天有不测风云? 三分钟，带你揭开“气象万千”的神秘面纱

撰文 / 谢正辉 陈思（中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室）

天有阴晴雨雪，海有潮起潮落，河有旱涝交替。关于气象与水的规律和奥秘太多，但我们依然希望能将其一一掌握。中国人观水治水的历史十分悠久，先人靠智慧与勤劳摸索自然的规律，现在我们又得到科学技术的巨大助力。我们是如何利用卫星在太空中摸清地球的水文规律的呢？一起看看吧。

气象与水的牵绊

气象是发生在天空中的风、云、雨、雪、霜、露、虹、晕、闪电、打雷等一切大气的物理现象,与水有着密切的联系。“水之至，万物生”，淡水是我们的生命之源，但其中大部分分布在南极洲以及存储于格陵兰岛的冰层、高山冰川和永久冻土冰层中，还有难以直接利用的土壤水分、深层地下水。可利用的淡水资源仅为江河湖泊和地下水中的一部分。

水具有较大的时空变异性，过多或过少都可成为水旱灾害。土壤水、地表水、地下水受气候条件、植被地形、以及人类活动的影响，借助太阳辐射带来的能量，经蒸发、蒸腾作用传递至大气，再由气流的抬升、温度降低等过程凝结后，以雨雪的形式降落至地表，流入江河湖泊到海洋，使得陆面和大气之间的水循环构成了全球大气海洋陆地耦合系统。

气象观测有“天眼”

为了监测全球水文气象的变化，并把传统的小尺度地表实际观测得到的有限信息，扩展到大尺度的全球范围的时空信息，卫星遥感技术便应运而生。

气象卫星有如气象学家放入太空的“天眼”，借助卫星装备的电视照相机、扫描辐射仪、红外探测器与微波探测器等设备，可以监测水体和周围环境的电磁波辐射，昼夜不停地显示水体分布，反映水文现象的时空变化，获得全球大气与地面温度、湿度、密度、气压、风、云、辐射等主要水文气象要素，远程监测洪水干旱、探测雪情冰灾，而不一定需要亲自到现场。由此，衍生出了卫星水文学，也就是应用卫星技术探测、收集、传输水文信息，研究水循环过程与水资源状况及其变化的科学。

传统的水文监测技术尺度范围较小，每次能测量到的信息十分有限。通过卫星水文遥感技术，测量的尺度范围将扩大，甚至可以直接获得全球范围的空间信息，具有信息量大、可实现动态监测以及信息传递迅速的巨大优势。

1960年，人类成功发射了第一颗气象卫星泰罗斯1号（TIROS-1），虽然它的可用时间只有78天，但却从太空中发送回了数万张照片，对气象科技的发展起到了十分重要的作用。

气象变化都和水关系密切

冰川冻土中存有着地球上大部分淡水

高高在上看水文

卫星高高在上，究竟是如何“看到”地球水文状况的呢？原来，不同的水体，以及水体中的泥沙、矿物质、氧化物等，还有地表不同的土壤、岩石、植被等下垫面条件，在可见光、近红外、热红外、微波等波段上都具有独特的光谱特性。由于各自性质和所处环境不同，这些物质所具有的辐射、反射和吸收电磁波的能力也不同。探测和分析这些电磁波信息，便能识别目标物特性及其变化。

例如，在可见与近红外波段，根据水体和周围环境对不同波长的太阳光反射强度的差异，可以对水体进行某一波段或多波段摄影，估算水体的形态和分布，并以此进行流域水系勘测和制图。通过比较不同时期的图片，便可监测水体变化和水系变迁。

在中、远红外波段，根据水体和周围环境的辐射强度，卫星可以利用携带的红外扫描仪或红外辐射计等探测仪器获得被研究水体的温度分布，这种方法不论是在白天还是夜间都能进行探测，可用于研究水体分布及热状况，探测土壤水和地下水状态，以及水体污染监测。

在微波波段，不同状态下的水体，其表面的微波发射率会存在差异，利用这一点，微波辐射计和雷达等设备能取得水体及某些水文要素的信息，可以用来探测土壤水分、水土流失和河流管理。

世界上第一颗成功发射的气象卫星泰罗斯1号（图片来源/Wiki）

气象卫星拍摄的太平洋上的大气涌动

监测水文 探测冰雪

根据云的面积、反射率、云层温度、地面微波亮度温度（简称亮温，用于表示物体的辐射特性）等卫星影像信息，我们可以估算出降雨量，测定清澈透明的水体深度，探测泉水位置，描绘水系形态，海岸线变动等等。通过多光谱卫星影像，足不出户就能得知河流、湖泊和沼泽的分布、大小及形态，以便监测河口、湖泊泥沙淤积和河道变迁的状况。利用卫星影像还可以绘制出洪水淹没范围,确定其发展趋向,为抗洪救灾措施及时提供决策依据。

有了气象卫星，当出现大范围低温、雨雪、冰冻等自然灾害时，它便可以根据遥感图像绘制雪线和积雪范围图，利用温度场和微波亮度温度估算平原地区融雪的时间和速度，编制海洋浮冰图，监测浮冰聚集情况，评价江河湖泊冰情，进行冰川编目，测定冰雪覆盖范围和厚度。

气象卫星所拍摄的夏至日时的东西半球

卫星红外线图像（图片来源/美国国家海洋和大气管理局）

气象卫星（GOSE-R）结构图（图片来源/美国国家海洋和大气管理局/美国国家航空航天局）

水啊，你是多是少，是否安好

近年来水污染事件频发。根据卫星远程获得的多光谱和热红外信息，可以探测某些石油污染和监测大面积漂浮植物，区分水的颜色与混浊度，并监测环流形式、海洋渔类栖息地、水污染后果、水体营养水平，由此实现对水体污染的整体监测。

另外，利用重力卫星可以监测全球陆地水储量及地下水变化。地球系统质量是不断变化的，在季节和年际尺度上，变化的原因主要来自地球表层大气、海洋、陆地各系统间的水质量交换,如降雨、河流输运、水蒸发和冰川融化等。利用重力卫星监测到的地球重力场的变化，可以反演出全球尺度综合水储量的变化,由此实现对陆地水储量的监测，探明冰川和雪盖的消融、水库等地表水的变化以及海平面及环流状况，还可以进一步实现地下水监测。

延伸阅读：大展拳脚的卫星水文监测

卫星水文技术不仅是气象学家们的“科研利器”，在实际生活中也有着非常广泛的应用范围：家中的饮用水情况、城市周围江河湖泊的洪涝趋势、渔场的污染情况……你我生活中的许多方面与之息息相关。

随着社会经济的发展，人类对于遥感卫星空间分辨率的要求也越来越高。高分卫星产品已被广泛用于精确制图、城市规划、土地利用、环境监测、地理信息服务等领域,成为国家基础性、战略性资源。

然而，如何利用好已发射的各类与水循环、水资源密切相关的遥感卫星所提供的大量卫星数据，并根据其分析预测好未来全球及区域的水资源分布与水循环演变，建立对地球各圈层中水的全面认识将是对未来气象服务的一项挑战。

美国上空的冬季风暴（图片来源/美国国家海洋和大气管理局）

气象卫星发现了三起野火（图片来源/美国国家海洋和大气管理局）