精准感知“如毛毛雨般的降水变化”，我国首颗降水测量专用卫星厉害在哪？
摘要：独门绝技让大气降水尽在掌握。
今天（16日），由中国航天科技集团上海航天技术研究院抓总研制的风云三号G星成功发射。作为风云卫星家族中的第20星，它在国际上首次采用双频主动降水测量雷达与被动微波、光学遥感相结合的综合探测，实现了降水测量从“被动看”到“主动探”的跨越，进一步提高了我国气象综合观测能力。这颗卫星到底都有哪些“独门绝技”？
对大气降水“CT扫描”
降水是全球水循环中的重要过程，降水量多少和降水在时间与空间分布的变化会极大地影响人们生活。据统计，全球台风有三分之一左右产生于北太平洋西部，而我国正处于北太平洋西部台风活动带上，近年来，台风暴雨内涝成为我国部分城市面临的重要灾害之一。
关于降水资料的获取，传统上主要通过雨量计、地基雷达等手段。但由于地面设备配置数量有限且分布不均，难以获取大范围高空间分辨率的地面降水信息。
风云三号G星搭载了我国首套“空中雨量计”——星载Ku、Ka双频降水测量雷达，将雷达观测分辨率高和卫星观测范围广的优势结合起来，通过向大气发射无线电磁波信号，接收大气中不同高度层的降水粒子反射信号，获取垂直方向不同高度层的降水结构信息，实现垂直方向降水的探测。
同时，利用雷达跨轨方向的扫描能力，实现对水平方向的降水探测，最终使风云三号G星具备自上而下获取三维结构信息的能力，就如同对大气降水进行CT扫描，获得降水精细的立体结构信息。
除此之外，风云三号G星Ku频段和Ka频段雷达同步工作，可以利用大气中不同高度层的降水粒子对两个频段雷达辐射的微波信号的反射率不同的特性，区分雨和雪，并对降水进行精确估计。
Ku频段有利于探测强降水，Ka频段则有利于探测弱降水，两者结合形成的双频探测，可以扩大降水探测能力，提高降水反演精度，精准感知407公里轨道高度内地球大气0.2毫米/小时如毛毛雨般的降水强度变化，比国外同类仪器在相同灵敏度下的距离分辨率提高了1倍，可获取更精细的降水三维结构信息。
对台风暴雨“精确把脉”
为了进一步提升对台风、暴雨等灾害性降水的高精度观测，风云三号G星瞄准了“高探测灵敏度、高探测精度、多体制联合探测”的发展方向。除了主动降水测量雷达外，卫星还搭载了一台全新升级换代的仪器——微波成像仪。
作为国内首次配置的降水型多通道、高灵敏、高精度的辐射计，微波成像仪将在国内首次实现9频点26通道一体化探测。它可以接收地球大气10到183GHz微波辐射能量，进行全天时、全天候、多极化协同探测。就像一只高灵敏、高精度的千里眼，获取台风内部温湿结构、台风强度、台风影响区雨强等相关关键信息，预测台风未来发展情况，对台风暴雨“精确把脉”。
此外，卫星搭载的光学遥感载荷——中分辨率光谱成像仪，将实现可见光/红外云图、云顶温度、云顶高度、有效粒子半径和云形态学方面的要素探测，进而辅助判断降水云的存在，完善微波测量的反演结果。
主动降水测量雷达与被动微波、光学遥感相辅相成，实现降水要素的多体制联合协同探测，可谓强强联合，成为降水测量界的“王炸”组合。
首次采用低倾角轨道
作为我国首颗降水测量专用星，风云三号G星也是我国首次采用低倾角轨道的气象卫星。低轨卫星大多数采用太阳同步轨道，倾角一般都在98度附近，风云三号G星则与众不同，采用了倾角为50度的“低倾角轨道”。
为什么选择低倾角轨道？由于太阳同步轨道的倾角略大于90度，因此，卫星每一圈都会经过地球南北极，使其针对极区观测效率较高，但对中低纬度地区观测效率偏低。风云三号G星的主要观测对象是大气中的降水现象，全球降水又主要发生在地球的中低纬度地区，为了提高降水观测的时效性，风云三号G星便采用了低倾角轨道，卫星运动范围集中在南北纬50度之间，从而可以更高效、更精准地观测地球的降水现象。
这自然也面临不小的挑战。最显著的问题是，卫星外部热环境变化复杂，对于运行在低倾角轨道上的卫星，太阳会定期出现在轨道面的两侧，一段时间内，太阳照射卫星的左侧面，过一段时间，太阳又会照射卫星的右侧面，如此往复，周期约为28天。
为确保卫星始终以同一侧面面向太阳，稳定卫星的外部热环境，风云三号G星研制团队为卫星量身定制了一套自动掉头工作模式，在轨运行过程中，当太阳光从轨道面的一侧运动到另一侧时，风云三号G星将自动旋转，实现前后掉头，从而确保始终以同一个侧面面向太阳。这样，无论太阳在什么位置，卫星的外部热环境都能相对稳定，从而保障了星上仪器始终处于舒适的温度区间，发挥更好性能。
在后续的业务运行中，风云三号G星将发挥“独门绝技”，与风云三号晨昏星、上午星、下午星功能互补、相互配合，组网形成完整的低轨气象卫星业务综合观测能力，将预报精度提高3%左右，将预报时效延长24小时左右，将气象灾害监测时效提高近1倍，有效监测卫星寿命周期内发生在海上的台风内部云、雨的发展过程，为台风、暴雨、暴雪等灾害性降水提供高精度观测资料，进一步提高全球数值天气预报效能。
栏目主编：李晔
题图来源：上海航天供图