专业科普：世界气象日，带你了解气象遥感

       今天是第六十个世界气象日。1947年9月-10月，45个国家的气象局局长在美国华盛顿开会，决定成立世界气象组织，并通过了《世界气象组织公约》。公约规定，当第30份批准《世界气象组织公约》的批准书提交后的第30天，即为《世界气象组织公约》正式生效之日。

       1950年2月21日，伊拉克政府提交了第30份批准书，1950年3月23日《世界气象组织公约》正式生效，标志着世界气象组织正式诞生。为纪念这一特殊的日子，1960年6月，世界气象组织执委会第20届会议决定，把3月23日定为“世界气象日”。今年世界气象日的主题为“气候与水”('Climate & Water')。

       遥感借助辐射测量技术，通过科学算法反演出能够准确反映大气、陆地和海洋状态的各种物理和生态参量，遥感技术在天气气候、大气监测、灾害监测等方面称为气象遥感，气象遥感已经在重大气象有关防灾减灾工作中得到验证。

       气象遥感主要通过气象卫星，气象雷达，无人机等平台，借助辐射测量技术，通过科学的算法反演出能够准确反映大气、陆地和海洋状态的各种物理和生态参量，从而向人们传递相关有用的信息。

       在卫星上携带有各种气象观测仪器，测量诸如大气温度、湿度、风、云等气象要素以及各种天气现象，这种专门用于气象目的的卫星称做气象卫星。我国的气象卫星主要是“风云卫星”系列。

       气象卫星的类型主要有“极地太阳同步轨道卫星，静止气象卫星或地球同步气象卫星”两大类。

       气象卫星从空间观测地球大气系统，作为新型的气象探测平台，经多年来的实践发现它与地面观测和其它观测相比较，有许多优点，并能实现常规探测无法进行的观测：

       气象卫星在固定轨道上对地球大气进行观测；

       气象卫星实现全球和大范围观测；

       在空间自上向下观测；

       气象卫星采用遥感探测方式。

       雷达（Radar）是利用目标物物对发射的电磁辐射反射，探测目标物方位和距离的无线电工具，又名为无线电定位，用于气象探测目的雷达称为气象雷达，目前在气象台站业务中的气象雷达主要是测降水分布，这种用于测量降水的雷达称为测雨雷达，是首先用于气象的地对空的遥感仪器。

       气象雷达多为脉冲雷达，它以一定的重复频率发射出持续时间很短（ 0.25～4 微秒）的脉冲波,然后接收被降水粒子散射回来的回波脉冲。降水对雷达发射波的散射和吸收同雨滴谱、雨强、降水粒子的相态、冰晶粒子的形状和取向等特性有关（见云和降水粒子的微波散射、云和降水粒子的微波吸收）。因此，分析和判定降水回波，可以确定降水的各种宏观特性和微物理特性。在降水回波功率和降水强度之间已建立有各种理论和经验的关系式，利用这些关系，可以根据回波功率测定雷达探测范围内的降水强度分布和总降水量。

       气象雷达有以下几类：

       1、天气雷达

       2、脉冲多普勒雷达

       3、双偏振多普勒雷达

       4、激光雷达

       5、风廓线雷达

       6、雷达高度计

       7、散射计

       8、合成孔径雷达

       无人气象飞机可装载遥感设备对温度、湿度、压强等气象参数进行遥感测定, 而且这方面的研究取得了一定的成果。美国在20世纪60年代就开始采用名为Com pass Cope 的遥控飞行器(RPV)即无人机代替气象飞机 WC -130 作为空中气象侦查平台通过 1970 年到 1974 年 5 年的飞行试验,认为无人机有诸多优点可以代替气象卫星。

       在世界气象组织(WMO)大气探测委员会和国际科学联盟理事会支持下,国外提出了微型无人驾驶探空飞机发展计划。中国气象局也将微型无人驾驶飞机探空的研究工作列入“八五”计划。

       无人机具有“技术先进、操作简单易学、成本低廉、测量精度高，且审批手续简单”等优势。因此在气象监测中，无人机正好弥补传统气象监测手段的不足,以其成本低、机动灵活、反应快速的特点,为气象监测增加有效监测手段。

       遥感在气象中的应用主要有三大方面：气候预报，大气监测以及灾害监测。

       卫星可见光云图可以监测热带气旋以及云团的移动趋势，一般白色表示太阳光反射强，灰黑的地方表示反射较弱。一般陆地表现为灰色，海洋表现为黑色，而冰雪和深厚云系覆盖的地区一般呈白色。用红外探测器可以计算各地晴空大气温度和湿度的铅直分布。微波辐射仪，可以探测云上和云下的大气温度和湿度的分布，以及云中含水总量和雨强的分布。

       遥感对大雾监测也非常有效，通过卫星遥感，实时监测各地雾情的变化，便于发出天气预警和作出决策。利用卫星遥感监测大雾具有及时、宏观的明显优势。图像纹理信息反映了图像的灰度性质及其空间关系。通过对雾的成因、辐射特性、雾遥感基本原理的阐述，结合中国FY-1D美/国NOAA系列极轨卫星资料通道特点，分析雾的图像纹理信息，并依据雾在可见光波段和中红外波段与云类不同的光谱特性，选用不同的光谱通道进行大雾监测。

       气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。遥感可以对气溶胶监测从而对气候做分析，监测气溶胶的厚度、浓度、成分、属性等信息。气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。

       卫星遥感气溶胶的研究始于20世纪60年代，随着新型卫星传感器的不断研制和发射成功，越来越多的卫星传感器开始适用于大气气溶胶的探测，也出现了多种实用气溶胶遥感反演算法。

       通过遥感手段可以获取地表蒸发量、作物表面温度、土壤热容量、土壤水分含量、植物水分胁迫及叶片含水量等 , 对作物生长的土壤含水状况、作物缺水或供水状况、植被指数等指标所反映的作物生长状况的分析 ,间接或直接地对作物旱情进行研究。

       比较成熟的遥感旱情监测模型有：植被指数模型、热惯量模型、作物缺水指数模型、植被指数与地表温度特征空间模型、微波模型、水文模型和气象模型等。

       研究表明,我国区域的沙尘暴与某些低云亮温接近，但反射率不同。西北某些裸露地表与沙尘暴反射率接近，但其亮温却不同。所以，沙尘暴的监测就是利用其与云系、地表反射率及辐射率的差异进行的。利用可见光和红外多光谱卫星通道信息判别沙尘暴仍是较好的方法之一，而夜间还难以进行沙尘暴的观测。

       加强台风的监测和预报，是减轻台风灾害的重要的措施。对台风的探测主要是利用气象卫星。在卫星云图上，能清晰地看见台风的存在和大小。利用气象卫星资料，可以确定台风中心的位置，估计台风强度，监测台风移动方向和速度，以及狂风暴雨出现的地区等，对防止和减轻台风灾害起着关键作用。

       当台风到达近海时，还可用雷达监测台风动向。建立城市的预警系统，提高应急能力，建立应急响应机制。气象台的预报员根据所得到的各种资料，分析台风的动向，登陆的地点和时间，及时发布台风预报，台风紧报或紧急警报。