在气象卫星图像中，隐藏着预测灾害的黑科技！

商界观察

2023-08-28

不久前，台风杜苏芮和卡努的持续袭击造成了巨大的人员伤亡和财产损失。面对台风这样的灾难，想象以下两种情况:

A：可以通过手机、电视等随时了解台风到哪儿去了，下一步可能到哪儿去了，提前准备好防灾工作。

B：只知这一季刮台风，凭经验判断。

图片库版权图片，转载使用可能导致版权侵权

我相信每个人都会选择 A 吧？是的，和抢险救援一样重要，是对天气的持续监测跟踪，做出准确的判断，及时发出警告。那么，我们的天气数据从何而来呢？天气数据有很大一部分来自天空的天气卫星。让我们来看看天气卫星及其基本工作原理。

物理学基础：遥感

气象卫星的工作原理是遥感，顾名思义就是 " 遥远的感知 " ——只是看着不摸，用非接触的方法来检测物体的各种特性。

虽然听起来很高科技，但遥感其实是我们每个人的基本功能。比如我们走在路上，突然听到身后的脚步声。回头一看，是小赵！这就是耳朵和眼睛发起的遥感技能。

然而，如果我们提高问题的难度，我们与生俱来的遥感技能是不够的。比如小赵今天穿的白衬衫是纯棉的、丝绸的还是化纤的？这需要用手拧一下才能知道，但是这个伸手就变成了接触检测，不是遥感。

怎么办？可请仪器帮忙，观察小赵这件衣服的反射光谱。

这个词是什么意思？当光线照射到物体上时，一些波长(颜色)的光线会被吸收，而另一些光线会被反射。当我们用不同的波长直接照射它们时，我们会看到不同的亮度，并画出随波长变化的亮度曲线，即反射光谱。

例如，叶子吸收红光和蓝光，反射绿光。我们看到的绿色是叶子的大致反射光谱。有了仪器，这个光谱可以更精细，具体到波长。如果我们在红外波段观察小赵的白衬衫，不同的原材料会呈现不同的红外光谱，所以我们不需要扭曲它们。

另外，所有物体都在辐射电磁波，冷物体波长较长，热物体波长较短，并会随物质构成而显示出特殊的光谱分布。所以， 它的成分和温度可以通过观察物体的辐射光谱来判断。比如每个人面前的手机， " 白色 " 像点实际上只有红、绿、蓝三种颜色，而真正的阳光，从红到紫一应俱全。

液晶显示器的显微图，每个像点由红、绿、蓝三色组成

理解了遥感的基本原理，下面我们就来看看气象卫星是如何制造的。

什么是气象卫星？

咱们来设计一颗气象卫星，我们会让它看到什么？怎么看？

因为是气象卫星，所以至少要能够拍摄到常见的可以拍摄。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和厚度。如果我们继续观察，我们仍然可以看到云的流动。这些都是普通人可以理解甚至做一些分析的数据，所以它们是必须实现的，也是相对容易实现的。

但是，光看光是不够的。夜晚，地球的一面陷入了黑暗，用肉眼看不见云。因此，为了 24 对天气进行连续监测，我们还需要增加夜视功能。正如我们之前所说，所有的物体都会发出辐射，在红外线甚至微波段观察，可以看到夜晚的云彩。

风云 4A 拍摄云图，左边是夜景，右边是昼景。

看来很简单！让我们进一步谈谈。我们能相信卫星看到的场景吗？为什么它看到的云不能是地上的雪？如何区分火山喷出的火山灰？为什么晚上看到的明亮的云不能是城市的灯？

因此，这里使用了前面提到的遥感原理，采用科学仪器 " 双眼 " 通过光谱分析，我们不但可以看到物体的颜色，而且可以了解其真实的温度和构成。

事实上，不管是能见光还是红外线，卫星观察到的都是复杂的叠加信号。例如，白天看到的云，是由云反射的阳光，云本身发出的辐射，地面和大气背景辐射三部分组成。这样就需要专业人士设计一种特殊的算法，将这三个信号一一分离出来，从而获得准确的信息。卫星观察到的云与大气，不仅有形象轮廓，还有详细的信息，如温度、湿度、高度分布、成分构成、闪电雷暴等。

气象卫星观察到的各种数据被送到路面后，由超级计算机接管，并使用数值模式进行预测。台风卡努奇怪的舞步是由三个高压反气旋夹在中间揉捏的结果。最终，卡努的路径与预报一致，正是气象卫星精确观测与超算数值模式合作的结果。

天气卫星是否只用于预测天气？

气象卫星的基本原理，决定了我们还可以放宽视野，用气象卫星来探索很多有趣的事情。

例如，我们可以通过气象卫星监测农业。土壤的温度和含水量可以反映在光谱中，植被对光的折射光谱可以反映叶绿素、细胞结构和不同波长的含水量，不同的作物有自己的反射光谱。通过卫星遥感，我们可以判断土壤状况、农作物类型、农作物生长和病虫害。我们的 " 风云 " 气象卫星具有农业监测功能，它们除了看云识天气外，还是农业的守护神。

我们也可以使用气象卫星来监测大气碳含量。地面辐射通过大气传递到卫星上，一些波长会被二氧化碳吸收。通过分析吸收谱，可以掌握全球大气碳含量，为节能降耗、科学合理设定碳排放目标提供科学论证。中国 2022 每年发射的碳卫星 " 句芒号 " 就是做这个生意。

往远了说，光谱分析不仅可以用于气象卫星，还可以通过光谱分析探索宇宙，观察和研究其它行星的天气。，含有此功能的航天器，在一定程度上可以算是 " 宇宙卫星 "。比如这张由韦布空间望远镜拍摄的海王星的照片。左上角的海卫看起来完全压倒了海王星的亮度，几乎可以看作是一颗行星。这是因为韦布望眼镜在红外波段观察，海卫表面水冰丰富，对阳光(包括红外线)的反射率很高，而海王星大气中的甲烷成分可以吸收红外线，所以整体比较暗。海王星表面的亮条和斑点，是由甲烷和水组成的冰的高反射区域，它们的分布勾勒出海王星上的风暴。

海卫一和海王星。图库版权图片，转载使用可能导致版权侵权

综上所述，气象卫星主要依靠遥感技术获取各种气象数据，气象卫星的遥感能力不仅可以帮助预测天气，还可以提供更多的帮助。最后，再一次提醒大家，看到各种气象预警，要及时做好防灾减灾的准备哦！

策划制作

作者丨曲炯科普创作者

审批丨杨磊全国卫星气象中心风云四号副总师

策划丨丁崝

责编丨一诺

以往

优选

看看行走状态就能明白寿命长短？这是在行走时发生的。 8 各种疾病，或者与长寿无缘！

福岛核污染水排海，盐不安全？专家：不必恐慌，不必囤积盐

《甄嬛传》第一 41 集的 " 情节 bug"，居然藏着 1 一个很多人都不知道的冷知识！