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天地一体化的楷模--风云二号系列气象卫星应用纪实
    日期:2008年12月26日    字体:【】【】【

    1997年6月10日,一个值得中国人铭记的日子。这一天,我国成功放飞了第一颗静止轨道气象卫星——风云二号A星。
    从此,在赤道上空的静止气象卫星俱乐部里,有了中国卫星的身影。虽然当时羽翼未丰,但随着B星、C星、D星和E星的陆续升空,如今的“风云二号”已名满天下。
    这是航天人和气象人共同努力的结果。他们通过十多年的努力,在星地一体化技术的基础上,建立起我国的卫星气象业务系统,并创造性地实现了“双星运行,互为备份”的运行模式,令世界同行瞩目。


   先行者的挫折与进步
    提起“风云二号”的早期情况,中国气象局卫星地面应用系统副总师张志清用了“伤心”二字。这和卫星总设计师李卿的描述不谋而合。
    今年65岁的李卿,曾经在一篇文章中写道:为了彻底改变依赖外国卫星、看人脸色的局面,我们航天人和气象人的最大心愿就是:不管遇到多大的困难,都要尽快研制出具有国际水平的地球静止轨道气象卫星。
    地球静止轨道气象卫星和地球保持相对静止,可对全球1/3左右的地区进行连续气象观测。但是,起步于上世纪80年代中期的风云二号卫星研制,条件和基础都相对较差,经费也十分缺乏,面临的困难可想而知。
    即便如此,李卿和卫星研制团队兑现了他们的诺言。在风云二号地球静止卫星正式立项后的第8年,他们带着即将成为我国第一颗静止气象卫星的风云二号01星,来到西昌卫星发射中心。然而,在发射前8小时的模拟测试中,卫星却发生了意外事故,造成了不可挽回的损失。
    出师未捷!这对航天人和气象人都是巨大的打击。但3年过后,他们以卧薪尝胆的精神,成功地将风云二号A星送入轨道,而且验证了卫星的基本功能和观测系统。
    遗憾的是,A星上天后运行了10个月,便出现了一些故障,只能间歇性工作,每天只能工作6小时~8小时。2000年6月,B星上天后运行了8个月,星上传感器的主备份相继出现故障,发送下来的信号比正常情况下差很多,接收起来非常困难。
    “因为天气是一个连续的过程,要求卫星必须连续、稳定、不间断地工作。A星和B星的表现,显然满足不了业务运行的需求。”张志清说,“但不容否定的是,这两颗星作为先行者,为我国气象事业作出了不可磨灭的贡献。”
    尽管A星的业务功能丧失了,但地面应用系统一直没有放弃对卫星的在轨管理。A星在天上待了9年,积累了大量的空间工作数据,为后续气象卫星的研制提供了宝贵的资料。
    对于B星,地面应用系统也找到了比较有效的管理办法,让原始资料接近能够使用。B星在轨的时间也有好几年,虽然应用有限,但在解决云图定位方面发挥了重要作用,对气象卫星的定量化应用作出了很大贡献。
    李卿也认为,虽然A星和B星在气象业务应用上没有达到预期的效果,但它们验证了卫星的设计方案,为C星研制和应用奠定了重要的技术基础。


   不再看外国星的脸色
    2004年10月,在B星基础上做了256项技术改进的C星发射成功,很快便投入业务运行,使我国摆脱了看人脸色的局面。
    在C星之前的很长一段时间里,虽然我们有心使用自己的静止轨道气象卫星,但由于A星和B星的实际状况不理想,在天气预报中仍不得不依靠外国的气象卫星。
    在外国卫星提供的云图上,我国处于观测区的西北边缘,不仅云图畸变很大,还不能看到从西边过来的天气系统,而这又属于我国天气的上游,十分重要。另外,从西伯利亚南下的冷空气,从西藏高原东移的天气系统以及从印度洋上北上的暖湿气流,都对我国天气有十分重要的影响。
    C星升空后,经过在轨测试和业务试运行,很快便拿出了定量化处理的产品,达到了使用要求。于是,在2005年的汛期到来之前,全国2000多个气象台站的卫星接收天线便对准了风云二号卫星。从此,中国的静止轨道气象卫星事业驶入了发展的快车道。
    “从那时开始到现在,风云二号C星一直在稳定、连续、可靠地工作。通过卫星系统和地面应用系统的共同努力,目前,C星的寿命已经超过了4年,可以说屡立战功,天气预报一刻也离不开它。”张志清自豪地说。
  卫星总指挥徐博明风趣地说,“风云二号”如果稍微一打喷嚏,就会有很多地方气象台站的人打电话到中国气象局的国家卫星应用中心来。B星升空后,卫星研制方为了做个试验,停了两张图。很快,便被要求试验暂停。现在,C星、D星完全应用到天气预报中了,连每周四上午的地面设备维护时间都被取消了。
    2006年12月风云二号D星升空后,我国实现了“双星观测、组网运行”的业务运行方式,大大提高了观测效率。
    据国家卫星气象中心主任杨军介绍,风云二号C星日常运行,每天获取28幅云图,遇汛期等特殊情况时进行加密观测,每天获取48幅云图。D星入轨后,两颗卫星按时序安排观测,每张图的时间分辨率可以由30分钟缩短至15分钟,任务工作量比原来增加了一倍。
    特别值得一提的是,风云二号卫星高精度的图像定位技术破解了世界性的问题,被称为“天地一体化的楷模,地面应用系统的典范”。
    对此,徐博明说:“要实现天地一体化可不容易,首先必须确保卫星在轨的稳定运营。如果总是出现这样那样的问题,地面系统就无法应用。”
    张志清则说:“C星和D星分别在东经105度和东经86.5度上观测,其重叠区主要就是我国国土。由于观测角度不同,当把两颗星的资料融合起来做动画时,如果定位不好,就会看到云一会往前走,一会往后走。因此,必须对云图进行重新投影等技术处理,才能保证动画的连续性。”
    美国宇航局局长格里芬在考察完国家卫星气象中心后,在其网站头版上写了一段话,说在中国看到了一种独到的卫星云图定位方法,保证了定位精度。这一具有自主知识产权的定位技术,被国际同行专家公认为达到了国际先进水平。
    2004年年底东南亚地区发生大海啸之后,温家宝总理代表中国政府做出承诺,将风云二号的云图资料公开,免费提供给各国使用。目前,国际上有20多个国家和地区,如澳大利亚、日本、美国、欧洲以及东南亚的一些国家,包括我们国家的香港、澳门、台湾地区,都在使用风云二号卫星观测到的数据。他们都对风云二号卫星提供的高质量数据给予很高的评价。


   为国民经济保驾护航
    由于“站得高,看得远”,风云二号卫星一个强大的功能,便体现在对灾害性天气特别是台风、暴雨、洪水、干旱、积雪、森林与草原火情等重大自然灾害的监测,为公众服务和决策管理提供了极为重要的参考依据。
    ——台风监测。台风,又称热带气旋,是全球主要气象灾害。它带来的经济损失占整个气象灾害经济损失的50%以上。由于海洋是常规气象观测的盲区,海上热带气旋的监测与预报主要依赖气象卫星观测资料。
    在西北太平洋地区,台风在我国的登陆频次最高。1991年~2002年,共有84个台风登陆我国,直接经济损失约3440亿元,平均每个台风造成的直接经济损失约41亿元。
    2003年之后,日本GMS-5卫星结束观测,后续MTSAT卫星发射失败,我国的风云二号B星、C星和D星在台风监测中起到了决定性的作用。它们不仅可以发现台风的生成,还能准确找到台风中心位置,估计台风强度,计算台风移向移速,预测台风登陆的时间、地点和登陆后可能造成的降水强度和范围,具有极大的参考价值。
    在今年的珠海航展上,中国航天科技集团公司总经理马兴瑞听到了广东省有关方面人士说出的这样一番话:“自从有了风云二号卫星后,我们广东省没有漏报过一个台风。这在无形之中,挽救了成千上万人的生命财产。”
    实际上,自2005年1月C星投入业务以来,太平洋生成的92个台风中,有33个是登陆我国大陆的。风云二号卫星一个都没有漏过,比如2005年登陆我国的超强台风“海棠”,2006年的超强台风“桑美”以及2007年的超强台风“罗莎”等。
    ——森林与草原火情监测。我国森林面积约15894万公顷,平均每年发生森林火灾上千次,火场面积数十万公顷,死亡上百人,经济损失在10亿元以上。风云二号气象卫星的应用,大大减少了由于未能及时发现火情造成的森林资源损失和火灾扑救过程中的人力物力损失。目前,气象卫星林火监测已经成为森林防火的一项重要技术手段。
    2006年5月22日,黑龙江省嫩江县嘎拉山、大兴安岭松林区砍都河和内蒙古自治区牙克石市免渡河发生了特大森林火灾。在这场“硝烟弥漫”的“战斗”中,风云二号C星获取的4个红外通道云图反映的云含水量、温度变化态势和风向,为人工催雨和指挥灭火提供了及时的信息,创造了在短时间内主要靠人力扑灭特大森林火灾的奇迹。
    对于日常性天气,风云二号卫星也是不可或缺的重要观测手段。比如,在经济社会迅速发展的今天,大雾对公路、铁路、航空、航运、城市供电产生着严重的影响。气象卫星以覆盖范围大、观测频次高、信息源可靠等特点,可以有效地进行大雾监测和预报业务。
    再如,我国西北地区是沙尘暴多发区,不仅严重影响当地人民的生产生活,而且对下游广大地区的天气和环境造成严重危害。仅1993年“五五黑风”一次沙尘暴过程,就有67人死亡、20人失踪,直接经济损失2.45亿元。由于西部地区气象观测站点稀少,对沙尘活动的有效监测途径主要就是通过气象卫星。
    目前,国家卫星气象中心利用静止气象卫星资料制作的各种信息产品已达25种,为气象、海洋、农业、林业、水利、航空、航海、环境保护等领域提供了大量的公益性和专业性服务,产生了巨大的社会效益和经济效益。


   天气服务被提上日程
    据1978年参加工作的北京市气象局预报专家张明英回忆,“清早宝塔云,下午雨倾盆”等古代谚语是当时的主要预报手段,“误报率”居高不下。有一次,他们预报的天气状况不错,就有个市民把被子拿出去晒了。没多久,天下雨了,被子全淋湿了。这位市民打来电话,强烈地表示不满。
    自从静止轨道气象卫星投入使用后,上面的例子便很难找到了。风云二号卫星的“双星加密观测”模式,可以使很多中小尺度的天气状况尽在掌握之中。
    张志清不禁慨叹,现在经济社会发展了,大型活动多了,人的活动圈大了,计划性强了,对天气预报的要求越来越高。现在气象部门提供小到穿衣指数,大到北京奥运会期间“鸟巢”会不会下雨等预报服务。这主要依赖于风云气象卫星等观测手段提供的观测数据。
    据了解,预报“鸟巢”天气用的是一种综合加强手段,“精细数字预报模式+密集的基本观测+高频次的卫星/雷达观测”。这种预报手段成本很高,目前还很难推广。但是,天气预报的高精度要求将是气象卫星努力的方向。
    “现在,中国气象局特别强调服务,而服务质量的前提是建立在预报准确度的基础上,最终还是建立在卫星获取的观测数据准确度上。如果以金字塔作比喻,最底端是地、空、天的观测,中间是气象预报,顶端才是气象服务。要想做到定时、定点、定量的气象服务,卫星观测到的数据还要进一步丰富。”中国气象局副局长宇如聪说。
    宇如聪坦诚地告诉记者,风云二号第一代静止卫星还停留在光学探测上,尚存局限性。随着气象服务要求的越来越高,他们需要知道大气的垂直结构。这一点,风云二号卫星已经无法满足,迫切需要研制能够进行垂直探测的第二代静止轨道气象卫星——“风云四号”。
    为此,航天人和气象人勇担重任,再度开始了精诚合作。他们知道,气象卫星是一个国家的核心技术。对于中国这样的大国而言,必须依靠自己的力量发展气象卫星,否则容易受制于人。
    目前,“风云四号”正在立项之中。它将采用三轴稳定的模式,可以对数千公里尺度的天气达到分钟级的时间观测分辨率。同时,卫星具有机动性,能够进行对所关注区域进行连续、高频次的观测。当然,最重要的是,它可以进行垂直探测,获取大气的垂直温度、湿度廓线等。
    因此,张志清有时会和李卿开玩笑,称气象人和航天人是同一战壕的“战”友。虽然有时候也要“战”,但都是在同一战壕里,都希望把中国的气象卫星发展好。为此,卫星研制系统和地面应用系统要实现最佳的组合效果,无愧于“天地一体化的楷模”称号。(索阿娣)

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