GOES衛星數據如何「刻畫」壯麗的地球

2020-12-04 中國氣象局

　　目前，美國地球靜止軌道氣象衛星GOES-14和15轉入在軌存放狀態，依靠新一代 GOES-R 系 列 的 前 兩 顆 衛 星GOES-16和GOES-17，提供了美麗的地球圖像。然而，公眾在電視、電腦和行動裝置上看到的這些圖像其實是衛星觀測到的數據顯示的，而不是實際的照片或視頻。那麼，這些圖像是怎麼實現的呢？

　　衛星如何「看到」地球

　　衛星成像儀利用遙感技術從地球上空收集有關地球的信息。GOES-R系列衛星搭載了一種叫做Advanced BaselineImager(ABI)的儀器，它可以接收電磁波譜上不同波長的能量。電磁波譜覆蓋無線電波到伽馬射線，是自然界中光線存在的全部波譜範圍。由於不同的物體吸收或反射不同波長的光，ABI可以測量16個光譜波段（或通道）的可見光和紅外能量。

　　然而，ABI並不是瞬間快照衛星下方整個地球景象，而是使用兩個掃描鏡掃描地球的「狹長地帶」，一個從北到南，另一個從東到西。每次東西方向掃描完成後，南北方向的掃描鏡移動到一個新的位置，開始新的東西方向掃描。經過22次完整的掃描便可拼接成一個完整的圓盤圖。

　　測量能量

　　ABI的每一個通道都可以測量特定波長的光在電磁波譜上反射或發射的能量，從而獲得關於地球大氣、陸地或海洋的信息。ABI的光譜波段包括兩個可見光通道、四個近紅外通道和十個紅外通道，其中可見光通道只能在白天觀測。這很像我們的眼睛，因為它們只能捕捉從地球反射回來的太陽光。相比之下，ABI的紅外通道可以探測到肉眼無法看到的能量。紅外通道收集地球表面和雲層等物體發射的能量，可以實現全天不間斷的紅外能量探測。所以，也可以把ABI看作是夜視鏡，它使用圖像增強技術來看到所有可用的光線。每個ABI通道都可以用來探測地球特定的特徵，比如雲層類型、大氣中的水汽、臭氧和二氧化碳含量、冰或雪區域等。

　　ABI採集被稱為光子的光粒子。當光子撞擊ABI探測器時，它們會在探測器中產生與入射光能量成比例的電荷。ABI的電子設備讀取電荷值並將其轉換成數位訊號。

　　轉換衛星數據

　　來自ABI的信息被轉換成無線電波，並傳送到地面的天線上。信息隨後被發送到衛星數據處理中心的計算機上。這種信息是用二進位代碼來傳輸的，二進位代碼是一種數字語言，它只使用兩個數字:0和1，通過計算機軟體可以被轉換成8個字符。每個物體探測到的光能量值都被以數字的形式記錄下來，然後計算機將信息轉換成圖像。

　　衛星圖像，就像電視上的圖片一樣，是由叫作圖片元素(簡稱「像素」)的小方塊組成的。衛星圖像中的每一個像素都代表了該部分圖像記錄的相對反射或發射的光能。通過衛星傳送的二進位信號為每一段電磁波譜賦予一個值，這些數字可以轉換為灰度值(圖像中的每個像素只表示一定數量的光，並且僅由灰色陰影組成)，從而生成像素形式的黑白圖像。

　　創建顏色

　　科學家可以根據ABI數據在電磁波譜上所代表的光的顏色，將顏色分配給ABI數據的「波段」。為了從衛星數據中構建出對人眼有意義的合成圖像，需要使用電磁光譜中可見光部分的顏色——紅色、綠色和藍色。這三種原色可以以不同的強度組合成所有可能的顏色。紅色指定表示紅光的頻帶，藍色指定表示藍光的數據頻帶。ABI沒有真正的「綠光」帶，因此使用一個查找表來模擬這些信息，這個查找表是使用日本氣象廳的高級 Himawari成像儀的數據創建的，該成像儀與ABI非常相似，但是包含一個「綠色」通道。

　　多光譜圖像

　　隨後，將多個ABI通道的數據組合可以提供更多的信息。根據某種通道組合方式可以實現對我們感興趣區域特徵的增強。當用特定的方式進行多通道數據組合，便會創造出一個合成圖像，呈現出不同的顏色以便被人類視覺感知到。最終得到的是各種真彩色「RGB」或者偽彩色合成圖像，突出大氣和地球表面特徵，而這些特徵往往很難或很耗時地從單通道圖像中區分出來。彩色合成圖像為天氣預報員提供了重要信息，幫助他們了解快速變化的天氣情況。

　　動態的圖片

　　此外，也可以將一系列ABI圖像製作成動畫。由於ABI的快速掃描能力，可以每30秒收集一次特定區域的數據。這使得天氣預報員能夠在天氣事件發生時查看天氣情況，並近乎實時地跟蹤正在形成的風暴區域。了解風暴中雲形成的速度可以幫助天氣預報員對嚴重風暴進行監測和預警。ABI還可以在雷達中斷期間或在雷達覆蓋稀少的地區提供關鍵數據。

　　這些豐富多彩的圖像的背後，需要進行大量的工作，但這些付出不僅僅是為了得到一幅漂亮的圖片。這幅生動的圖像包含了大量的衛星數據所傳遞的複雜的環境信息，揭示了霧、積雪、冰、火山灰、雲屬性、氣團溫度和溼度特徵等重要天氣現象的發生和演變。

　　(來源：NOAA官網編譯：李慧 本文指導專家：國家衛星氣象中心 徐娜研究員 責任編輯：崔國輝)

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