不久前，臺(tái)風(fēng)杜蘇芮和卡努的持續(xù)襲擊造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。面對(duì)臺(tái)風(fēng)這樣的災(zāi)難，想象以下兩種情況:

A：可以通過(guò)手機(jī)、電視等隨時(shí)了解臺(tái)風(fēng)到哪兒去了，下一步可能到哪兒去了，提前準(zhǔn)備好防災(zāi)工作。

B：只知這一季刮臺(tái)風(fēng)，憑經(jīng)驗(yàn)判斷。

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我相信每個(gè)人都會(huì)選擇 A 吧？是的，和搶險(xiǎn)救援一樣重要，是對(duì)天氣的持續(xù)監(jiān)測(cè)跟蹤，做出準(zhǔn)確的判斷，及時(shí)發(fā)出警告。那么，我們的天氣數(shù)據(jù)從何而來(lái)呢？天氣數(shù)據(jù)有很大一部分來(lái)自天空的天氣衛(wèi)星。讓我們來(lái)看看天氣衛(wèi)星及其基本工作原理。

物理學(xué)基礎(chǔ)：遙感

氣象衛(wèi)星的工作原理是遙感，顧名思義就是 " 遙遠(yuǎn)的感知 " ——只是看著不摸，用非接觸的方法來(lái)檢測(cè)物體的各種特性。

雖然聽(tīng)起來(lái)很高科技，但遙感其實(shí)是我們每個(gè)人的基本功能。比如我們走在路上，突然聽(tīng)到身后的腳步聲?；仡^一看，是小趙！這就是耳朵和眼睛發(fā)起的遙感技能。

然而，如果我們提高問(wèn)題的難度，我們與生俱來(lái)的遙感技能是不夠的。比如小趙今天穿的白襯衫是純棉的、絲綢的還是化纖的？這需要用手?jǐn)Q一下才能知道，但是這個(gè)伸手就變成了接觸檢測(cè)，不是遙感。

怎么辦？可請(qǐng)儀器幫忙，觀察小趙這件衣服的反射光譜。

這個(gè)詞是什么意思？當(dāng)光線照射到物體上時(shí)，一些波長(zhǎng)(顏色)的光線會(huì)被吸收，而另一些光線會(huì)被反射。當(dāng)我們用不同的波長(zhǎng)直接照射它們時(shí)，我們會(huì)看到不同的亮度，并畫(huà)出隨波長(zhǎng)變化的亮度曲線，即反射光譜。

例如，葉子吸收紅光和藍(lán)光，反射綠光。我們看到的綠色是葉子的大致反射光譜。有了儀器，這個(gè)光譜可以更精細(xì)，具體到波長(zhǎng)。如果我們?cè)诩t外波段觀察小趙的白襯衫，不同的原材料會(huì)呈現(xiàn)不同的紅外光譜，所以我們不需要扭曲它們。

另外，所有物體都在輻射電磁波，冷物體波長(zhǎng)較長(zhǎng)，熱物體波長(zhǎng)較短，并會(huì)隨物質(zhì)構(gòu)成而顯示出特殊的光譜分布。所以， 它的成分和溫度可以通過(guò)觀察物體的輻射光譜來(lái)判斷。比如每個(gè)人面前的手機(jī)， " 白色 " 像點(diǎn)實(shí)際上只有紅、綠、藍(lán)三種顏色，而真正的陽(yáng)光，從紅到紫一應(yīng)俱全。

液晶顯示器的顯微圖，每個(gè)像點(diǎn)由紅、綠、藍(lán)三色組成

理解了遙感的基本原理，下面我們就來(lái)看看氣象衛(wèi)星是如何制造的。

什么是氣象衛(wèi)星？

咱們來(lái)設(shè)計(jì)一顆氣象衛(wèi)星，我們會(huì)讓它看到什么？怎么看？

因?yàn)槭菤庀笮l(wèi)星，所以至少要能夠拍攝到常見(jiàn)的可以拍攝。見(jiàn)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和厚度。如果我們繼續(xù)觀察，我們?nèi)匀豢梢钥吹皆频牧鲃?dòng)。這些都是普通人可以理解甚至做一些分析的數(shù)據(jù)，所以它們是必須實(shí)現(xiàn)的，也是相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的。

但是，光看光是不夠的。夜晚，地球的一面陷入了黑暗，用肉眼看不見(jiàn)云。因此，為了 24 對(duì)天氣進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，我們還需要增加夜視功能。正如我們之前所說(shuō)，所有的物體都會(huì)發(fā)出輻射，在紅外線甚至微波段觀察，可以看到夜晚的云彩。

風(fēng)云 4A 拍攝云圖，左邊是夜景，右邊是晝景。

看來(lái)很簡(jiǎn)單！讓我們進(jìn)一步談?wù)劇Ｎ覀兡芟嘈判l(wèi)星看到的場(chǎng)景嗎？為什么它看到的云不能是地上的雪？如何區(qū)分火山噴出的火山灰？為什么晚上看到的明亮的云不能是城市的燈？

因此，這里使用了前面提到的遙感原理，采用科學(xué)儀器 " 雙眼 " 通過(guò)光譜分析，我們不但可以看到物體的顏色，而且可以了解其真實(shí)的溫度和構(gòu)成。

事實(shí)上，不管是能見(jiàn)光還是紅外線，衛(wèi)星觀察到的都是復(fù)雜的疊加信號(hào)。例如，白天看到的云，是由云反射的陽(yáng)光，云本身發(fā)出的輻射，地面和大氣背景輻射三部分組成。這樣就需要專業(yè)人士設(shè)計(jì)一種特殊的算法，將這三個(gè)信號(hào)一一分離出來(lái)，從而獲得準(zhǔn)確的信息。衛(wèi)星觀察到的云與大氣，不僅有形象輪廓，還有詳細(xì)的信息，如溫度、濕度、高度分布、成分構(gòu)成、閃電雷暴等。

氣象衛(wèi)星觀察到的各種數(shù)據(jù)被送到路面后，由超級(jí)計(jì)算機(jī)接管，并使用數(shù)值模式進(jìn)行預(yù)測(cè)。臺(tái)風(fēng)卡努奇怪的舞步是由三個(gè)高壓反氣旋夾在中間揉捏的結(jié)果。最終，卡努的路徑與預(yù)報(bào)一致，正是氣象衛(wèi)星精確觀測(cè)與超算數(shù)值模式合作的結(jié)果。

天氣衛(wèi)星是否只用于預(yù)測(cè)天氣？

氣象衛(wèi)星的基本原理，決定了我們還可以放寬視野，用氣象衛(wèi)星來(lái)探索很多有趣的事情。

例如，我們可以通過(guò)氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)。土壤的溫度和含水量可以反映在光譜中，植被對(duì)光的折射光譜可以反映葉綠素、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和不同波長(zhǎng)的含水量，不同的作物有自己的反射光譜。通過(guò)衛(wèi)星遙感，我們可以判斷土壤狀況、農(nóng)作物類型、農(nóng)作物生長(zhǎng)和病蟲(chóng)害。我們的 " 風(fēng)云 " 氣象衛(wèi)星具有農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)功能，它們除了看云識(shí)天氣外，還是農(nóng)業(yè)的守護(hù)神。

我們也可以使用氣象衛(wèi)星來(lái)監(jiān)測(cè)大氣碳含量。地面輻射通過(guò)大氣傳遞到衛(wèi)星上，一些波長(zhǎng)會(huì)被二氧化碳吸收。通過(guò)分析吸收譜，可以掌握全球大氣碳含量，為節(jié)能降耗、科學(xué)合理設(shè)定碳排放目標(biāo)提供科學(xué)論證。中國(guó) 2022 每年發(fā)射的碳衛(wèi)星 " 句芒號(hào) " 就是做這個(gè)生意。

往遠(yuǎn)了說(shuō)，光譜分析不僅可以用于氣象衛(wèi)星，還可以通過(guò)光譜分析探索宇宙，觀察和研究其它行星的天氣。，含有此功能的航天器，在一定程度上可以算是 " 宇宙衛(wèi)星 "。比如這張由韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的海王星的照片。左上角的海衛(wèi)看起來(lái)完全壓倒了海王星的亮度，幾乎可以看作是一顆行星。這是因?yàn)轫f布望眼鏡在紅外波段觀察，海衛(wèi)表面水冰豐富，對(duì)陽(yáng)光(包括紅外線)的反射率很高，而海王星大氣中的甲烷成分可以吸收紅外線，所以整體比較暗。海王星表面的亮條和斑點(diǎn)，是由甲烷和水組成的冰的高反射區(qū)域，它們的分布勾勒出海王星上的風(fēng)暴。

海衛(wèi)一和海王星。圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能導(dǎo)致版權(quán)侵權(quán)

綜上所述，氣象衛(wèi)星主要依靠遙感技術(shù)獲取各種氣象數(shù)據(jù)，氣象衛(wèi)星的遙感能力不僅可以幫助預(yù)測(cè)天氣，還可以提供更多的幫助。最后，再一次提醒大家，看到各種氣象預(yù)警，要及時(shí)做好防災(zāi)減災(zāi)的準(zhǔn)備哦！

策劃制作

作者丨曲炯 科普創(chuàng)作者

審批丨楊磊 全國(guó)衛(wèi)星氣象中心 風(fēng)云四號(hào)副總師

策劃丨丁崝

責(zé)編丨一諾

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