气象卫星图像里,藏着预测灾害的黑科技!

fantansticma

前不久，台风杜苏芮、卡努的接连袭击，造成了很大的人员伤亡和财产损失。面对台风这样的灾害，想象下面两种情况：

A：能通过手机、电视等等随时知道台风到哪儿了，下一步可能往哪儿去，早早准备物资做好防灾工作。

B：只知道这个季节刮台风，凭经验判断。


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相信所有人都会选择 A 吧？没错，与抢险救灾同样重要的，是对天气的持续监测跟踪，做出准确判断，及时发出预警。那么，我们的气象数据从何而来呢？有很大一部分的气象数据，来自天上的气象卫星，下面我们就来了解一下气象卫星和它们的基本工作原理吧！

物理基础：遥感

气象卫星的工作原理是遥感，顾名思义也就是“遥远的感知”——只看不摸，用非接触手段去探测物体的各项属性。
虽然听起来很高科技，但其实遥感属于咱们每个人的基本功能。比如我们在路上走着走着，忽然听到身后咚咚咚的脚步声，回头一看，是小李呀！这就是耳朵和眼睛发动了遥感技能。
不过，把问题难度拔高一点，我们天生的遥感技能就不够用了。比如，小李今天穿的白衬衫，是纯棉的、真丝的还是化纤的呢？这要用手捻一下才知道，可这一伸手，就成了接触式探测，不是遥感了。
怎么办？我们可以请仪器来帮忙，观测小李这件衣服的反射光谱。
这个词是什么意思呢？当光线照射到物体上时，有些波长（颜色）的光会被吸收，有些会被反射，我们用不同的波长去照射它，就会看到不同的亮度，把亮度随波长变化的曲线画出来，就是反射光谱。
例如树叶吸收红光蓝光，反射绿光，我们看到的绿色就是树叶大致的反射光谱。借助仪器，这个光谱还可以更加精细，具体到波长。如果在红外波段观察小李的白衬衫，不同的原料就会呈现不同的红外光谱，我们就不用动手捻一下了。



此外，一切物体都在辐射电磁波，冷的物体波长较长，热的物体波长较短，而且会随着物质构成，呈现出特色的光谱分布。所以，通过观测物体的辐射光谱，能够判断它的成分和温度。比如大家眼前的手机，每个“白色”像点其实都只有红绿蓝三种颜色，而真正的阳光，就从红到紫一应俱全。


液晶显示屏的显微图，每个像点都由红绿蓝三色配比而成
了解了遥感的基本原理，接下来咱们就看看气象卫星是怎么做的。

气象卫星看什么

让我们来设计一个气象卫星，我们会让它看什么？怎么看？
既然是气象卫星，那么最起码要能拍摄常见的可见光卫星云图。这是最直观的天气表现，我们可以看到云的分布、厚薄，如果持续观察，还能看到云的流动。这些是普通大众都能看明白甚至还能做点分析的数据，所以是必须实现、也比较容易实现的功能。
但是，仅仅可见光还是不够。到了夜晚，地球的有一面陷入黑暗，用肉眼就看不清云了。所以，为了 24 小时连续监测天气，我们还要增加夜视功能。我们前面说过，一切物体都会发出辐射，在红外甚至微波波段去观察，就能看清楚夜晚的云。


风云4A拍摄的云图，左方是夜景，右方是昼景
这样看来，好像很简单呢！那我们再深入说说，我们能相信卫星看到的景象吗？它看到的云为什么不能是地面上的雪呢？如何与火山喷出的火山灰区分呢？夜晚看到的明亮的云，为什么不能是城市的灯光呢？
所以这里就用到了前面说过的遥感原理，通过科学仪器的“眼睛”去做光谱分析，我们不但能看出物体的颜色，还可以知道它真实的温度和构成。
当然，实际上，无论是可见光也好，红外线也好，卫星观测到的都是复杂的叠加信号。例如，白天看到的云层，就是由云层反射的阳光、云体自身发出的辐射、大地和大气层背景辐射三部分叠加而成。这就需要专业人员设计专门的算法，把这三样信号一一分离出来，从而得到准确的信息。卫星观测到的云和大气，不但具有形象轮廓，还有温度湿度、高度分布、成分构成、闪电雷暴等等详尽的信息。
气象卫星观测到的种种数据，送回地面后，就由超级计算机接手，使用数值模式做出预报了。台风卡努的诡异舞步，就是因为被三个高压反气旋夹在中间揉搓的结果。最终卡努的路径和预报一致，正是气象卫星精准观测与超算数值模式通力合作的成果。

气象卫星只用来预报天气吗？

气象卫星的基本原理，决定了我们还可以把视线放宽、放远，用气象卫星去研究许许多多好玩的东西。
比如我们可以通过气象卫星去监测农业。土壤的温度和含水量都可以反映到光谱中，而且植被对光的反射光谱，在不同波长上，可以分别反映叶绿素、细胞结构和含水量情况，不同的作物有各自的反射光谱。通过卫星遥感，能够判断土壤状况、作物种类、作物长势、是否有病虫害。我们的“风云”气象卫星就具有农业监测功能，它们除了看云识天气之外，更是农业的守护星。
我们还可以使用气象卫星去监测大气碳含量。地面辐射透过大气传到卫星的途中，一些波长会被二氧化碳吸收。通过分析吸收谱，可以掌握全球各地的大气碳含量，为节能减排、科学合理地设定碳排放目标提供科学依据。中国2022年发射的碳卫星“句芒号”就是做这个业务的。
往远了说，光谱分析不仅可以用在气象卫星上，我们还可以通过光谱分析去研究宇宙，去观测研究其他行星的天气，带有这种功能的航天器，某种程度上可以算是“宇宙气象卫星了”。比如韦布空间望远镜拍到的这幅海王星的照片。左上角的海卫一看起来完全压倒了海王星的亮度，几乎会被当成一颗恒星。这是因为韦布望远镜在红外波段观测，海卫一表面有丰富的水冰，对阳光（包括红外线）的反照率很高，而海王星大气中的甲烷成分却能吸收红外线，所以整体就暗下来了。海王星表面的亮条和斑点，则是甲烷和水构成的冰的高反射区，它们的分布勾勒出了海王星上的暴风。



海卫一和海王星。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷

总结一下，气象卫星主要靠的是遥感技术来获得各类气象数据，而气象卫星的遥感能力，也让它们不仅能帮忙预报天气，还能提供更多的帮助。最后，再次提醒大家，看到各种气象预警，要及时做好准备防灾减灾哦！

策划制作

作者丨曲炯 科普创作者

审核丨杨磊 国家卫星气象中心 风云四号副总师

策划丨丁崝

责编丨一诺

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