高分系列卫星及其气象应用

中国气象局国家卫星气象中心

2017.4.27

报告提纲

1. 高分系列卫星介绍

2. 高分应用气象应用能力建设

3. 高分卫星资料气象应用

4. 高分卫星气象应用展望

海洋卫星 风云卫星

资源卫星 环境减灾星座

中国主要对地观测业务卫星（3系列+1星座）

1.高分系列卫星介绍

1.2 遥感卫星的发展

高分卫星

高分辨率对地观测系统：高分系列卫星 （2013年起）

卫星 发射时间 描述

GF-1 2013.4.26 2m全色/8m多光谱/16m宽幅多光谱

GF-2 2014.8.19 1m全色/4m多光谱

GF-3 2016.8.10 1m C-SAR合成孔径雷达

GF-4 2015.12.29 50m地球同步轨道凝视相机

GF-5 未发射

可见短波红外高光谱相机

全谱段光谱成像仪

大气气溶胶多角度偏振探测仪

大气痕量气体差分吸收光谱仪

大气主要温室气体监测仪

大气环境红外甚高分辨率探测仪

GF-6 未发射 2m全色/8m多光谱/16m宽幅多光谱

GF-7 未发射 高空间立体测绘

高分一号卫星（GF-1） GF-1于2013年4月26日在酒泉卫星发射中心发射成功，是高分辨率对地观测系统国家科技重大专项首发星。

GF-1搭载空间分辨率2m/8m和16m相机，幅宽为70km和800km。

单轨成像时间：12分钟（4950km的长条带）。

GF-1卫星轨道参数

GF-1卫星有效载荷技术指标

GF-1卫星16m多光谱产品

GF-1卫星8m多光谱产品

GF-1卫星2m全色产品

高分二号卫星（GF-2） GF-2于2014年4月19日在太原卫星发射中心发射成功，目前分辨率最高的民用陆地观测卫星，标志我国遥感卫星进入亚米级高分时代。

单轨成像时间：12分钟（4950km的长条带）。

GF-2最大侧摆能力±35°，常规不超过±25° 。

GF-2卫星有效载荷技术指标

GF-2卫星1m融合影像产品

GF-2卫星4m多光谱产品

GF-2卫星1m全色产品

GF-2卫星轨道和姿态控制参数

高分三号卫星（GF-3） GF-3于2016年8月10日在太原卫星发射中心发射成功，我国首颗高分辨率民用雷达遥感卫星。

具备高分辨率、大成像幅宽、多成像模式、长寿命运行等特点，具备全天候全天时观测能力，并通过卫星姿态机动扩大对地观测范围、提升快速响应能力。

主要用于支撑海洋权益维护、灾害风险预警预报、水资源评价与管理、灾害天气和气候变化预测预报等应用。

重访能力：单侧视情况下平均重访周期小于3天。双侧视情况下，在10m分辨率100km测绘带宽模式下，实时观测区内90%地区重访周期小于1.5天。

观测入射角：8.85°-50.8°。

每天最多成像时间：140分钟。每天最多一次左侧视成像。

同一时间只能用一种模式成像。 GF-3卫星影像产品

GF-3卫星多种模式参数

工作模式 分辨率（m） 幅宽（km）

1.聚束模式 1 10*10

2.超精细条带 3 30

3.精细条带1 5 50

4.精细条带2 10 100

5.标准条带 25 130

6.窄幅条带 50 300

7.宽幅条带 100 500

8.全极化条带1 8 30

9.全极化条带2 25 40

10.扩展-低入射角 25 130

11.扩展-高入射角 25 80

12.全球观测 500 650

13.波模式 10 5*5

• GF-4于2015年12月29日在西昌卫星发射中心发射成功，我国首颗地球同步轨道高分辨率遥感卫星。

• GF-4运行轨道：距地35786km地球静止轨道，定点位置106°E，具备高时间分辨率和较高空间分辨率优势。

• GF-4搭载空间分辨率50m（可见光和多光谱）和400m（红外谱段）的凝视成像相机。

• 2种应用观测模式，气象应用模式

陆地应用模式。

• 定位在105.6°E • 总共6各通道：全色，R.G.B，近红

外和中波红外 • 可见光通道单景500km×500km，中

红外单景400km×400km • 凝视模式成像时间频次小于20S

高分四号卫星（GF-4）

国际新一代地球静止轨道卫星探测能力对比

高分四号与静止气象卫星成像仪观测能力对比

成像仪 空间分辨率 （可见光波段）

空间分辨率（红外波段）

时间分辨率（全圆盘观测）

时间分辨率 （区域观测）

高分四号 50米 400米 5秒

FY-2 1.25公里 5公里 30分钟 6分钟

FY-4 500米 2-4公里 15分钟 ？？

Himawari 8 500米 2公里 10分钟 2.5分钟

GOES-R 500米 2公里 15分钟 30秒 – 5 分钟

MTG 500米 2公里 10分钟 2.5分钟(4个波段，更高分辨率)

高分四号卫星更高的时空分辨率对于监测空间尺度小、生命史短的突发性灾害天气系统和台风云系的精细化结构及演化具有明显优势！

高分五号卫星（GF-5） • GF-5卫星于2016年6月完成初样研制，目前进入整星测试，计划于2017年下半年完成正样并出场发射。

• GF-5卫星是国家高分重大科技专项中搭载载荷最多、光谱分辨率最高、研制难度最大的卫星。

• GF-5卫星首次搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪（EMI）、主要温室气体探测仪（GMI）、大气多角度偏振探测仪（DPC）、大气环境红外甚高分辨率探测仪、可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪共6台载荷，可对大气气溶胶、二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳、甲烷、水华、水质、核电厂温排水、陆地植被、秸秆焚烧、城市热岛等多个环境要素进行监测。

• GF-5卫星搭载的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪具有光谱分辨率高、太阳跟踪精度高、光谱定标精度高的技术特点。全谱段光谱成像仪具有谱段范围宽、空间分辨率高、辐射定标精度高的技术特点。

• GF-5卫星将填补我国污染气体、温室气体遥感监测的空白，提升我国大气环境遥感监测的定量化和精细化水平。

2. 高分卫星气象应用能力建设

中国气象局负责我国的风云系列气象卫星及应用；也

是高分系列卫星的主要用户之一。

国家卫星气象中心参与了高分卫星的立项论证、地面

和应用系统建设、在轨测试和资料应用等工作；承担了高

分四号卫星地面系统北京接收站建设及数据接收、记录、

传输任务；负责高分卫星资料在气象行业的应用示范。承

研了“关键地区天气、气候与大气成份应用示范先期攻

关” 、“高分气象遥感应用示范系统（一期）”项目、

高分四号、五号等共性关键技术攻关项目。

高质量的专题产品

• 稳定性云检测阈值 • 对流云识别和追踪 • LST影响因子模拟及误差分析 • 冰川对气候变化的响应关系 • 高精度的选择性吸收光谱特征 • 选择最佳通道、修正散射效应, 从观测的辐射强度快速精确地反演CO2浓度

• 大气和地表之间的“地－气”偏振信息的分离技术

• 云顶高度反演精度和在轨定标精度 • 大气吸收谱线的高精度反演模型 • 掩星资料同化观测算子构造和基于一维变分的温湿度及臭氧廓线分析增量提取

• 大气成分变量的目标泛函构造；诊断应用技术

• 静轨50M成像仪的云检测 • 静轨50M成像仪的对流云监测 • 静轨50M成像仪的有眼台风中心定位

• 高温 • 冰川/背景积雪 • 地表发射率 • 干旱监测 • 臭氧总量 • 大气CO2总量 • 大气气溶胶光学厚度 • 大气NO2总量 • 气体吸收廓线 • 同化分析温度廓线 • 同化分析湿度廓线 • 同化分析臭氧廓线 • 格点土壤温度 • 格点土壤湿度

17

个产品原型算法

11

项关键技术

高分气象应用示范系统

高分卫星气象应用 产品统一调度和生产

序号 产品名称 检验和验证结果 批复要求

1 静止轨道50M成像仪的云检测（白天）

82.9% 优于60%

2 静止轨道50M成像仪的对流云监测（白天）

88.0% 优于70%

3 静止轨道50M成像仪的有眼台风中心定位（白天）

<0.15个纬距

误差小于0.5个纬距

4 高温 4℃左右 误差3 k

5 冰川/背景积雪 99.95% 误差≤20%

6 地表发射率 0.015 误差≤0.03

7 干旱监测 12.96% 80%(误差≤20%)

8 臭氧总量 0.961 误差≤5%

9 大气CO2总量 ≤1% 误差≤1%

10 大气气溶胶光学厚度 优于±0.03±0.15*AOD 反演精度±0.05±AOD×15%

11 大气NO2总量 R=0.94 优于30%（晴空污染地区）

12 气体吸收廓线 0.3ppm

CO2、CH4和O2：谱线位置精度优于：1 E-6cm-1；谱线强度探测范围：>5 E-29 cm-1/(molecule cm-

2)

13 同化分析温度廓线 <2 K 误差2 K

14 同化分析湿度廓线 <15％ 误差15％

15 同化分析臭氧廓线 <15％ 误差15％

16 格点土壤温度 <2.5 K 误差2.5 K

17 格点土壤湿度 <15％ 误差15％

实际产品精度vs研制任务书要求

高分卫星资料在气象行业共享与应用

• 中国气象局高度重视，近年来一直加大投入，在气象行业积极开展国家级和省级高分应用能力建设。先后立项了“高分辨率卫星资料应用服务能力建设”、“高分卫星资料及硬件系统建设”等多个应用示范项目。

• 辽宁、内蒙古、西藏等3个省级高分数据与应用中心依托省级气象局部门建设。其他省气象局积极开展高分应用能力建设。

中国气象局领导视察高分应用服务 高分西藏中心在拉萨挂牌成立

国家卫星气象中心与资源卫星中心实现专线互联，实时获取GF卫星数据，

2016年5月以来，已累计获取数据10万余景、60TB。

依托信息化系统建设，试点开展高分卫星数据省级区域定制化下载（推

送），解决省级卫星数据获取瓶颈问题。目前，基于CIMISS专线网络和云

服务逐步向31个省（区）气象局提供实时定制化服务。

高分卫星数据国家级监控界面

高分卫星数据实现国家级统一获取、省级定制化服务

在国防科工局重大专项中心的支持下，与中国资源卫星应用中心合作，完成中国区域16米和2.5米GF卫星遥感数据库建设，已成为中国遥感信息服务网基础底图，并提供全国省气象局使用。

高分16米分辨率全国影像图

高分2.5米分辨率全国影像图

完成中国区域16米和2.5米背景数据库建设

广东2.5米分辨率遥感影像动态浏览

高分卫星资料受到国际气象同行的高度关注

• 世界气象组织卫星事务高级顾问Dr. Tillmann Mohr博士对高分四号图像展现的惊人时间和空间分辨率赞赏不已，称赞其具有里程碑意义，认为其将对国际静止气象卫星发展起到示范引领作用。

• 欧洲气象卫星组织主任Alain Ratier对高分四号卫星取得的成就表示惊讶和祝贺。

• 美国NOAA环境卫星数据与信息服务局主任Stephen Vlotz 博士在2016年7月访问中国气象局时专门了解了高分四号的相关应用情况，表示十分敬佩和祝贺。

• 地球观测卫星委员会（CEOS）对高分四号卫星资料应用也表示了强烈兴趣。

气象决策服务

重大活动气象保障

极端天气事件监测预警

灾害影响评估

气候变化与生态环境

3、高分卫星气象应用

近2年利用高分等多源卫星资料开展台风、暴雨、洪涝、火灾、霾高温等灾害天气和环境生态领域

的应用，开展高分卫星资料在G20杭州峰会等重大活动气象服务保障，为气象决策提供强有力的支撑，明

显提升遥感应用服务效果。近2年共发布各类监测报告500余期，服务报送4500余次，其中50余期材料被

《专题报告》、《局领导材料》、《气象灾害预警服务快报》、《重大气象信息专报》、《重要气候信

息》、《两办刊物信息》 等刊物引用，其中10余期材料获得中央、国务院领导批示。

3.1 高分卫星为气象决策提供强有力的支撑

2016年7月，在高分等多源卫星资料支撑下，为李克强总理赴安徽、湖北、湖南等地视察

防汛提供背景材料。 “卫星遥感湖泊洞庭湖、鄱阳湖和淮河蒙洼至颍上段水体监测分析”材料被决策引用，同时获得李克强、汪洋等领导的关注，在报道总理工作照片的显著位

置出现，高分等多源卫星遥感分析材料有效的支撑或影响了政府决策

2016年为7月8日，为汪洋副总理赴太湖流域调研提供背景材料，全文被决策引用，太湖水

环境综合分析材料得到相关领导的关注。

• “G20峰会”，2016年9月3-4日气象保障服务，对开幕式户外活动和晚间的布景演出至关重要，中国气象局天气会商加密至1小时1次，对专家天气预报的精准程度要求极高，GF-4以其高空分辨率的“绝对”优势，成为关键时段天气首席专家决策分析短时临近天气的“杀手锏”

3.2 卫星资料提升重大活动气象服务保障水平

• 预报难点：3-4日云量增多，“阵雨”下在哪儿？哪阵下？

迫切需求： 高时间、高空间分辨率的实时观测

基于GF-4资料分析化解难题： 带有丰沛水汽的低云从东边海上向杭州周边涌来，为周边等待作业的人工影响天气指挥部提供重要决策信息。

G20杭州峰会气象保障服务，规划高分四号卫星3次气象观测、3次陆表观测，制作GF-4云图动画26个，彩色合成图像114幅，GF-4卫星资料准确。

FY-2F 6分钟间隔

GF-4 1分钟间隔

通过尺度分析可知：中小尺度灾害性天气监测预警需要更高时空分辨率的观测

按照Orlansik（1975）对于大气运动时空尺度的划分:

大尺度 中尺度 小尺度

时间尺度

十几小时至1天以上 十几小时

几小时至 1小时至几小时

30分钟至1小时

10分钟至30分钟

10分钟之内

空间尺度

＞10000km

2000-10000km 200-2000km 20-200km 2-20km 200m-2km 20m-200m ＜20m

飑线、雷暴、积云对流等

龙卷、尘卷、下击暴流、龙卷吸管涡旋、冲顶对流泡等

分钟级、米级

3.3 增强极端天气事件的监测预警能力

中小尺度天气系统虽然个头小，但气象要素梯度大（变温变压剧烈）、天气现象激烈（雷暴、冰雹、龙卷等）、破坏力大（阵风阵雨极大），是灾害的重要来源！例如：江苏龙卷（2016年）、湖北监利的下击暴流（2015）

GF-4卫星 • 空间分辨率：可见光波段为50米， 中波红外波段为400米； • 时间分辨率最高为5秒

西藏东部强对流监测

那曲地区班戈县

尼玛县

申扎县

拉萨市 当雄县

安多县

那曲县

7s

154s 28s

利用GF-4数据分析了不同时间频率对对流天气系统的观测效果 • 不同尺度对流系统对观测频率的

要求不同 • 对于突发性快速发展的中小尺度

对流系统，需要<1分钟的观测频率才能捕捉其演变过程。

对流云顶单点

对流云体区域平均 Max

Min

Mean

>70%样本的变化范围

对流云顶反照率随时间演变

可以利用云顶反照率随时间的剧烈变化来提取对流云顶信息

初生对流定量监测分析

高四50m成像仪通道设置 波段 光谱范围( μm) 1 0.45-0.55 2 0.55-0.72 3 0.76-0.90 4 3.0-5.0 5 0.45-0.90

FY-2 成像仪通道设置 波段 光谱范围( μm) 1 0.55-0.75 2 10.3-11.3 3 11.5-12.5 4 6.3-7.6 5 3.5-4.0

利用高分四号50m可见光与FY-2 IR融合技术，获得50m分辨率虚拟红外云顶亮温数据，可以提前检测到小的、但快速发展的初生对流。

1号台风“尼伯特”监测服务

针对2016年首个登陆台风，启动高分4号应急观测，从图像可以看到台风眼区丰富的云系结构和分布，眼墙厚实的云与眼区中心因下沉气流导致少云区形成鲜明对比，眼区内从较低和较小的积云到越来越厚实的层积云都清晰可见，对研究台风的发展机理提供了非常好的观测事实。通过高分50米云图得到的台风定位结果，由于分辨率的提高，精度可望从公里级提高到百米量级。

1:1,1:1,,9

1jjiijiji IIV

通过构造GF-4虚拟红外云顶亮温技术，可以逐时进行台风自动定位

台风尼伯特自动定位动画

高频次台风自动定位对监测复杂路径有重要作用

1604号台风“妮妲”监测服务

• GF-4高分辨率卫星资料的引入，精准地描述台风中心云系细节和演变特征，提升台风定位和定强精度，进而提高台风路径预报准确度。

• 以妮妲为例，中央气象台首次使用GF-4卫星高时空分辨率资料开展业务应用，其24小时路径预报误差小于58公里，远低于2016年平均路径预报误差（66公里），取得很好预报效果。

台湾 GF-4 卫星 FY-2G 卫星

调整后的定位

调整前的定位

通过与中国气象局公共气象服务中心合作，高分四号卫星观测“尼伯特”、“妮妲”等台风的云图动画被中国天气网台风网络直播采用，随后被央视新闻、凤凰网、腾讯网、今日头条重点推送，引起广泛关注。

针对2016年4号台风“妮妲”，高分四号动画8月1日首次在中央电视台晚间天气预报节目亮相，起到了非常好服务宣传效果。

2016年6月23日，江苏省盐城市阜宁县部分地区出现强雷电、短时强降雨、冰雹、龙卷风等对流天气，造成房屋倒塌、人员伤亡、道路受阻、农业设施受损等灾害。99人死亡，845受伤。利用GF-1卫星数据 （融合影像，2米分辨率）2016年6月25日（受灾后：左）和2016年4月29日（受灾前：右）资料制作的阜宁县部分地区地表监测图对比分析表明，龙卷风对当地房屋建筑造成严重破坏，具体可见图中红圈A,B,C处。

江苏盐城龙卷风灾害损失评估

气象卫星监测到的造成龙卷的飑线云系 3.4 灾害影响评估

a：2016年7月21日（高分四号50米） b：2016年5月11日（高分一号16米）

c:2016年7月21日（高分四号50米） d：2016年5月11日（高分一号16米）

太湖流域洪涝监测 洪涝水体监测

2016年入汛以来，在强厄尔尼诺气候背景下，我国发生了严重的强降水，导致洪涝灾害。利用高分四号卫星特有的机动响应模式，对我国的太湖流域、长江中下游沿岸、淮河流域等地开展了洪涝灾害监测评估，制作了精细化的观测产品并提供服务，取得了显著的社会效益。

鄱阳县溃堤

三峡水情监测

利用高分二号对陕西省中村镇周边地区滑坡前后影像图对比分析：褐色斑块即为此次滑坡造成的滑坡体（右图），与滑坡前比较原有的房屋建筑（左图蓝色矩形板块）已被滑坡体完全掩盖，经估算，滑坡体面积约7.5公顷。

37

滑坡前 滑坡后

陕西滑坡监测

西藏阿里冰崩监测

积雪监测

3.5 气候变化与生态环境

冰川长度计算模型 山脊线提取

各拉丹冬典型冰川长度

各拉丹冬冰川群高度线分布

典型冰川群高度线提取

青藏高原冰川群监测

210 365 Day of year

青藏高原土壤冻融循环

冻结时间

0 210 Day of year

消融时间

气候变暖信号明显！ 近20年卫星遥感结果

显示，青藏春季融化时间提前约10天，秋季封冻推后约14天。

高原湖泊动态监测

Nam Co

Selin Co

Yamzho Yumco

Zhari Namco

Qinghai LakeBangong Co

Zhaling Lake

La'ang Co

Mapam Yumco

E-ling Lake

Legend

interpretation lakes

extracted lakes

Nam Co

Selin Co

Yamzho Yumco

Zhari Namco

Qinghai LakeBangong Co

Zhaling Lake

La'ang Co

Mapam Yumco

E-ling Lake

Legend

interpretation lakes

extracted lakes

纳木错

GF-1

定量化识别

纳木错

青藏高原湖泊分布

GF-1白洋淀水体监测图（2017年4月1日）

GF-1白洋淀水体监测图（2017年1月30日）

利用高分一号卫星2017年4月1日和1月30日资料制作的白洋淀水体监测图对比分析表明，白洋淀4月初水体面积较1月底明显增大，经估算，4月1日水体面积约为150平方公里，1月30日水体面积约为110平方公里，增大约36%。

白洋淀水体面积变化监测

4. 高分卫星未来需求和应用设想

围绕以下三方面需求： • 数值预报模式发展的观测需求

• 大气成分和空气质量预报的观测需求

• 气象灾害应急响应的观测需求

开展以下三方面应用： • 加强高分辨率卫星资料定量应用

• 加强高分卫星和风云卫星的融合应用

• 加强国家级和省级应用合作

未来数值预报模式对卫星观测需求

新观测资料 高时间、高空间、高光谱分辨率

目前数值预报模式使用的卫星资料

极轨卫星

微波湿度计 水平分辨率:15km，

15 channels

微波温度计 水平分辨率:50km，

13 channels

微波成像仪 水 平 分 辨 率 :10km ，10channels

红外探测通道 水平分辨率:17km，

26 channels

静止卫星 静止气象卫星 时间分辨率:全圆盘半小时

水平分辨率:1-4km

星载掩星探测、激光雷达和雷达（降水、云、风）

时空覆盖 CLOUDSAT:扫描周期16天

数据稳定性 5年

1、数值预报模式发展需要更高时空分辨率的观测

特别是针对微量大气成分的定量遥感，需求迫切

紫外波段：可以探测以O3为中心的反应性气体

短波红外：可以探测温室气体

长波红外：可以探测温湿廓线、臭氧总量、大气痕量气体

大气中每种微量的大气成分对应的“光谱指纹特

征”，要做到 “逐线”的探测，才可以准确地捕捉和

区分不同大气成分的特征信息。

2、大气成分和空气质量观测需要更高光谱分辨率的资料

面临的挑战：

灾害性天气发生前和发生时，如何实现卫星的快速智能化机动调配、协同观测？实现卫星监测信息的实时传递和预警服务？实现灾中和灾后的快速评估？

3、气象灾害应急响应需要智慧化的观测模式

• 加强高分辨率卫星资料定量应用：

短时临近预报

台风定位和定强

人影作业目标云系特征分析及作业效果评估

• 加强高分卫星和风云卫星的融合应用

以高分观测为背景的多源灾害综合观测（天、地、空）

时空匹配的多源遥感监测信息融合（高分、风云）

气象卫星监测信息精度验证（时效、覆盖、精度）

• 加强国家级和省级应用合作

开展天气、气候、农业和灾害等领域应用示范

高分辨率底图资料省级用户本地化应用

高分卫星资料应用软件应用推广

开展以下三方面应用：

谢 谢

敬提宝贵意见！