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“风云”气象知多少
[ 发布时间:2020-03-23 ]   [ 字号: ]

  3月23日是第60个世界气象日,今年的主题是气候与水。气候是我们赖以生存的自然环境,它像一个调皮的魔术师,变换着世间的阴晴雨雪、四季冷暖,总能带来令人称奇的风云变化。

  观测天气气候变化,是人类最早从事的科学活动之一。在中国历史上,很早就有关于气象观测的记录。相传我国在黄帝时代,就设有专人从事气候观测。殷商时期甲骨文的卜辞中不但有天文、气象等方面的观测文字,还有预测天气的记载。汉代开始出现候风綄、铜凤凰等测风工具,明清时期已经建有专门的“观象台”进行较为专业的天文和气候观测。

  到了现代,随着科技的发展,人类用于气象观测的手段也越来越多。水母耳、探空气球、气象雷达的应用让人类对于各类气象变化及时作出应对措施。然而,这些手段依然无法做到对气象观测的全覆盖。

  如何提前对天气变化进行预判,让偏远海区的台风“无处藏身”,如何对海表水温、植被覆盖情况“了然于胸”,如何及时将森林草原火灾“扼杀在摇篮中”……这一切就需要气象卫星来显“神威”了。

  我们知道,整个地球都被大气包围着,这些大气影响着地球上的天气变化。“站得高才能看得远”。气象卫星就是从地球上空对地球及其大气层进行气象观测的遥感卫星。气象卫星带有各种气象遥感器,包括多通道高分辨率扫描辐射计、高分辨率红外分光计、微波辐射计等,能够接受和测量地球和大气层的可见光、红外、微波的辐射和反射,并将它们转换成电信号发送回地面,地面站对卫星送回的原始数据进行计算和处理后,得出各种气象信息资料。时至今日,气象卫星已成为现代气候观测不可或缺的一项重要手段。

  一、气象卫星的分类

  气象卫星分为哪几类?这要从卫星的分类说起。

  卫星按照运行轨道进行区分,有低轨道卫星、中高轨道卫星、地球同步轨道卫星、地球静止轨道卫星、太阳同步轨道卫星、大椭圆轨道卫星和极轨道卫星。

  气象卫星根据观测需要,目前主要分为静止气象卫星和极轨气象卫星两大类。静止气象卫星的运行轨道为地球同步轨道(包括地球静止轨道),极轨气象卫星的运行轨道为太阳同步轨道(近极地太阳同步卫星轨道)。

  要注意的是,其实地球静止轨道与地球同步轨道仍有少许区别。

  地球同步轨道又称24小时轨道,是轨道周期与地球自转周期(23小时56分钟4秒)相同的顺行人造地球卫星轨道。而其中轨道倾角为0°,轨道高度大约3万6千公里(35786千米)的轨道,称为地球静止轨道。

  在地球静止轨道上运行的卫星其星下点轨迹是赤道上的一点,在地面上的人看来是静止不动的,所以称为地球静止轨道卫星。静止气象卫星就是运行在地球静止轨道上用于气象观测的人造卫星。由于全球只有一条,所以地球静止轨道资源十分紧张。

  提到太阳同步轨道,大家或许会在在脑海里浮现出这样的问题:类比地球同步轨道,是不是太阳同步轨道就是卫星与太阳同步呢?难道是绕着太阳转的人造地球卫星吗?

  要是这么想,你可就大错特错了。

  首要要明确一个概念。人造卫星是环绕地球在空间轨道上运行(至少一周)的无人航天器。

  之所以称之为太阳同步卫星,其实并不是卫星与太阳同步,而是这颗卫星运行在太阳照耀地球同步的轨道上。太阳同步轨道指轨道绕地球自转轴旋转的方向与地球公转方向相同、旋转角速度等于地球公转的平均角速度(卫星轨道每天向东进动0.9856°,保持轻微的逆转)的人造地球卫星轨道。轨道倾角(轨道平面与赤道平面的夹角)接近90°(小于100°),高度在500-1000公里之间。简单来说,就是在运行中每一条轨道都要经过地球南北两极附近上空,因此又称之为近极地太阳同步卫星轨道。而倾角为90°的轨道,则称为极轨道。

  在太阳同步轨道上运行的卫星,从相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的。例如,卫星最初由南向北(升段)经过北纬40°上空的时间是当地时间早上8点,以后升段进过北纬40°的时间就都是当地时间早上8点。这样的轨道保证了卫星以固定的地方时观测地球大气,拍摄的图像拥有同样的可见光或者红外光的光源条件。对获取可用的资料、数据的接收、轨道的计算等都十分方便。
  
  二、两类卫星的优劣性

  静止气象卫星和极轨气象卫星各有其优越性,在应用上,这两种卫星是互补的。

  静止气象卫星由于距地球比较远,可以观测到东经45°到165°、南北纬各60°范围内的地区,相当于地球上1/4到1/3的范围,也就是说,等距离设置3颗地球静止轨道气象卫星,就可以监测全球的气象变化。由于它相对于地球上的地面接收点是静止的,所以它可以对有效观测范围内的某一地区或某一天气现象进行持续的监测,能监测到那些变化快、生命史短的中小尺度的天气系统。而且,静止地球气象卫星观测的时次可根据需要进行控制,如可以每小时观测一次,也可以每半小时观测一次,所以能有效地监测到中低纬度地区的气旋、台风等的生成、发展等情况。像监测龙卷风、台风这种发展快、持续时间短而危害又比较大的灾害性天气系统,就非它莫属了。

  风云极轨气象卫星绕地球一周大约要102分钟,一个回归周期大约是4-7天,它可以观测整个地球的天气系统演变,监测自然灾害、地形地貌和生态变化,每天可以获得一次全球资料。但是它相对于静止气象卫星而言,观测的频次低,对于地球同一地点一天只能观测到两次。

  静止气象卫星属于高轨道气象卫星,站得高看得远,而极轨气象卫星属于低轨道气象卫星,离得近看得更清,相同分辨率的探测仪器,成像更加清楚。

  地球静止轨道卫星可以对目标区域进行连续气象观测,极轨气象卫星可以获得全球气象信息,两种类型的卫星相互补充,协同观测,形成了1+1>2的气象观测效果。

  三、我国的气象卫星

  我国的气象卫星是以极轨和静止两个系列并存而发展的。气象卫星以“风云”命名,用单、双数来区别是极轨卫星还是静止卫星。单数为极轨气象卫星(跨越地球的南北极转),第一代极轨气象卫星命名为风云一号,第二代极轨气象卫星命名为风云三号;双数为静止气象卫星(和地球自转保持同步相对于地面静止不动)。第一代静止气象卫星命名为风云二号,第二代静止气象卫星命名为风云四号。

  在研制期间,用数字01、02、03等命名同一代卫星中先后研制的卫星。待在轨运行后,用英文字母A、B、C等命名同一代卫星中先后发射的卫星。

  例如,第二代极轨气象卫星中的第一颗星在研制期间命名“风云三号”01星,在轨运行后命名为“风云三号”A星,代号为FY·3A。

  经过几十年的发展,中国已成功发射17颗风云气象卫星。目前8颗卫星在轨运行(包括4颗静止气象卫星和4颗极轨气象卫星),静止轨道卫星形成“多星在轨、统筹运行、在轨备份、适时加密”的业务格局,极轨卫星形成上、下午星组网观测,可对全球和区域范围内的极端天气、气候和环境事件进行及时高效观测,成为国产卫星中应用最好、定量化水平最强的卫星,被世界气象组织纳入全球业务应用气象卫星序列,是全球综合观测系统的重要成员,也是空间和重大灾害国际宪章机制的值班卫星。

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