气象卫星图像里藏着预测灾害的黑科技！

曲炯

面对天气灾害，与抢险救灾同样重要的是对天气进行持续监测跟踪，进而作出准确判断，及时发出预警。那么，我们的气象数据从何而来呢？有很大一部分的气象数据来自天上的气象卫星，下面我们就来了解一下气象卫星和它们的基本工作原理。

物理基础：遥感

气象卫星的工作原理是遥感，顾名思义也就是“遥远的感知”——只看不摸，用非接触手段去探测物体的各项属性。

虽然听起来很高科技，但其实遥感属于咱们每个人的基本功能。比如我们在路上走着走着，忽然听到身后咚咚咚的脚步声，回头一看，是小李呀！这就是耳朵和眼睛发动了遥感技能。

不过，把问题难度拔高一点，我们天生的遥感技能就不够用了。比如，小李今天穿的白衬衫，是纯棉的、真丝的还是化纤的呢？这要用手捻一下才知道，可这一伸手，就成了接触式探测，不是遥感了。

怎么办？我们可以请仪器来帮忙，观测小李这件衣服的反射光谱。

这个词是什么意思呢？当光线照射到物体上时，有些波长（颜色）的光会被吸收，有些会被反射，我们用不同的波长去照射它，就会看到不同的亮度，把亮度随波长变化的曲线画出来，就是反射光谱。

例如树叶吸收红光蓝光、反射绿光，我们看到的绿色就是树叶大致的反射光谱。借助仪器，这个光谱还可以更加精细，具体到波长。如果在红外波段观察小李的白衬衫，不同的原料就会呈现不同的红外光谱，我们就不用动手捻一下了。

此外，一切物体都在辐射电磁波，冷的物体波长较长，热的物体波长较短，而且会随着物质构成，呈现出特定的光谱分布。所以，通过观测物体的辐射光谱，能够判断它的成分和温度。比如大家眼前的手机，每个“白色”像点其实都只有红绿蓝三种颜色，而真正的阳光，就从红到紫一应俱全。

了解了遥感的基本原理，接下来咱们就看看气象卫星是怎么工作的。

气象卫星看什么

让我们来设计一个气象卫星，我们会让它看什么？怎么看？

既然是气象卫星，那么最起码要能拍摄常见的可见光卫星云图。这是最直观的天气表现，我们可以看到云的分布、厚薄，如果持续观察，还能看到云的流动。这些是普通公众都能看明白甚至还能做点分析的数据，所以是必须实现也比较容易实现的功能。

但是，仅仅可见光还是不够。到了夜晚，地球有一面陷入黑暗，用肉眼就看不清云了。所以，为了能够24小时连续监测天气，我们还要增加夜视功能。我们前面说过，一切物体都会发出辐射，在红外甚至微波波段去观察，就能看清楚夜晚的云。

我们再深入说说，我们能相信卫星看到的景象吗？它看到的云为什么不能是地面上的雪呢？如何与火山喷出的火山灰区分呢？夜晚看到的明亮的云，为什么不能是城市的灯光呢？

这里就用到了前面说过的遥感原理。通过科学仪器的“眼睛”去做光谱分析，我们不但能看出物体的颜色，还可以知道它真实的温度和构成。

实际上，无论是可见光也好，红外线也好，卫星观测到的都是复杂的叠加信号。例如，白天看到的云层，就是由云层反射的阳光、云体自身发出的辐射、大地和大气层背景辐射三部分叠加而成。这就需要专业人员设计专门的算法，把这三样信号一一分离出来，从而得到准确的信息。卫星观测到的云和大气，不但具有形象轮廓，还有温度湿度、高度分布、成分构成、闪电雷暴等详尽的信息。

气象卫星观测到的各种数据送回地面后，就由超级计算机接手，使用数值模式做出预报。台风卡努的诡异舞步，就是被三个高压反气旋夹在中间揉搓的结果。最终“卡努”的路径和预报一致，正是气象卫星精准观测与超算数值模式通力合作的成果。

气象卫星只能用来预报天气吗？

气象卫星的基本原理决定了我们还可以把视线放宽、放远，用气象卫星去研究许许多多好玩的东西。

比如我们可以通过气象卫星去监测农业。土壤的温度和含水量都可以反映到光谱中，而且植被对光的反射光谱，在不同波长上，可以分别反映叶绿素、细胞结构和含水量情况，不同的作物有各自的反射光谱。通过卫星遥感，能够判断土壤状况、作物种类、作物长势、是否有病虫害。我们的风云气象卫星就具有农业监测功能，它们除了能看云识天气，更是农业的守护星。

我们还可以使用气象卫星去监测大气碳含量。地面辐射透过大气传到卫星的途中，一些波长会被二氧化碳吸收。通过分析吸收谱，可以掌握全球各地的大气碳含量，为节能减排、科学合理地设定碳排放目标提供科学依据。中国2022年发射的碳卫星“句芒号”就是做这个业务的。

总结一下，气象卫星主要靠的是遙感技术来获得各类气象数据，而气象卫星的遥感能力，也让它们不仅能帮忙预报天气，还能提供更多的帮助。最后，再次提醒大家，看到各种气象预警，要及时做好准备！

◎ 来源|科普中国