解讀“風云四號”衛(wèi)星首批圖像和數(shù)據(jù)

□ 盧健 吳婷

解讀“風云四號”衛(wèi)星首批圖像和數(shù)據(jù)

□ 盧健 吳婷

風云四號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

“風云四號”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、干涉式大氣垂直探測儀、閃電成像儀、空間環(huán)境監(jiān)測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)信息對于天氣預報和氣候預測將有哪些推動作用？

大氣光譜圖

首次利用靜止軌道獲取高光譜大氣探測數(shù)據(jù)

干涉式大氣垂直探測儀是國際上第一臺在靜止軌道上以紅外高光譜干涉分光方式探測大氣垂直結(jié)構的精密遙感儀器。通過該探測儀，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，應該如何解讀圖像和展開數(shù)據(jù)應用呢？

探什么？

很多人都知道所謂“探空”就是氣球帶著測量儀器從地面不斷升高，包含溫度、濕度等傳感器，邊上升邊測量并把數(shù)據(jù)傳回給地面跟蹤和接收雷達。這好比用溫度計，在一個高度上量一下，在下一個高度上再量一下。它能把大氣的溫濕度測量得非常準確，本質(zhì)上屬于直接測量，一般測量高度為30 千米，能夠?qū)α鲗雍推搅鲗釉诟鞔怪备叨壬线M行測量。

地面探空近乎直接測量，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 千米設置一個，一般每天全球統(tǒng)一在世界時00 時和12 時兩個固定時間進行兩次探空。

怎么探？

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

大氣輻射權重通道亮溫垂直分布圖

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

在衛(wèi)星上利用紅外遙感怎么測大氣三維結(jié)構呢？進行三維大氣溫度濕度探測，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，探測大氣的溫度廓線；選擇水汽紅外吸收帶探測大氣的濕度廓線。不同的二氧化碳吸收通道探測到的紅外輻射主要來自于特定的高度層，對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)值預報對大氣探測精度的要求，在技術上高光譜紅外探測是必選的技術途徑。高光譜探測的優(yōu)勢在于探測通道的光譜分辨率越高，即通道的權重函數(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精度，而且也提高了大氣探測的垂直分辨能力。

“風云四號”干涉式大氣垂直探測儀采用邁克爾遜干涉分光的方式實現(xiàn)大氣紅外高光譜探測，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。

那么，云內(nèi)部和云底以下大氣怎么實現(xiàn)高頻次探測呢？這就需要氣象人期盼的“風云四號”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數(shù)據(jù)的成功先例，我國氣象應用勢必要經(jīng)過從試用到業(yè)務應用的過程，特別是要根據(jù)應用需求（觀測精度、區(qū)域范圍和觀測頻次等）來確定儀器觀測模式，需要應用部門和地面應用系統(tǒng)鼎力合作。

干涉式紅外大氣探測儀數(shù)據(jù)主要的應用包括以下幾個方面：該儀器具有對我國及周邊地區(qū)1 小時一次、間隔僅16 千米的密集的大氣溫濕分布垂直探測能力，其探測數(shù)據(jù)可以同化到全球和區(qū)域數(shù)值預報模式，改進數(shù)值預報初始場，特別是像海洋上等缺少常規(guī)探空觀測的區(qū)域，對于提高預報的精細化能力起到促進作用；利用該儀器反演得到大氣不穩(wěn)定指數(shù)，可以提前數(shù)小時有效監(jiān)測到暴雨系統(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，直接提供給預報員進行天氣分析和預報；可以對小尺度強對流天氣系統(tǒng)進行高頻次探測，直接服務于短臨天氣預報預警。

怎么讀？

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

圓盤圖

直觀展現(xiàn)我國湖泊、積雪，澳大利亞上空氣旋風暴云系等

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

風云四號A星第一套圖像（14通道）

2017 年2 月23 日2：00（世界時）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）“風云四號”氣象衛(wèi)星觀測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，此時澳大利亞北部正受到氣旋風暴云系的影響

2017 年2 月20 日5∶15（世界時）青藏高原上的湖泊在“風云四號”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

熱帶對流監(jiān)測圖

2017年2月21日我國中東部雨雪天氣監(jiān)測圖

閃電分布圖

在軌工作期間抓取的南半球（夏季）一次強雷暴過程

“風云四號”衛(wèi)星閃電成像儀從2016 年12 月19 日開機以來，一直在軌正常工作。在此期間，監(jiān)測到世界時2017 年2 月13 日9 時35 分至15 時34分期間在澳大利亞西部地區(qū)的一次強雷暴過程。下圖為澳大利亞西部的強雷暴全過程，顯示了該區(qū)域此次雷電活動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。

磁暴監(jiān)測圖

體現(xiàn)高能電子通量變化及地磁活動水平

“風云四號”衛(wèi)星上的高能粒子探測器包括高能質(zhì)子探頭和高能電子探頭，與風云二號衛(wèi)星同類儀器相比，該儀器在三軸穩(wěn)定的平臺上多個方向上安裝了粒子探頭，可進行粒子的多方向流量探測，高能粒子的多方向多譜段探測有助于進一步了解同步軌道粒子的動力學過程，提高對輻射帶環(huán)境的建模和預警水平。該儀器上天后就處于開機狀態(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器觀測到的高能電子通量變化和對應的地磁活動水平。(圖片來源：國家衛(wèi)星氣象中心)★