gè)波段的最優(yōu)空間分辨率產(chǎn)品。真彩色圖像將以PNG格式提供?？焖賿呙栌^測的圖像以NetCDF格式分發(fā)。

表7　Himawari-8/9通過互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)分發(fā)的數(shù)據(jù)Table 7　Imagery distribution via a cloud service

為了繼續(xù)為在線JDDS(JMA Data Dissemination System)用戶提供服務(wù)（表8）， JMA保留通過JDDS數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)提供HRIT文件數(shù)據(jù)。

表8　Himawari-8/9保留的JDDS連續(xù)分發(fā)數(shù)據(jù)集Table 8　Imagery distribution via JDDS

2）HimawariCast服務(wù)

HimawariCast分發(fā)的數(shù)據(jù)（表9）包括HRIT、LRIT格式的圖像數(shù)據(jù)，以及一些氣象數(shù)據(jù)，如：數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、場地觀測資料等。

表9　Himawari-8/9通過通信衛(wèi)星分發(fā)的數(shù)據(jù)集Table 9　Imagery distribution via HimawariCast

3）Himawari-8/9數(shù)據(jù)服務(wù)能力分析

Himawari-8/9的觀測圖像數(shù)據(jù)主要通過兩種方式向用戶分發(fā)：互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)和HimawariCast服務(wù)，其標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，即所有16個(gè)波段的最優(yōu)空間分辨率、最高時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)只通過互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)的方式分發(fā)。同時(shí)，Himawari-8/9互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：一方面，不用建設(shè)任何硬件設(shè)備從而可以降低成本；另一方面，管理層可根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的規(guī)模和需求，調(diào)配所需的服務(wù)組合。

1.7FY-4特有探測儀器簡介

FY-4試驗(yàn)星將裝載紅外干涉式高光譜探測儀（GIIRS）和閃電成像儀（LMI），實(shí)現(xiàn)我國在地球同步軌道上的首次紅外高光譜探測和閃電成像探測，表10和表11分別給出了GIIRS和LMI的主要性能指標(biāo)。

GIIRS將極大提升我國在地球同步軌道上對大氣溫度、濕度和若干痕量氣體特性參數(shù)的空間和時(shí)間四維結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律的觀測能力，改進(jìn)垂直分辨率，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候研究服務(wù)。同時(shí)，LMI也將實(shí)現(xiàn)閃電成像觀測，獲取衛(wèi)星觀測覆蓋區(qū)內(nèi)的閃電分布圖，為災(zāi)害性強(qiáng)對流天氣預(yù)警和軍事應(yīng)用服務(wù)。值得一提的是，如果FY-4試驗(yàn)星能在2016年如期發(fā)射，將在全球范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)在一個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)上同時(shí)完成光學(xué)成像、紅外高光譜探測和閃電探測等一系列高精度對地觀測，具有里程碑式的意義。

表10　紅外干涉式高光譜探測儀（GIIRS）主要性能指標(biāo)Table 10　Characteristics of GIIRS

表11　閃電成像儀（LMI）主要性能指標(biāo)Table 11　Characteristics of LMI

2　結(jié)論

Himawari-8/9是日本第三代靜止氣象衛(wèi)星，裝載了目前國際上最先進(jìn)的AHI，成像觀測的綜合性能優(yōu)異。在我國，第二代靜止氣象衛(wèi)星（FY-4）首發(fā)星也計(jì)劃于2016年發(fā)射，整體探測性能和應(yīng)用能力將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上有質(zhì)的提高。對比中、日兩國靜止氣象衛(wèi)星，二者在綜合探測能力、儀器觀測能力、定量化應(yīng)用水平以及數(shù)據(jù)服務(wù)能力等四個(gè)方面各有優(yōu)劣，具體來說：

1）在綜合探測能力方面，F(xiàn)Y-4具有對天氣氣候和空間環(huán)境的探測能力，且FY-4試驗(yàn)星將首次在靜止軌道上同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅外高光譜垂直探測和閃電探測。Himawari-8/9衛(wèi)星則主要關(guān)注于對天氣氣候系統(tǒng)的輻射成像觀測。

2）在儀器觀測能力方面，Himawari-8/9 AHI在觀測波段設(shè)置和時(shí)空分辨率方面，略優(yōu)于FY-4試驗(yàn)星AGRI。

3）在定量化應(yīng)用水平方面，除FY-4 AGRI反射波段靈敏度稍低，Himawari-8/9 AHI和FY-4 AGRI在儀器靈敏度和定標(biāo)精度等性能上基本相當(dāng)。

4）在數(shù)據(jù)服務(wù)能力方面，F(xiàn)Y-4衛(wèi)星采用傳統(tǒng)的衛(wèi)星直接廣播和借助通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)兩種模式。Himawari-8/9衛(wèi)星則采用了以更為靈活的互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)方式為主，并兼顧通過通信衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)對HRIT/LRIT低分辨率資料的HimawariCast廣播方式。需要指出的是，Himawari-8/9數(shù)據(jù)服務(wù)模式需要用戶有高速互聯(lián)網(wǎng)接入能力，建議FY-4衛(wèi)星可在未來?xiàng)l件成熟的時(shí)候借鑒采用。

參考文獻(xiàn)：

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The Chinese Next-Generation Geostationary Meteorological Satellite FY-4 Compared with the Japanese Himawari-8/9 Satellites

Zhang Peng,Guo Qiang,Chen Boyang,Feng Xuan
(National Satellite Meteorological Centre,Beijing 100081)

Abstract:The Chinese next-generation geostationary meteorological satellite FY-4 will be launched in 2016,equipped with advanced geostationary radiation imager(AGRI),geostationary interferometric infrared sounder(GIIRS)and lightning mapping imager(LMI).This paper,from several aspects,such as spectral region,spatial resolution,temporal resolution,sensitivity,calibration accuracy and the way of data broadcasting,compares the FY-4 satellite with the Himawari-8/9 satellites developed by the Japan Meteorological Agency.

Keywords:the FY-4 satellite,the Himawari-8/9 satellites

通信作者：郭強(qiáng)，Email:guoqiang@cma.gov.cn

收稿日期：2015年4月30日；修回日期：2015年9月19日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.010

第一作者：張鵬（1970—），Email:zhangp@cma.gov.cn

資助信息：國家自然科學(xué)基金（41275034，91338203）