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                “風雲”氣象知多少
                [ 發布時間:2020-03-23 ]   [ 字號: ]

                  3月23日是第60個世界氣象日,今年的主題是氣候與水。氣候是我們賴以生存的自然環境,它像一個調皮的魔術師,變換著世間的陰晴雨雪、四季冷暖,總能帶來令人稱奇的風雲變化。

                  觀測天氣氣候變化,是人類最早從事的科學活動之一。在中國歷史上,很早就有關於氣象觀測的記錄。相傳我國在黃帝時代,就設有專人從事氣候觀測。殷商時期甲骨文的蔔辭中不但有天文、氣象等方面的觀測文字,還有預測天氣的記載。漢代開始出現候風綄、銅鳳凰等測風工具,明清時期已經建有專門的“觀象臺”進行較為專業的天文和氣候觀測。

                  到了現代,隨著科技的發展,人類用於氣象觀測的手段也越來越多。水母耳、探空氣球、氣象雷達的應用讓人類對於各類氣象變化及時作出應對措施。然而,這些手段依然無法做到對氣象觀測的全覆蓋。

                  如何提前對天氣變化進行預判,讓偏遠海區的臺風“無處藏身”,如何對海表水溫、植被覆蓋情況“了然於胸”,如何及時將森林草原火災“扼殺在搖籃中”……這一切就需要氣象衛星來顯“神威”了。

                  我們知道,整個地球都被大氣包圍著,這些大氣影響著地球上的天氣變化。“站得高才能看得遠”。氣象衛星就是從地球上空對地球及其大氣層進行氣象觀測的遙感衛星。氣象衛星帶有各種氣象遙感器,包括多通道高分辨率掃描輻射計、高分辨率紅外分光計、微波輻射計等,能夠接受和測量地球和大氣層的可見光、紅外、微波的輻射和反射,並將它們轉換成電信號發送回地面,地面站對衛星送回的原始數據進行計算和處理後,得出各種氣象信息資料。時至今日,氣象衛星已成為現代氣候觀測不可或缺的一項重要手段。

                  一、氣象衛星的分類

                  氣象衛星分為哪幾類?這要從衛星的分類說起。

                  衛星按照運行軌道進行區分,有低軌道衛星、中高軌道衛星、地球同步軌道衛星、地球靜止軌道衛星、太陽同步軌道衛星、大橢圓軌道衛星和極軌道衛星。

                  氣象衛星根據觀測需要,目前主要分為靜止氣象衛星和極軌氣象衛星兩大類。靜止氣象衛星的運行軌道為地球同步軌道(包括地球靜止軌道),極軌氣象衛星的運行軌道為太陽同步軌道(近極地太陽同步衛星軌道)。

                  要註意的是,其實地球靜止軌道與地球同步軌道仍有少許區別。

                  地球同步軌道又稱24小時軌道,是軌道周期與地球自轉周期(23小時56分鐘4秒)相同的順行人造地球衛星軌道。而其中軌道傾角為0°,軌道高度大約3萬6千公裏(35786千米)的軌道,稱為地球靜止軌道。

                  在地球靜止軌道上運行的衛星其星下點軌跡是赤道上的一點,在地面上的人看來是靜止不動的,所以稱為地球靜止軌道衛星。靜止氣象衛星就是運行在地球靜止軌道上用於氣象觀測的人造衛星。由於全球只有一條,所以地球靜止軌道資源十分緊張。

                  提到太陽同步軌道,大家或許會在在腦海裏浮現出這樣的問題:類比地球同步軌道,是不是太陽同步軌道就是衛星與太陽同步呢?難道是繞著太陽轉的人造地球衛星嗎?

                  要是這麽想,你可就大錯特錯了。

                  首要要明確一個概念。人造衛星是環繞地球在空間軌道上運行(至少一周)的無人航天器。

                  之所以稱之為太陽同步衛星,其實並不是衛星與太陽同步,而是這顆衛星運行在太陽照耀地球同步的軌道上。太陽同步軌道指軌道繞地球自轉軸旋轉的方向與地球公轉方向相同、旋轉角速度等於地球公轉的平均角速度(衛星軌道每天向東進動0.9856°,保持輕微的逆轉)的人造地球衛星軌道。軌道傾角(軌道平面與赤道平面的夾角)接近90°(小於100°),高度在500-1000公裏之間。簡單來說,就是在運行中每一條軌道都要經過地球南北兩極附近上空,因此又稱之為近極地太陽同步衛星軌道。而傾角為90°的軌道,則稱為極軌道。

                  在太陽同步軌道上運行的衛星,從相同的方向經過同一緯度的當地時間是相同的。例如,衛星最初由南向北(升段)經過北緯40°上空的時間是當地時間早上8點,以後升段進過北緯40°的時間就都是當地時間早上8點。這樣的軌道保證了衛星以固定的地方時觀測地球大氣,拍攝的圖像擁有同樣的可見光或者紅外光的光源條件。對獲取可用的資料、數據的接收、軌道的計算等都十分方便。
                  
                  二、兩類衛星的優劣性

                  靜止氣象衛星和極軌氣象衛星各有其優越性,在應用上,這兩種衛星是互補的。

                  靜止氣象衛星由於距地球比較遠,可以觀測到東經45°到165°、南北緯各60°範圍內的地區,相當於地球上1/4到1/3的範圍,也就是說,等距離設置3顆地球靜止軌道氣象衛星,就可以監測全球的氣象變化。由於它相對於地球上的地面接收點是靜止的,所以它可以對有效觀測範圍內的某一地區或某一天氣現象進行持續的監測,能監測到那些變化快、生命史短的中小尺度的天氣系統。而且,靜止地球氣象衛星觀測的時次可根據需要進行控制,如可以每小時觀測一次,也可以每半小時觀測一次,所以能有效地監測到中低緯度地區的氣旋、臺風等的生成、發展等情況。像監測龍卷風、臺風這種發展快、持續時間短而危害又比較大的災害性天氣系統,就非它莫屬了。

                  風雲極軌氣象衛星繞地球一周大約要102分鐘,一個回歸周期大約是4-7天,它可以觀測整個地球的天氣系統演變,監測自然災害、地形地貌和生態變化,每天可以獲得一次全球資料。但是它相對於靜止氣象衛星而言,觀測的頻次低,對於地球同一地點一天只能觀測到兩次。

                  靜止氣象衛星屬於高軌道氣象衛星,站得高看得遠,而極軌氣象衛星屬於低軌道氣象衛星,離得近看得更清,相同分辨率的探測儀器,成像更加清楚。

                  地球靜止軌道衛星可以對目標區域進行連續氣象觀測,極軌氣象衛星可以獲得全球氣象信息,兩種類型的衛星相互補充,協同觀測,形成了1+1>2的氣象觀測效果。

                  三、我國的氣象衛星

                  我國的氣象衛星是以極軌和靜止兩個系列並存而發展的。氣象衛星以“風雲”命名,用單、雙數來區別是極軌衛星還是靜止衛星。單數為極軌氣象衛星(跨越地球的南北極轉),第一代極軌氣象衛星命名為風雲一號,第二代極軌氣象衛星命名為風雲三號;雙數為靜止氣象衛星(和地球自轉保持同步相對於地面靜止不動)。第一代靜止氣象衛星命名為風雲二號,第二代靜止氣象衛星命名為風雲四號。

                  在研制期間,用數字01、02、03等命名同一代衛星中先後研制的衛星。待在軌運行後,用英文字母A、B、C等命名同一代衛星中先後發射的衛星。

                  例如,第二代極軌氣象衛星中的第一顆星在研制期間命名“風雲三號”01星,在軌運行後命名為“風雲三號”A星,代號為FY·3A。

                  經過幾十年的發展,中國已成功發射17顆風雲氣象衛星。目前8顆衛星在軌運行(包括4顆靜止氣象衛星和4顆極軌氣象衛星),靜止軌道衛星形成“多星在軌、統籌運行、在軌備份、適時加密”的業務格局,極軌衛星形成上、下午星組網觀測,可對全球和區域範圍內的極端天氣、氣候和環境事件進行及時高效觀測,成為國產衛星中應用最好、定量化水平最強的衛星,被世界氣象組織納入全球業務應用氣象衛星序列,是全球綜合觀測系統的重要成員,也是空間和重大災害國際憲章機制的值班衛星。

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