盤點近年氣象衛星中的那些黑科技

　　編者按：當今時代，為獲取更加精確的天氣氣候信息，並且為大氣、陸地和海洋等相關研究提供重要數據，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）、歐洲氣象衛星開發組織（EUMETSAT）和中國氣象局（CMA）等世界各大氣象機構在衛星觀測的科技角逐中爭奇鬥豔，不斷推陳出新。一方面，不斷研發出的新型觀測儀器可以獲取到更高時空解析度或以往無法獲取的天氣氣候要素，將這些氣象要素同化進天氣氣候模式中顯著提高模式的精度；另一方面，氣象衛星呈現專業化趨勢，各種用於專項觀測的新式衛星紛紛上天。氣象衛星中的黑科技就需要各大氣象機構根據各自的觀測目的進行規劃和研發，正是在這樣的角逐中各種先進科技不斷大放異彩。

　　世界首個靜止軌道幹涉式大氣垂直探測儀

　　

　　

　　　風雲四號衛星靜止軌道幹涉式大氣垂直探測儀掃描模式示意圖。

　　2016年12月11日，風雲四號A星搭乘長徵三號乙遙42運載火箭在西昌衛星發射中心成功發射。在風雲四號A星搭載的主要載荷中，世界首個靜止軌道幹涉式大氣垂直探測儀格外引人注目。這是地球靜止軌道上首個高光譜探測儀，首次實現了靜止軌道大氣高精度溫度、溼度廓線探測，其觀測能力是現有觀測系統的上千倍。該探測儀有1600多個探測通道，就像CT切片一樣，把晴空大氣在垂直方向上進行切層，獲得大氣垂直方向上的精細數據。因此，稱風雲四號為「能給大氣做CT的衛星」可謂名副其實。當大氣垂直運動劇烈變化時，其能摸清大氣垂直運動的「脈搏」，及時預報強對流天氣的發生、發展。

　　世界首個閃電成像儀

　　

　　

　　GOES-R衛星。

　　當地時間2016年11月19日，美國新一代靜止氣象衛星GOES-R在佛羅裡達州卡納拉爾角空軍站發射升空。GOES-R肩負美國下一代靜止氣象衛星的盛名，主要依據來自其中搭載的兩個關鍵傳感器：先進基準圖像儀（ABI）和地球靜止閃電測繪儀（GLM）。GOES-R是國際上搭載首個閃電成像儀的衛星，能夠提供每秒200次的西半球雷電場紅外圖像，探測的時間延遲僅為20秒。閃電一般總是和劇烈天氣聯繫在一起，如果能夠將延遲很短的GLM數據和模式預報結合起來，不僅能夠提升預報水平，還能夠將預警時間大幅提前。

　　值得一提的是，我國的風雲四號A星也搭載了閃電成像儀，首次實現了我國靜止軌道閃電成像觀測，可對我國及周邊區域閃電每秒拍攝500張照片，為強對流天氣的監測和跟蹤提供全新的觀測手段，提高對雷電和暴雨等災害預警水平。

　　葵花雲技術實現天上觀測與地面同步數據獲取

　　

　　葵花9號。

　　2016年11月2日，在日本南部鹿兒島縣的種子島宇宙中心，H2A運載火箭第31次起航，將日本葵花9號衛星送入太空。葵花9號是正在使用的葵花8號衛星的備份衛星，二者屬於同一型號。葵花-8衛星的亮點之一就是明確提出「葵花雲」（Himawari Cloud）的理念並應用於衛星數據服務。利用雲技術，葵花-8衛星數據在觀測開始8分鐘之內，第一個掃描數據段（每次HSF圖像掃描數據被分為10個數據段，每個數據段含有16個通道數據文件）即可以下載，最後1個數據段的數據在掃描結束後的7分鐘內即可下載。藉助「雲」技術，葵花-8衛星實現了天上觀測與地面同步數據獲取。（來源：《科技信息快遞》）

　　風探測器可獲取氣溶膠和雲信息

　　

　　Aeolus風探測衛星。

　　

　　Aladin探測示意圖。

　　2016年8月，Aeolus風探測衛星的關鍵探測器——都卜勒測風雷射雷達Aladin研製成功。Aeolus衛星由歐洲空間局（ESA）研製，計劃於2017年末發射，這將是世界上第一顆專注於全球大氣風場層結探測的衛星。Aladin由兩支強大的雷射發射器、一個大型望遠鏡和多個非常敏感的接收器共同組成，能夠探測出大氣垂直面結構以及氣溶膠和雲信息，並且提供大量急需的風廓線觀測數據，用於模式診斷和數據同化，這一點對於提升熱帶區域的數值天氣預報水平尤其關鍵。（來源：ESA）

　　雷達高度計可探測95%的無冰海洋

　　

　　Jason-3衛星。

　　

　　圖為根據Jason-3衛星觀測數據獲得的全球海平面高度圖。

　　當地時間2016年1月17日，「獵鷹9」號火箭搭載高精密度海洋測高衛星——「Jason-3」在美國加利福尼亞州范登堡空軍基地發射成功。該衛星由EUMETSAT、NOAA、法國國家空間研究中心（CNES）、美國國家航空航天局（NASA）聯合研製。Jason-3上搭載的雷達高度計每10天能夠對地球上95%的無冰海洋進行探測。該系列衛星最早可以追溯到1992年發射的Topex/Poseidon衛星，從那時起的23年來，全球海平面升高了70毫米。Jason-3的海波和海洋表面形貌的測量值將成為海況、洋流數值預報及其他海洋氣象學和海洋學必不可少的數據。（來源：NOAA）

　　可監測太陽風的空間天氣傳感器

　　

　　DSCOVR示意圖。

　　

　　　深空氣候觀測衛星（DSCOVR）探測示意圖。

　　2015年2月11日，NOAA的第一顆空間天氣衛星——深空氣候觀測衛星（Deep Space Climate Observatory, DSCOVR）從美國佛羅裡達州卡納維爾角發射升空。DSCOVR搭載的主要空間天氣傳感器是法拉第杯等離子體傳感器，用以測量太陽風的速度、密度和溫度，以及用於測量太陽風磁場的強度和方向的磁強計。DSCOVR作為一個遙遠的預警前哨，像在太空的海嘯浮標，為預報員製作磁風暴預警提供必要的信息。在太陽風暴所生產的粒子襲擊地球一小時之前，預報員可提供空間天氣預警。（來源：NOAA）

　　可獲取土壤水分的探測器

　　

　　　NASA的土壤水分主動-被動探測器（SMAP）。

　　2015年1月29日，NASA將造價9.16億美元的土壤水分主動-被動探測器（SMAP）送入太空。在3年時間裡，SMAP每兩到三天對全球土壤（最上5釐米層）溼度進行一次觀測，從而提升天氣預報和乾旱預測的準確性。SMAP的與眾不同之處在於，既有高空間解析度但對土壤溼度不敏感的主動遙感儀器雷達，也有能提供較高土壤溼度準確率但空間解析度不高的被動遙感儀器輻射計。兩種主動和被動遙感資料協同運轉，可獲得空間解析度分別為10公裡和3公裡的土壤溼度和土地融化狀態資料。（來源：NASA）

　　高性能雷達「明察秋毫」可探測小規模雨雪天氣

　　

　　

　　　GPM衛星。

　　

　　GPM衛星各組分圖。

　　

　　2015年8月6日，全球降水觀測計劃主衛星觀測到颱風「蘇迪羅」帶來的最強降水，每小時達70毫米左右。該圖為根據雙頻降水雷達數據繪製的暴雨3D圖，展示了「蘇迪羅」內部降水的垂直結構圖。

　　當地時間2014年2月28日，日本在鹿兒島縣種子島宇宙中心用H2A火箭成功發射全球降水觀測計劃(Global Precipitation Measurement，GPM)的主衛星。該衛星由日本宇宙航空開發機構（JAXA）與NASA聯合研製。衛星搭載了由日本情報通信研究機構研發的高性能雷達——雙頻降水雷達（Dual-frequency Precipitation Radar，DPR），由Ka-band和Ku-band兩部頻率不同的降水雷達組成。DPR具有的對降水三維觀測和對降水物形態的探測能力，主要靠兩束雷達波對降水目標物進行更加透徹的解析而獲得。DPR能夠通過捕捉大氣水滴反射，觀測到以往衛星雷達難以探查到的小規模雨雪天氣，改善對洪水等極端天氣的預報。（來源：NASA,《氣象科技進展》）

　　高精度傳感器可觀測溫室氣體

　　

　　「呼吸」號衛星。

　　當地時間2009年1月23日，JAXA用一枚H2A火箭將世界首顆溫室氣體觀測衛星「呼吸」號（IBUKI）發射升空。「呼吸」號的主要載荷為一個溫室氣體觀測傳感器（TANSOFTS）和一個雲-氣溶膠傳感器（TANSO-CAI）。TANSOFTS可觀測近紅外區至熱紅外區的各個不同波長，觀測通道高達18500個左右，可大幅提高觀測精度。TANSO-CAI主要用於觀測雲和氣溶膠，以修正其在溫室氣體觀測過程中帶來的誤差。「呼吸」號每3天就可以收集到全球約5.6萬個觀測點的最新數據，對幾乎整個地球表面溫室氣體的濃度進行測量。

　　繼日本之後，美國和中國也相繼發射全球二氧化碳監測衛星——「軌道碳觀測者2號」和「碳衛星」分別於2014年7月2日和2016年12月22日成功發射，成為國際「嗅碳」衛星大家庭的兩大新成員。中國「碳衛星」利用高光譜與高空間解析度二氧化碳探測儀、多譜段雲與氣溶膠探測儀等探測設備，通過地面數據接收、處理與驗證系統，定期獲取全球二氧化碳分布圖，大氣二氧化碳反演精度將優於4ppm，使我國在大氣二氧化碳監測方面躋身國際前列。（來源：JAXA，CMA）

　　（編輯：吳鵬）