【美国未来5-10年主要气象卫星的雏形】

炎煌深沉

气象卫星主题，毫无例外地成为2022年美国气象学会（AMS）年会最重要的主题，尽管本次年会因为在线上举办，美国以外全球主要气象卫星研发机构的参与度有所下降，但会议提出的一些新观点，尤其是针对2030年气象业务卫星全球架构给出的新信息，依然令本次会议成为未来气象卫星更新换代的风向标。

尤其是，本次年会中，多个会议都与气象卫星直接相关，一些不同主题的专业会议，还较多地举行联合会议，让卫星遥感观测的数据、标准、应用等向更多的领域渗透，取得了很好的效果。2022年AMS年会中，卫星相关的部分主要会议及主题信息等，在表1中进行了汇总。

本文从年会众多气象卫星信息中，1重点简要介绍美国和少数其他主要国家业务气象卫星未来10年布局的信息。

由NASA研发（图1）的高时间分辨率降水结构和风暴强度观测小卫星星座 （Time-Resolved Observations of Precipitation structure and storm Intensity with a Constellation of Smallsats，TROPICS）是2022年国际紧密关注的气象卫星之一，也成为本次年会气象相关话题的热点。TROPICS计划由6颗3U立方体微波小卫星构成的星座，分别在3个独立的低轨轨道平面上运行，重访周期将小于60分钟，这将有助于跟踪热带风暴系统的快速增长，并做好提前预警。NASA将在TROPICS卫星上搭载微波温湿度计，收集温度、湿度和降水信息。



图1  NASA卫星利用无线电光谱监测地球环境

TROPICS星座需要三次发射才能将卫星放置在不同的轨道平面上（倾斜约 30 度的轨道），以达到高时间分辨率。会上，NASA透露计划于2022年7月31日之前完成卫星发射。但目前据SpaceNews报道 ，直到6月10日才拿到TROPICS第一批的两颗卫星发射许可证。6月12日，由于飞行器液氧推进剂的状况存在问题，在升空前不到两分钟首次尝试停止，此次卫星发射失败。

虽然在年初年会上热盼的TROPICS目前遇到暂时困难，然而，本次会上交流的更多类TROPICS卫星创新，依然是年会的亮点之一，保留更多期盼。

表1  2022年美国气象学会第10届卫星数据同化联合中心（JCSDA）会议主要主题



表2  2022年美国气象学会第18届业务环境卫星系统年度会主要主题




1   NOAA下一代静止卫星GeoXO吸引眼球

本次会议关于气象卫星方面的内容，NOAA下一代地球静止换代卫星GeoXO无疑成为焦点内容，众多报告围绕GeoXO展开。

与1960年代初美国即发射了极轨气象卫星泰勒斯相比，美国业务地球静止卫星直到1970年代中期才发展起来（图2）。



图2  NOAA的系列地球静止气象卫星发展和换代

从2星到3星。本次年会中集中讨论的GeoXO卫星，是计划在十多年后的2032年发射的换代静止气象卫星。GeoXO将作为NOAA观测系统的一部分监视西半球，在规划中的GeoXO星座包括3颗卫星：即GOES East和GOES West两个位置上携带成像仪、闪电测绘仪和海洋颜色仪器的卫星，以及位于中心的航天器，后者将携带测深仪和大气成分仪器（图3）。



图3  GeoXO星座的布局

载荷仪器更加丰富、多样。将继续并扩大目前在轨的GOES-R系列卫星的性能，GeoXO作为换代项目，其在大约10年后将带来的新能力，成为本次会议讨论和期待的重点内容之一。我们从GeoXO携带的仪器性能及其与当前GOES-R卫星类似传感器的对比（图4），可以大约遇见的地球静止气象卫星在十年后的发展。



图4  GOES-R vs GeoXO

首先，GeoXO改变其前任主要服务于气象局和NWP工作，将肩负更多针对海洋、海岸和气候监测任务，其中位于中间卫星携带的大气成分传感器就是一个代表。

其次，为了完成上述任务，星上仪器将更加多样：增加红外探测器、海洋颜色探测器及大气成分探测器。另外，2星变3星，换来中间卫星可以接收合作伙伴搭载传感器。GeoXO的地面系统、数据处理等，相应做出升级和改进。

放弃“绿色”通道换取水观测频段。当前GOES系列卫星的高级基线成像仪ABI中没有的绿色光谱通道（中心波长为0.55μm）。研发团队本考虑在GeoXO的成像仪GXI光谱通道中加入绿色通道，以此与已有的蓝色和红色光谱通道构成精度更高的真彩色图像。但是研发团队与美国国家气象局NWS沟通讨论后认为，当前已经开发出的类比绿色通道的方法，比如美国科罗拉多州立大学的大气研究合作研究所开发的GeoColor产品，已经满足精度要求，可防止气象图像解读出现问题。因此，研究团队将珍贵的光谱通道资源留给水汽吸收频段（中心波长为0.91μm，GOES系列的ABI探测仪也没有此通道），用于跟踪低层水汽变化。据悉，欧洲气象卫星组织EUMETSAT已经按照这个理念设计第3代卫星MTG成像仪的谱段。

协同观测理念放大GeoXO负载能力。目前计划搭载在GeoXO西、东、中3颗卫星上的多个传感器，被作为一个整体。这种一颗卫星上不同传感器之间的协同工作，设计方希望极大地改进卫星L1b级数据的可用性，带来更加丰富的相关产品（图5）。




图5  GeoXO负载仪器之间的协同（上）丰富相关产品（下）

例如，GXI成像仪的数据将利用晴空掩膜算法（clear sky mask），配合GXS探测仪和海洋水色探测仪OCX获得更好的观测。晴空掩膜算法自动生成云分类：多云、可能多云、清晰或可能清晰。数值预报模式可基于晴空掩膜产品来确定应该接收哪些数据以用于预报模型中。此外，GXI成像仪同时还作为独立传感器，增加ACX大气成分探测仪的谱覆盖。而GeoXO上的白天夜间谱段（DNB）传感器分别支持GXI和GXS，增加谱覆盖。按照目前的设计，GeoXO上的6个主要传感器通过协同观测，能够带来多项收益，从而体现换代卫星体现的新功能。这些新功能大多是通过2个或更多传感器的协同观测获得，直指NOAA核心和未来拓展的主要业务。

·改进要素和现象监测，包括：云高、陆地和海洋表面温度、海冰、风、气溶胶和灰尘、火山喷发特征；

·改进评估或预报，包括：风暴灾害和洪水、强风暴预报、火灾和火险天气预报、大气成分中痕量气体和空气质量、夜间风暴；

·改进对过程的认识，包括：海洋生物化学、夜间云和雾覆盖、热带气旋特征、（利用晴空遮挡）大气温度和水汽。

卫星算法和应用平台CSPP：获取卫星话语权。气象卫星，特别是大型业务卫星，搭载的仪器众多，数据量大，对于卫星数据用户来说，应用卫星数据的门槛相对要高很多。面对气象卫星数据应用，各国较早为用户所想，陆续开放和推出以共享和持续提升能力，集数据处理、数据网格化和各种应用算法于一身的处理平台。在美国，针对NOAA业务卫星，这样的平台被称为CSPP（Community Satellite Processing Package，社区卫星处理包）。依据针对的卫星数据的特点，CSPP还被不同机构开放出针对性的版本。例如，气象卫星合作演讲所（CIMSS）开放的CSPP－Geo/LEO，分别瞄准地球静止和极轨气象卫星，通过提供软件，可以利用地球静止卫星数据生成地球物理产品。所有CSPP软件都免费下载和使用，改平台支持兼容64位CentOS7 Linux 平台，通过易于安装和运行的二进制tarball分发，发布的软件包含所有必需的第三方软件，同时还与可选的测试数据包一起发布，帮助用户快速熟悉数据。此外，用户还能从产品中生成“快速浏览”图像（图6）。



图6  卫星数据下传经过CSPP转化为产品

目前，CSPP－Geo支持的仪器包括GOES-R的高级基线成像仪(ABI)、地球同步闪电测绘仪(GLM)和空间气象仪器；此外，平台还支持日本葵花卫星上的成像仪(AHI)以及GOES-13和GOES-15的成像仪。

CSPP软件平台的发展，一是开始支持多传感器通用算法，二是逐渐演化为卫星主持机构的所谓“官方”算法。因此，CSPP等平台一般在卫星设计阶段就开始介入，卫星业务化后快速更新软件，让用户更早获得最新的卫星数据和产品。

2   NASA地球观测卫星计划的布局和发展

本次年会上，美国另外一个地球观测卫星的主要研发机构NASA在全体会（市政厅会）和多个分会场，阐述了该机构地球观测卫星的发展、取得的成就和未来发展蓝图。

2022年到2023年初，NASA相关的卫星发射活动安排较为密集（图7），其中，TROPICS系列卫星的发射已经成功，引发全球气象界的极大兴趣。



图7  NASA的系列地球静止气象卫星发展和换代

EVM-3卫星登场。NASA以空间探测为主要特征，其在地球观测领域探索性的卫星研发项目EVM（Earth Venture-Mission，地球冒险使命），在推出了前两个项目，即EVM-1（旋风全球导航卫星系统，CYGNSS）)和EVM-2（地球静止碳循环观测站，GeoCarb）后，第三个项目在本次会议上被隆重介绍：INCUS（Investigation of Convective Updrafts，对流上升气流调查）。

INCUS计划由三个小卫星组成，3颗卫星紧密协调飞行，瞄准直接解决对流风暴、强降水和云形成的确切时间和地点的原因。这项计划源于美国国家科学院等机构开展的2017年地球科学十年调查结果。那次调查提出了雄心勃勃但极为必要的研究和观测发展的方向。NASA在针对EVM-3的征集中，选择了INCUS。该计划的首席研究员由罗拉多州立大学的Susan van den Heever担任，预计将于2032年实现。

目前的设计表明，INCUS的3颗卫星，将携带：1）JPL的Ka-波段5通道雷达（等同于Rain Cube卫星）；2）JPL的跨轨扫描微波辐射计（等同于TEMPESTD卫星）；3）10度1.6m ka-波段天线；4）Blue Canyon技术公司的X-SAT金星商业总线。目前的设计和实现，主要依据大学和商业公司（图8）共同的智慧，同时，也从（这些机构也参与其中）成功项目（Rain Cube卫星、TEMPESTD中通过“拿来主义”快速完成传感器改进，而将研发重点放在机理揭示等方面。



图8  承担INCUS项目的1个高校和2家企业

NASA在地球观测领域，设立了EVS（高空探测系列）、EVM、EVI（仪器）、EVC（持续观测）和ESE（探索者）等多个研发系列项目，这些系列各有特点和约定：如最新建立的ESE系列，仪器的尺度和项目规模，均为中等规模，研发时间最短，为2年；而EVM项目研发时间4年，研发的系统是全功能和独立的；投入最大的ESE项目，目前设计的“招标”计划中，前期选定项目的首席科学家将获得3.1亿美元支持（但如果成功中标，在进入初选的4个项目后，需经过9个月的阶段A概念模型研究，再经过第二轮4选2后，才能进入起步阶段和获得资助）。2009年以来，这些系列项目均在取得进展，一些被关注的项目还将在2022年见分晓（图9）。借助本次年会，NASA官员呼吁学界和商业界积极响应NASA的计划（图10），为NASA研发作贡献。



图9  NASA地球观测类项目类别和2009年以来的执行和计划



图10  NASA地球观测类项目类别和2009年以来的执行和计划

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来源：中国气象局气象发展与研究院

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