解讀“風(fēng)云四號(hào)”衛(wèi)星首批圖像和數(shù)據(jù)

□ 盧健 吳婷

解讀“風(fēng)云四號(hào)”衛(wèi)星首批圖像和數(shù)據(jù)

□ 盧健 吳婷

風(fēng)云四號(hào)A星第一幅彩色合成圖像

全球首幅靜止軌道地球大氣高光譜圖正式亮相

“風(fēng)云四號(hào)”靜止氣象衛(wèi)星于近日成功獲取首批圖像和數(shù)據(jù)，其搭載的多通道掃描輻射成像計(jì)、干涉式大氣垂直探測(cè)儀、閃電成像儀、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器包等載荷分別傳回了圓盤圖、大氣光譜圖、閃電分布圖和磁暴監(jiān)測(cè)圖。這些圖該怎么去看？又包含了哪些天氣系統(tǒng)信息？這些數(shù)據(jù)信息對(duì)于天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)將有哪些推動(dòng)作用？

大氣光譜圖

首次利用靜止軌道獲取高光譜大氣探測(cè)數(shù)據(jù)

干涉式大氣垂直探測(cè)儀是國際上第一臺(tái)在靜止軌道上以紅外高光譜干涉分光方式探測(cè)大氣垂直結(jié)構(gòu)的精密遙感儀器。通過該探測(cè)儀，成功獲取了全球首幅靜止軌道地球大氣高光譜圖。作為第一次露出真容的大氣高光譜圖，應(yīng)該如何解讀圖像和展開數(shù)據(jù)應(yīng)用呢？

探什么？

很多人都知道所謂“探空”就是氣球帶著測(cè)量?jī)x器從地面不斷升高，包含溫度、濕度等傳感器，邊上升邊測(cè)量并把數(shù)據(jù)傳回給地面跟蹤和接收雷達(dá)。這好比用溫度計(jì)，在一個(gè)高度上量一下，在下一個(gè)高度上再量一下。它能把大氣的溫濕度測(cè)量得非常準(zhǔn)確，本質(zhì)上屬于直接測(cè)量，一般測(cè)量高度為30 千米，能夠?qū)?duì)流層和平流層在各垂直高度上進(jìn)行測(cè)量。

地面探空近乎直接測(cè)量，其精度很高。但是，這些探空站在海洋上是沒有的，而陸地上也只能在約200千米×200 千米設(shè)置一個(gè)，一般每天全球統(tǒng)一在世界時(shí)00 時(shí)和12 時(shí)兩個(gè)固定時(shí)間進(jìn)行兩次探空。

怎么探？

大氣結(jié)構(gòu)是三維的，又是隨著時(shí)間快速變化的。由于探空站在地理、空間分布密度和觀測(cè)頻次上的局限性，其探測(cè)數(shù)據(jù)無法支撐快速發(fā)展的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式。

大氣輻射權(quán)重通道亮溫垂直分布圖

探測(cè)大氣三維結(jié)構(gòu)的方法除了地面探空外，天基（衛(wèi)星）紅外和微波被動(dòng)探測(cè)已經(jīng)成為國際主流。在衛(wèi)星上進(jìn)行大氣溫濕度三維結(jié)構(gòu)探測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于可以全球覆蓋，而靜止氣象衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)在于獲得高頻次的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

在衛(wèi)星上利用紅外遙感怎么測(cè)大氣三維結(jié)構(gòu)呢？進(jìn)行三維大氣溫度濕度探測(cè)，主要基于光譜通道選擇。比如，選擇大氣混合比穩(wěn)定的二氧化碳紅外吸收帶，探測(cè)大氣的溫度廓線；選擇水汽紅外吸收帶探測(cè)大氣的濕度廓線。不同的二氧化碳吸收通道探測(cè)到的紅外輻射主要來自于特定的高度層，對(duì)該高度的大氣溫度變化敏感，利用此原理可以獲得大氣的溫度垂直分布信息。同樣，不同的水汽吸收通道對(duì)不同高度層的大氣濕度變化敏感，從而可以獲得大氣的濕度垂直分布信息。

要滿足數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)大氣探測(cè)精度的要求，在技術(shù)上高光譜紅外探測(cè)是必選的技術(shù)途徑。高光譜探測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于探測(cè)通道的光譜分辨率越高，即通道的權(quán)重函數(shù)越窄，受到的臭氧、水汽等其它吸收氣體的污染就越小，對(duì)特定高度層的敏感程度也越高，不僅提高了大氣溫濕度探測(cè)精度，而且也提高了大氣探測(cè)的垂直分辨能力。

“風(fēng)云四號(hào)”干涉式大氣垂直探測(cè)儀采用邁克爾遜干涉分光的方式實(shí)現(xiàn)大氣紅外高光譜探測(cè)，可以獲取高頻次區(qū)域晴空和云頂以上的大氣三維結(jié)構(gòu)。

那么，云內(nèi)部和云底以下大氣怎么實(shí)現(xiàn)高頻次探測(cè)呢？這就需要?dú)庀笕似谂蔚摹帮L(fēng)云四號(hào)”微波星在未來發(fā)揮其功效。

怎么用？

國際上沒有利用靜止軌道高光譜大氣探測(cè)數(shù)據(jù)的成功先例，我國氣象應(yīng)用勢(shì)必要經(jīng)過從試用到業(yè)務(wù)應(yīng)用的過程，特別是要根據(jù)應(yīng)用需求（觀測(cè)精度、區(qū)域范圍和觀測(cè)頻次等）來確定儀器觀測(cè)模式，需要應(yīng)用部門和地面應(yīng)用系統(tǒng)鼎力合作。

干涉式紅外大氣探測(cè)儀數(shù)據(jù)主要的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：該儀器具有對(duì)我國及周邊地區(qū)1 小時(shí)一次、間隔僅16 千米的密集的大氣溫濕分布垂直探測(cè)能力，其探測(cè)數(shù)據(jù)可以同化到全球和區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式，改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)初始場(chǎng)，特別是像海洋上等缺少常規(guī)探空觀測(cè)的區(qū)域，對(duì)于提高預(yù)報(bào)的精細(xì)化能力起到促進(jìn)作用；利用該儀器反演得到大氣不穩(wěn)定指數(shù)，可以提前數(shù)小時(shí)有效監(jiān)測(cè)到暴雨系統(tǒng)發(fā)生前環(huán)境條件的變化，在還是晴朗無云的大氣中提前發(fā)現(xiàn)極端天氣的蛛絲馬跡，直接提供給預(yù)報(bào)員進(jìn)行天氣分析和預(yù)報(bào)；可以對(duì)小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)進(jìn)行高頻次探測(cè)，直接服務(wù)于短臨天氣預(yù)報(bào)預(yù)警。

怎么讀？

干涉式大氣垂直探測(cè)儀有超過1600 個(gè)探測(cè)通道，不同高度的大氣對(duì)不同探測(cè)通道的紅外輻射貢獻(xiàn)存在差異。根據(jù)這些差異可以反演出大氣溫度、濕度的三維結(jié)構(gòu)。

圓盤圖

直觀展現(xiàn)我國湖泊、積雪，澳大利亞上空氣旋風(fēng)暴云系等

多通道成像輻射計(jì)是“風(fēng)云四號(hào)”靜止氣象衛(wèi)星的主要載荷之一，通過精密的雙掃描鏡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確和靈活的二維指向，可實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)的區(qū)域快速掃描；采用離軸三反主光學(xué)系統(tǒng)，高頻次獲取14 波段的地球云圖，并利用星上黑體進(jìn)行高頻次紅外定標(biāo)，以確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)度。多通道成像輻射計(jì)所獲得的圖像有效地監(jiān)測(cè)到我國及周邊地區(qū)重要天氣系統(tǒng)，云系結(jié)構(gòu)和底物特征，層次豐富、紋理清晰。西伯利亞積雪、青藏高原湖泊、黃海細(xì)胞狀云系、孟加拉國灰霾、赤道附近熱帶對(duì)流、南印度洋冷空氣云系均清晰可見。

風(fēng)云四號(hào)A星第一套圖像（14通道）

2017 年2 月23 日2：00（世界時(shí)）冷空氣過境之后，內(nèi)蒙古大部和東北地區(qū)出現(xiàn)了大范圍積雪

2017 年2 月20 日5∶15（世界時(shí)）“風(fēng)云四號(hào)”氣象衛(wèi)星觀測(cè)范圍的西南端可以看到南半球最大的國家——澳大利亞的全境，此時(shí)澳大利亞北部正受到氣旋風(fēng)暴云系的影響

2017 年2 月20 日5∶15（世界時(shí)）青藏高原上的湖泊在“風(fēng)云四號(hào)”圖像上清晰可見，喜馬拉雅山脈的積雪紋理清楚，空間分布范圍一目了然

熱帶對(duì)流監(jiān)測(cè)圖

2017年2月21日我國中東部雨雪天氣監(jiān)測(cè)圖

閃電分布圖

在軌工作期間抓取的南半球（夏季）一次強(qiáng)雷暴過程

“風(fēng)云四號(hào)”衛(wèi)星閃電成像儀從2016 年12 月19 日開機(jī)以來，一直在軌正常工作。在此期間，監(jiān)測(cè)到世界時(shí)2017 年2 月13 日9 時(shí)35 分至15 時(shí)34分期間在澳大利亞西部地區(qū)的一次強(qiáng)雷暴過程。下圖為澳大利亞西部的強(qiáng)雷暴全過程，顯示了該區(qū)域此次雷電活動(dòng)逐步密集再到逐步消退的程度。此次雷暴過程得到澳大利亞新聞的證實(shí)。

磁暴監(jiān)測(cè)圖

體現(xiàn)高能電子通量變化及地磁活動(dòng)水平

“風(fēng)云四號(hào)”衛(wèi)星上的高能粒子探測(cè)器包括高能質(zhì)子探頭和高能電子探頭，與風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星同類儀器相比，該儀器在三軸穩(wěn)定的平臺(tái)上多個(gè)方向上安裝了粒子探頭，可進(jìn)行粒子的多方向流量探測(cè)，高能粒子的多方向多譜段探測(cè)有助于進(jìn)一步了解同步軌道粒子的動(dòng)力學(xué)過程，提高對(duì)輻射帶環(huán)境的建模和預(yù)警水平。該儀器上天后就處于開機(jī)狀態(tài)，并連續(xù)獲取空間高能粒子數(shù)據(jù)。

下圖為高能粒子探測(cè)器觀測(cè)到的高能電子通量變化和對(duì)應(yīng)的地磁活動(dòng)水平。(圖片來源：國家衛(wèi)星氣象中心)★