氣象衛星:預知風霜雨雪

在各種各樣的衛星當中,有那么一些是我們每天都要用到的,氣象衛星就是其中的一類?,F在人類已經習慣了有天氣預報的生活,如果沒有氣象衛星,我們每天的生活都會面臨很大的麻煩。
氣象衛星理論上說是一種對地觀測衛星,但是它的主要觀測對象不是地面,而是薄薄的大氣層。人類面臨的主要天氣活動,包括風霜雨雪,都在大氣層里。通過觀測大氣層里的溫度,云層含水量等參數變化,就可以對大氣活動有充分的認識,不但可以進行短期的天氣預報,還能夠總結出整個地球大氣層的運動規律,為中長期天氣預報和全球性的氣候變化研究提供重要的依據。
具體來說,氣象衛星主要負責這樣幾方面的工作:拍攝衛星云圖,研究云內部的參數,探測陸地和海洋表面狀況,探測大氣中含水和降水數據,探測大氣中臭氧的含量及其分布,探測太陽輻射對地球的影響和地球對宇宙的紅外輻射,探測空間環境。
氣象衛星如果從軌道上來區分,一般有兩類,分別是極軌道氣象衛星和靜止軌道氣象衛星。靜止軌道衛星當然就是部署在靜止軌道上的,它的主要優點就是可以不間斷地觀測大約1/3的地球表面,時間分辨率很高,但是空間分辨率比較差。另一種就是極軌道氣象衛星,它運行在太陽同步軌道上,也就是軌道傾角在97度到98度之間,高度一般在700~800千米之間。這類衛星的空間分辨率比較高,但是時間分辨率就稍微差一些,對同一個地區可能要經過幾天的時間才能夠重新觀測一次。所以在國際氣象預報當中,會讓這兩種衛星協同工作。
氣象衛星上的有效載荷種類很多,但大致上可以分成成像遙感器和大氣探測器兩種。成像遙感器有三種主要形式:掃描輻射計、中分辨率成像光譜儀和微波成像儀。大氣探測器主要包括紅外分光儀、微波溫度計、微波濕度計。我們經常在天氣預報上看到的衛星云圖,主要就是掃描輻射計拍攝的。
在導航衛星應用過程中,人們還發現了另外一件有趣的事情,導航衛星信號在大氣中的傳輸,也和大氣的狀況有直接關系,比如大氣的含水量等等。經過探測導航信號的變化就可以感知這個區域內的大氣狀況,因此如今出現了一種全新的氣象衛星類型,就是通過低軌道星座來監測全球GPS信號或者北斗導航衛星信號的變化,來形成精確的氣象預報數據。
在氣象衛星領域,中國經歷了一個快速崛起的過程。在上世紀80年代之前,中國在氣象衛星領域處在空白狀態,從80年代中期開始中國積極投入氣象衛星的研制。1988年9月7日,中國發射了第一顆氣象衛星風云一號太陽同步軌道氣象衛星。第一代風云一號一共發射了兩顆,但是因為當時中國對于氣象衛星的經驗尚且不足,因此這兩顆衛星工作了不長的時間就失去了功能。
在風云二號靜止軌道氣象衛星研制過程中,首星在發射前出現事故,導致衛星損壞。但是正所謂不經歷風雨怎么見彩虹,經過20多年的努力,中國的氣象衛星事業取得了長足的進步。如今在太空中,擔任主要觀測任務的已經是新一代的風云三號和風云四號氣象衛星。到2022年7月,中國共有7顆氣象衛星在軌運行,其中包括4顆靜止軌道衛星和3顆太陽同步軌道衛星。風云三號E還運行在一個非常特別的軌道上,也就是晨昏軌道。它沿地球晨昏線飛行,每次飛掠同一地方都是在當地清晨6點左右,飛抵地球另一面時是黃昏時分。風云三號E星是全球第一顆晨昏軌道衛星。這顆衛星與風云三號C星、風云三號D星組網運行,讓中國成為國際上唯一同時擁有上午、下午、晨昏三條軌道氣象衛星組網觀測能力的國家。
按照國家氣象局的說法:“目前我國風云氣象衛星已達到國際同類衛星先進水平,被世界氣象組織列入國際氣象業務衛星序列,成為全球綜合地球觀測系統的重要成員,同時也是國際災害憲章機制的值班衛星,正在為全球80多個國家和地區、國內2500多家用戶提供衛星資料和產品。我國風云系列氣象衛星與美(日)氣象衛星、歐洲氣象衛星呈現三足鼎立之勢,東半球的氣象預報主要依靠我國的氣象衛星提供相關資料?!?/p>
在2018年還發生了這樣的一件事情,國際氣象衛星組織主動要求中國衛星氣象部門把風云二號H衛星移動到印度洋上空的東經79度,填補對印度洋和非洲大陸衛星觀測的空白。目前,風云二號H還在那里運行。
中國也開發了利用導航衛星信號來探測氣象的衛星,也就是捕風一號A/B星。這種衛星可以探測海面反射的導航衛星信號。海浪主要是海風所引起的。海浪的變化必然會引起反射導航信號的變化,那么通過反演,就可以得到海風的具體數據,包括風力和風向。如果能夠實現多星組網,就可以對極端臺風天氣進行精準預報。
氣象衛星不僅僅可以觀測氣象,還可以用來實施一些計劃外的工作。在上世紀90年代末期,中國遙感部門用氣象衛星數據來觀測世界各地的積雪情況,收到了良好的效果。
中國氣象衛星應用中還有一個非常重要的創舉,那就是農作物估產。氣象衛星不但可以觀測氣象情況,還能夠觀測大范圍的地面植被生長情況,把農業、氣象、水文、地質等多學科的信息融合起來,就可以預測出某一個農業區在當年可以生產多少糧食或者經濟作物,為國家有關部門以及大型農業企業提供決策依據。這項工作從21世紀初開始,在中國廣泛開展,取得了重要的成就。如今氣象衛星用于農作物估產,已經是農業管理部門的一項日常工作,對于保證中國人民的糧袋子菜籃子起到了非常重要的作用。




