氣象衛(wèi)星圖像里藏著預(yù)測災(zāi)害的黑科技！

曲炯

面對(duì)天氣災(zāi)害，與搶險(xiǎn)救災(zāi)同樣重要的是對(duì)天氣進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測跟蹤，進(jìn)而作出準(zhǔn)確判斷，及時(shí)發(fā)出預(yù)警。那么，我們的氣象數(shù)據(jù)從何而來呢？有很大一部分的氣象數(shù)據(jù)來自天上的氣象衛(wèi)星，下面我們就來了解一下氣象衛(wèi)星和它們的基本工作原理。

物理基礎(chǔ)：遙感

氣象衛(wèi)星的工作原理是遙感，顧名思義也就是“遙遠(yuǎn)的感知”——只看不摸，用非接觸手段去探測物體的各項(xiàng)屬性。

雖然聽起來很高科技，但其實(shí)遙感屬于咱們每個(gè)人的基本功能。比如我們在路上走著走著，忽然聽到身后咚咚咚的腳步聲，回頭一看，是小李呀！這就是耳朵和眼睛發(fā)動(dòng)了遙感技能。

不過，把問題難度拔高一點(diǎn)，我們天生的遙感技能就不夠用了。比如，小李今天穿的白襯衫，是純棉的、真絲的還是化纖的呢？這要用手捻一下才知道，可這一伸手，就成了接觸式探測，不是遙感了。

怎么辦？我們可以請(qǐng)儀器來幫忙，觀測小李這件衣服的反射光譜。

這個(gè)詞是什么意思呢？當(dāng)光線照射到物體上時(shí)，有些波長（顏色）的光會(huì)被吸收，有些會(huì)被反射，我們用不同的波長去照射它，就會(huì)看到不同的亮度，把亮度隨波長變化的曲線畫出來，就是反射光譜。

例如樹葉吸收紅光藍(lán)光、反射綠光，我們看到的綠色就是樹葉大致的反射光譜。借助儀器，這個(gè)光譜還可以更加精細(xì)，具體到波長。如果在紅外波段觀察小李的白襯衫，不同的原料就會(huì)呈現(xiàn)不同的紅外光譜，我們就不用動(dòng)手捻一下了。

此外，一切物體都在輻射電磁波，冷的物體波長較長，熱的物體波長較短，而且會(huì)隨著物質(zhì)構(gòu)成，呈現(xiàn)出特定的光譜分布。所以，通過觀測物體的輻射光譜，能夠判斷它的成分和溫度。比如大家眼前的手機(jī)，每個(gè)“白色”像點(diǎn)其實(shí)都只有紅綠藍(lán)三種顏色，而真正的陽光，就從紅到紫一應(yīng)俱全。

了解了遙感的基本原理，接下來咱們就看看氣象衛(wèi)星是怎么工作的。

氣象衛(wèi)星看什么

讓我們來設(shè)計(jì)一個(gè)氣象衛(wèi)星，我們會(huì)讓它看什么？怎么看？

既然是氣象衛(wèi)星，那么最起碼要能拍攝常見的可見光衛(wèi)星云圖。這是最直觀的天氣表現(xiàn)，我們可以看到云的分布、厚薄，如果持續(xù)觀察，還能看到云的流動(dòng)。這些是普通公眾都能看明白甚至還能做點(diǎn)分析的數(shù)據(jù)，所以是必須實(shí)現(xiàn)也比較容易實(shí)現(xiàn)的功能。

但是，僅僅可見光還是不夠。到了夜晚，地球有一面陷入黑暗，用肉眼就看不清云了。所以，為了能夠24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測天氣，我們還要增加夜視功能。我們前面說過，一切物體都會(huì)發(fā)出輻射，在紅外甚至微波波段去觀察，就能看清楚夜晚的云。

我們再深入說說，我們能相信衛(wèi)星看到的景象嗎？它看到的云為什么不能是地面上的雪呢？如何與火山噴出的火山灰區(qū)分呢？夜晚看到的明亮的云，為什么不能是城市的燈光呢？

這里就用到了前面說過的遙感原理。通過科學(xué)儀器的“眼睛”去做光譜分析，我們不但能看出物體的顏色，還可以知道它真實(shí)的溫度和構(gòu)成。

實(shí)際上，無論是可見光也好，紅外線也好，衛(wèi)星觀測到的都是復(fù)雜的疊加信號(hào)。例如，白天看到的云層，就是由云層反射的陽光、云體自身發(fā)出的輻射、大地和大氣層背景輻射三部分疊加而成。這就需要專業(yè)人員設(shè)計(jì)專門的算法，把這三樣信號(hào)一一分離出來，從而得到準(zhǔn)確的信息。衛(wèi)星觀測到的云和大氣，不但具有形象輪廓，還有溫度濕度、高度分布、成分構(gòu)成、閃電雷暴等詳盡的信息。

氣象衛(wèi)星觀測到的各種數(shù)據(jù)送回地面后，就由超級(jí)計(jì)算機(jī)接手，使用數(shù)值模式做出預(yù)報(bào)。臺(tái)風(fēng)卡努的詭異舞步，就是被三個(gè)高壓反氣旋夾在中間揉搓的結(jié)果。最終“卡努”的路徑和預(yù)報(bào)一致，正是氣象衛(wèi)星精準(zhǔn)觀測與超算數(shù)值模式通力合作的成果。

氣象衛(wèi)星只能用來預(yù)報(bào)天氣嗎？

氣象衛(wèi)星的基本原理決定了我們還可以把視線放寬、放遠(yuǎn)，用氣象衛(wèi)星去研究許許多多好玩的東西。

比如我們可以通過氣象衛(wèi)星去監(jiān)測農(nóng)業(yè)。土壤的溫度和含水量都可以反映到光譜中，而且植被對(duì)光的反射光譜，在不同波長上，可以分別反映葉綠素、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和含水量情況，不同的作物有各自的反射光譜。通過衛(wèi)星遙感，能夠判斷土壤狀況、作物種類、作物長勢、是否有病蟲害。我們的風(fēng)云氣象衛(wèi)星就具有農(nóng)業(yè)監(jiān)測功能，它們除了能看云識(shí)天氣，更是農(nóng)業(yè)的守護(hù)星。

我們還可以使用氣象衛(wèi)星去監(jiān)測大氣碳含量。地面輻射透過大氣傳到衛(wèi)星的途中，一些波長會(huì)被二氧化碳吸收。通過分析吸收譜，可以掌握全球各地的大氣碳含量，為節(jié)能減排、科學(xué)合理地設(shè)定碳排放目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。中國2022年發(fā)射的碳衛(wèi)星“句芒號(hào)”就是做這個(gè)業(yè)務(wù)的。

總結(jié)一下，氣象衛(wèi)星主要靠的是遙感技術(shù)來獲得各類氣象數(shù)據(jù)，而氣象衛(wèi)星的遙感能力，也讓它們不僅能幫忙預(yù)報(bào)天氣，還能提供更多的幫助。最后，再次提醒大家，看到各種氣象預(yù)警，要及時(shí)做好準(zhǔn)備！

◎ 來源|科普中國