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前不久，臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”、“卡努”的接連襲擊，造成了很大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。面對(duì)臺(tái)風(fēng)這樣的災(zāi)害，想象下面兩種情況：

A.能通過(guò)手機(jī)、電視等隨時(shí)知道臺(tái)風(fēng)到哪兒了，下一步可能往哪兒去，早早準(zhǔn)備物資做好防災(zāi)工作。

(相關(guān)資料圖)

B.只知道這個(gè)季節(jié)刮臺(tái)風(fēng)，憑經(jīng)驗(yàn)判斷。

相信所有人都會(huì)選擇A吧？沒(méi)錯(cuò)，與搶險(xiǎn)救災(zāi)同樣重要的，是對(duì)天氣的持續(xù)監(jiān)測(cè)跟蹤，做出準(zhǔn)確判斷，及時(shí)發(fā)出預(yù)警。那么，我們的氣象數(shù)據(jù)從何而來(lái)呢？有很大一部分的氣象數(shù)據(jù)，來(lái)自天上的氣象衛(wèi)星，下面我們就來(lái)了解一下氣象衛(wèi)星和它們的基本工作原理吧！

物理基礎(chǔ)：遙感

氣象衛(wèi)星的工作原理是遙感，顧名思義也就是“遙遠(yuǎn)的感知”——只看不摸，用非接觸手段去探測(cè)物體的各項(xiàng)屬性。

雖然聽(tīng)起來(lái)很高科技，但其實(shí)遙感屬于咱們每個(gè)人的基本功能。比如我們?cè)诼飞献咧咧?，忽然?tīng)到身后咚咚咚的腳步聲，回頭一看，是小李呀！這就是耳朵和眼睛發(fā)動(dòng)了遙感技能。

不過(guò)，把問(wèn)題難度拔高一點(diǎn)，我們天生的遙感技能就不夠用了。比如，小李今天穿的白襯衫，是純棉的、真絲的還是化纖的呢？這要用手捻一下才知道，可這一伸手，就成了接觸式探測(cè)，不是遙感了。

怎么辦？我們可以請(qǐng)儀器來(lái)幫忙，觀測(cè)小李這件衣服的反射光譜。

這個(gè)詞是什么意思呢？當(dāng)光線照射到物體上時(shí)，有些波長(zhǎng)（顏色）的光會(huì)被吸收，有些會(huì)被反射，我們用不同的波長(zhǎng)去照射它，就會(huì)看到不同的亮度，把亮度隨波長(zhǎng)變化的曲線畫(huà)出來(lái)，就是反射光譜。

例如樹(shù)葉吸收紅光藍(lán)光，反射綠光，我們看到的綠色就是樹(shù)葉大致的反射光譜。借助儀器，這個(gè)光譜還可以更加精細(xì)，具體到波長(zhǎng)。如果在紅外波段觀察小李的白襯衫，不同的原料就會(huì)呈現(xiàn)不同的紅外光譜，我們就不用動(dòng)手捻一下了。

此外，一切物體都在輻射電磁波，冷的物體波長(zhǎng)較長(zhǎng)，熱的物體波長(zhǎng)較短，而且會(huì)隨著物質(zhì)構(gòu)成，呈現(xiàn)出特色的光譜分布。所以，通過(guò)觀測(cè)物體的輻射光譜，能夠判斷它的成分和溫度。比如大家眼前的手機(jī)，每個(gè)“白色”像點(diǎn)其實(shí)都只有紅綠藍(lán)三種顏色，而真正的陽(yáng)光，就從紅到紫一應(yīng)俱全。

液晶顯示屏的顯微圖，每個(gè)像點(diǎn)都由紅綠藍(lán)三色配比而成

了解了遙感的基本原理，接下來(lái)咱們就看看氣象衛(wèi)星是怎么做的。

氣象衛(wèi)星看什么

讓我們來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)氣象衛(wèi)星，我們會(huì)讓它看什么？怎么看？

既然是氣象衛(wèi)星，那么最起碼要能拍攝常見(jiàn)的可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖。這是最直觀的天氣表現(xiàn)，我們可以看到云的分布、厚薄，如果持續(xù)觀察，還能看到云的流動(dòng)。這些是普通大眾都能看明白甚至還能做點(diǎn)分析的數(shù)據(jù)，所以是必須實(shí)現(xiàn)、也比較容易實(shí)現(xiàn)的功能。

但是，僅僅可見(jiàn)光還是不夠。到了夜晚，地球的有一面陷入黑暗，用肉眼就看不清云了。所以，為了24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)天氣，我們還要增加夜視功能。我們前面說(shuō)過(guò)，一切物體都會(huì)發(fā)出輻射，在紅外甚至微波波段去觀察，就能看清楚夜晚的云。

風(fēng)云4A拍攝的云圖，左方是夜景，右方是晝景

這樣看來(lái)，好像很簡(jiǎn)單呢！那我們?cè)偕钊胝f(shuō)說(shuō)，我們能相信衛(wèi)星看到的景象嗎？它看到的云為什么不能是地面上的雪呢？如何與火山噴出的火山灰區(qū)分呢？夜晚看到的明亮的云，為什么不能是城市的燈光呢？

所以這里就用到了前面說(shuō)過(guò)的遙感原理，通過(guò)科學(xué)儀器的“眼睛”去做光譜分析，我們不但能看出物體的顏色，還可以知道它真實(shí)的溫度和構(gòu)成。

當(dāng)然，實(shí)際上，無(wú)論是可見(jiàn)光也好，紅外線也好，衛(wèi)星觀測(cè)到的都是復(fù)雜的疊加信號(hào)。例如，白天看到的云層，就是由云層反射的陽(yáng)光、云體自身發(fā)出的輻射、大地和大氣層背景輻射三部分疊加而成。這就需要專(zhuān)業(yè)人員設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的算法，把這三樣信號(hào)一一分離出來(lái)，從而得到準(zhǔn)確的信息。衛(wèi)星觀測(cè)到的云和大氣，不但具有形象輪廓，還有溫度濕度、高度分布、成分構(gòu)成、閃電雷暴等詳盡的信息。

氣象衛(wèi)星觀測(cè)到的種種數(shù)據(jù)，送回地面后，就由超級(jí)計(jì)算機(jī)接手，使用數(shù)值模式做出預(yù)報(bào)了。臺(tái)風(fēng)“卡努”的詭異舞步，就是因?yàn)楸蝗齻€(gè)高壓反氣旋夾在中間揉搓的結(jié)果。最終“卡努”的路徑和預(yù)報(bào)一致，正是氣象衛(wèi)星精準(zhǔn)觀測(cè)與超算數(shù)值模式通力合作的成果。

氣象衛(wèi)星只用來(lái)預(yù)報(bào)天氣嗎？

氣象衛(wèi)星的基本原理，決定了我們還可以把視線放寬、放遠(yuǎn)，用氣象衛(wèi)星去研究許許多多好玩的東西。

比如我們可以通過(guò)氣象衛(wèi)星去監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)。土壤的溫度和含水量都可以反映到光譜中，而且植被對(duì)光的反射光譜，在不同波長(zhǎng)上，可以分別反映葉綠素、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和含水量情況，不同的作物有各自的反射光譜。通過(guò)衛(wèi)星遙感，能夠判斷土壤狀況、作物種類(lèi)、作物長(zhǎng)勢(shì)、是否有病蟲(chóng)害。我們的“風(fēng)云”氣象衛(wèi)星就具有農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)功能，它們除了看云識(shí)天氣之外，更是農(nóng)業(yè)的守護(hù)星。

我們還可以使用氣象衛(wèi)星去監(jiān)測(cè)大氣碳含量。地面輻射透過(guò)大氣傳到衛(wèi)星的途中，一些波長(zhǎng)會(huì)被二氧化碳吸收。通過(guò)分析吸收譜，可以掌握全球各地的大氣碳含量，為節(jié)能減排、科學(xué)合理地設(shè)定碳排放目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。中國(guó)2022年發(fā)射的碳衛(wèi)星“句芒號(hào)”就是做這個(gè)業(yè)務(wù)的。

往遠(yuǎn)了說(shuō)，光譜分析不僅可以用在氣象衛(wèi)星上，我們還可以通過(guò)光譜分析去研究宇宙，去觀測(cè)研究其他行星的天氣，帶有這種功能的航天器，某種程度上可以算是“宇宙氣象衛(wèi)星了”。比如韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍到的這幅海王星的照片。左上角的海衛(wèi)一看起來(lái)完全壓倒了海王星的亮度，幾乎會(huì)被當(dāng)成一顆恒星。這是因?yàn)轫f布望遠(yuǎn)鏡在紅外波段觀測(cè)，海衛(wèi)一表面有豐富的水冰，對(duì)陽(yáng)光（包括紅外線）的反照率很高，而海王星大氣中的甲烷成分卻能吸收紅外線，所以整體就暗下來(lái)了。海王星表面的亮條和斑點(diǎn)，則是甲烷和水構(gòu)成的冰的高反射區(qū)，它們的分布勾勒出了海王星上的暴風(fēng)。

海衛(wèi)一和海王星

總結(jié)一下，氣象衛(wèi)星主要靠的是遙感技術(shù)來(lái)獲得各類(lèi)氣象數(shù)據(jù)，而氣象衛(wèi)星的遙感能力，也讓它們不僅能幫忙預(yù)報(bào)天氣，還能提供更多的幫助。最后，再次提醒大家，看到各種氣象預(yù)警，要及時(shí)做好準(zhǔn)備防災(zāi)減災(zāi)哦！

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