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气象卫星:预知风霜雨雪

发布时间: 2022年10月18日 来源:中国航天报 浏览次数:- T浏览字号:

  在各种各样的卫星当中,有那么一些是我们每天都要用到的,气象卫星就是其中的一类。现在人类已经习惯了有天气预报的生活,如果没有气象卫星,我们每天的生活都会面临很大的麻烦。

  气象卫星理论上说是一种对地观测卫星,但是它的主要观测对象不是地面,而是薄薄的大气层。人类面临的主要天气活动,包括风霜雨雪,都在大气层里。通过观测大气层里的温度,云层含水量等参数变化,就可以对大气活动有充分的认识,不但可以进行短期的天气预报,还能够总结出整个地球大气层的运动规律,为中长期天气预报和全球性的气候变化研究提供重要的依据。

气象卫星ABC

  具体来说,气象卫星主要负责这样几方面的工作:拍摄卫星云图,研究云内部的参数,探测陆地和海洋表面状况,探测大气中含水和降水数据,探测大气中臭氧的含量及其分布,探测太阳辐射对地球的影响和地球对宇宙的红外辐射,探测空间环境。

  气象卫星如果从轨道上来区分,一般有两类,分别是极轨道气象卫星和静止轨道气象卫星。静止轨道卫星当然就是部署在静止轨道上的,它的主要优点就是可以不间断地观测大约1/3的地球表面,时间分辨率很高,但是空间分辨率比较差。另一种就是极轨道气象卫星,它运行在太阳同步轨道上,也就是轨道倾角在97度到98度之间,高度一般在700~800千米之间。这类卫星的空间分辨率比较高,但是时间分辨率就稍微差一些,对同一个地区可能要经过几天的时间才能够重新观测一次。所以在国际气象预报当中,会让这两种卫星协同工作。

  气象卫星上的有效载荷种类很多,但大致上可以分成成像遥感器和大气探测器两种。成像遥感器有三种主要形式:扫描辐射计、中分辨率成像光谱仪和微波成像仪。大气探测器主要包括红外分光仪、微波温度计、微波湿度计。我们经常在天气预报上看到的卫星云图,主要就是扫描辐射计拍摄的。

  在导航卫星应用过程中,人们还发现了另外一件有趣的事情,导航卫星信号在大气中的传输,也和大气的状况有直接关系,比如大气的含水量等等。经过探测导航信号的变化就可以感知这个区域内的大气状况,因此如今出现了一种全新的气象卫星类型,就是通过低轨道星座来监测全球GPS信号或者北斗导航卫星信号的变化,来形成精确的气象预报数据。

崛起的中国气象卫星

  在气象卫星领域,中国经历了一个快速崛起的过程。在上世纪80年代之前,中国在气象卫星领域处在空白状态,从80年代中期开始中国积极投入气象卫星的研制。1988年9月7日,中国发射了第一颗气象卫星风云一号太阳同步轨道气象卫星。第一代风云一号一共发射了两颗,但是因为当时中国对于气象卫星的经验尚且不足,因此这两颗卫星工作了不长的时间就失去了功能。

  在风云二号静止轨道气象卫星研制过程中,首星在发射前出现事故,导致卫星损坏。但是正所谓不经历风雨怎么见彩虹,经过20多年的努力,中国的气象卫星事业取得了长足的进步。如今在太空中,担任主要观测任务的已经是新一代的风云三号和风云四号气象卫星。到2022年7月,中国共有7颗气象卫星在轨运行,其中包括4颗静止轨道卫星和3颗太阳同步轨道卫星。风云三号E还运行在一个非常特别的轨道上,也就是晨昏轨道。它沿地球晨昏线飞行,每次飞掠同一地方都是在当地清晨6点左右,飞抵地球另一面时是黄昏时分。风云三号E星是全球第一颗晨昏轨道卫星。这颗卫星与风云三号C星、风云三号D星组网运行,让中国成为国际上唯一同时拥有上午、下午、晨昏三条轨道气象卫星组网观测能力的国家。

  按照国家气象局的说法:“目前我国风云气象卫星已达到国际同类卫星先进水平,被世界气象组织列入国际气象业务卫星序列,成为全球综合地球观测系统的重要成员,同时也是国际灾害宪章机制的值班卫星,正在为全球80多个国家和地区、国内2500多家用户提供卫星资料和产品。我国风云系列气象卫星与美(日)气象卫星、欧洲气象卫星呈现三足鼎立之势,东半球的气象预报主要依靠我国的气象卫星提供相关资料。”

  在2018年还发生了这样的一件事情,国际气象卫星组织主动要求中国卫星气象部门把风云二号H卫星移动到印度洋上空的东经79度,填补对印度洋和非洲大陆卫星观测的空白。目前,风云二号H还在那里运行。

  中国也开发了利用导航卫星信号来探测气象的卫星,也就是捕风一号A/B星。这种卫星可以探测海面反射的导航卫星信号。海浪主要是海风所引起的。海浪的变化必然会引起反射导航信号的变化,那么通过反演,就可以得到海风的具体数据,包括风力和风向。如果能够实现多星组网,就可以对极端台风天气进行精准预报。

气象卫星的其他应用

  气象卫星不仅仅可以观测气象,还可以用来实施一些计划外的工作。在上世纪90年代末期,中国遥感部门用气象卫星数据来观测世界各地的积雪情况,收到了良好的效果。

  中国气象卫星应用中还有一个非常重要的创举,那就是农作物估产。气象卫星不但可以观测气象情况,还能够观测大范围的地面植被生长情况,把农业、气象、水文、地质等多学科的信息融合起来,就可以预测出某一个农业区在当年可以生产多少粮食或者经济作物,为国家有关部门以及大型农业企业提供决策依据。这项工作从21世纪初开始,在中国广泛开展,取得了重要的成就。如今气象卫星用于农作物估产,已经是农业管理部门的一项日常工作,对于保证中国人民的粮袋子菜篮子起到了非常重要的作用。

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