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撰文 / 謝正輝 陳思（中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體(ti) 力學數值模擬國家重點實驗室）

天有陰晴雨雪，海有潮起潮落，河有旱澇交替。關(guan) 於(yu) 氣象與(yu) 水的規律和奧秘太多，但我們(men) 依然希望能將其一一掌握。中國人觀水治水的曆史十分悠久，先人靠智慧與(yu) 勤勞摸索自然的規律，現在我們(men) 又得到科學技術的巨大助力。我們(men) 是如何利用衛星在太空中摸清地球的水文規律的呢？一起看看吧。

氣象與(yu) 水的牽絆

氣象是發生在天空中的風、雲(yun) 、雨、雪、霜、露、虹、暈、閃電、打雷等一切大氣的物理現象,與(yu) 水有著密切的聯係。“水之至，萬(wan) 物生”，淡水是我們(men) 的生命之源，但其中大部分分布在南極洲以及存儲(chu) 於(yu) 格陵蘭(lan) 島的冰層、高山冰川和永久凍土冰層中，還有難以直接利用的土壤水分、深層地下水。可利用的淡水資源僅(jin) 為(wei) 江河湖泊和地下水中的一部分。

水具有較大的時空變異性，過多或過少都可成為(wei) 水旱災害。土壤水、地表水、地下水受氣候條件、植被地形、以及人類活動的影響，借助太陽輻射帶來的能量，經蒸發、蒸騰作用傳(chuan) 遞至大氣，再由氣流的抬升、溫度降低等過程凝結後，以雨雪的形式降落至地表，流入江河湖泊到海洋，使得陸麵和大氣之間的水循環構成了全球大氣海洋陸地耦合係統。

氣象觀測有“天眼”

為(wei) 了監測全球水文氣象的變化，並把傳(chuan) 統的小尺度地表實際觀測得到的有限信息，擴展到大尺度的全球範圍的時空信息，衛星遙感技術便應運而生。

氣象衛星有如氣象學家放入太空的“天眼”，借助衛星裝備的電視照相機、掃描輻射儀(yi) 、紅外探測器與(yu) 微波探測器等設備，可以監測水體(ti) 和周圍環境的電磁波輻射，晝夜不停地顯示水體(ti) 分布，反映水文現象的時空變化，獲得全球大氣與(yu) 地麵溫度、濕度、密度、氣壓、風、雲(yun) 、輻射等主要水文氣象要素，遠程監測洪水幹旱、探測雪情冰災，而不一定需要親(qin) 自到現場。由此，衍生出了衛星水文學，也就是應用衛星技術探測、收集、傳(chuan) 輸水文信息，研究水循環過程與(yu) 水資源狀況及其變化的科學。

傳(chuan) 統的水文監測技術尺度範圍較小，每次能測量到的信息十分有限。通過衛星水文遙感技術，測量的尺度範圍將擴大，甚至可以直接獲得全球範圍的空間信息，具有信息量大、可實現動態監測以及信息傳(chuan) 遞迅速的巨大優(you) 勢。

1960年，人類成功發射了第一顆氣象衛星泰羅斯1號（TIROS-1），雖然它的可用時間隻有78天，但卻從(cong) 太空中發送回了數萬(wan) 張照片，對氣象科技的發展起到了十分重要的作用。

氣象變化都和水關(guan) 係密切

冰川凍土中存有著地球上大部分淡水

高高在上看水文

衛星高高在上，究竟是如何“看到”地球水文狀況的呢？原來，不同的水體(ti) ，以及水體(ti) 中的泥沙、礦物質、氧化物等，還有地表不同的土壤、岩石、植被等下墊麵條件，在可見光、近紅外、熱紅外、微波等波段上都具有獨特的光譜特性。由於(yu) 各自性質和所處環境不同，這些物質所具有的輻射、反射和吸收電磁波的能力也不同。探測和分析這些電磁波信息，便能識別目標物特性及其變化。

例如，在可見與(yu) 近紅外波段，根據水體(ti) 和周圍環境對不同波長的太陽光反射強度的差異，可以對水體(ti) 進行某一波段或多波段攝影，估算水體(ti) 的形態和分布，並以此進行流域水係勘測和製圖。通過比較不同時期的圖片，便可監測水體(ti) 變化和水係變遷。

在中、遠紅外波段，根據水體(ti) 和周圍環境的輻射強度，衛星可以利用攜帶的紅外掃描儀(yi) 或紅外輻射計等探測儀(yi) 器獲得被研究水體(ti) 的溫度分布，這種方法不論是在白天還是夜間都能進行探測，可用於(yu) 研究水體(ti) 分布及熱狀況，探測土壤水和地下水狀態，以及水體(ti) 汙染監測。

在微波波段，不同狀態下的水體(ti) ，其表麵的微波發射率會(hui) 存在差異，利用這一點，微波輻射計和雷達等設備能取得水體(ti) 及某些水文要素的信息，可以用來探測土壤水分、水土流失和河流管理。

世界上第一顆成功發射的氣象衛星泰羅斯1號（圖片來源/Wiki）

氣象衛星拍攝的太平洋上的大氣湧動

監測水文 探測冰雪

根據雲(yun) 的麵積、反射率、雲(yun) 層溫度、地麵微波亮度溫度（簡稱亮溫，用於(yu) 表示物體(ti) 的輻射特性）等衛星影像信息，我們(men) 可以估算出降雨量，測定清澈透明的水體(ti) 深度，探測泉水位置，描繪水係形態，海岸線變動等等。通過多光譜衛星影像，足不出戶就能得知河流、湖泊和沼澤的分布、大小及形態，以便監測河口、湖泊泥沙淤積和河道變遷的狀況。利用衛星影像還可以繪製出洪水淹沒範圍,確定其發展趨向,為(wei) 抗洪救災措施及時提供決(jue) 策依據。

有了氣象衛星，當出現大範圍低溫、雨雪、冰凍等自然災害時，它便可以根據遙感圖像繪製雪線和積雪範圍圖，利用溫度場和微波亮度溫度估算平原地區融雪的時間和速度，編製海洋浮冰圖，監測浮冰聚集情況，評價(jia) 江河湖泊冰情，進行冰川編目，測定冰雪覆蓋範圍和厚度。

氣象衛星所拍攝的夏至日時的東(dong) 西半球

衛星紅外線圖像（圖片來源/美國國家海洋和大氣管理局）

氣象衛星（GOSE-R）結構圖（圖片來源/美國國家海洋和大氣管理局/美國國家航空航天局）

水啊，你是多是少，是否安好

近年來水汙染事件頻發。根據衛星遠程獲得的多光譜和熱紅外信息，可以探測某些石油汙染和監測大麵積漂浮植物，區分水的顏色與(yu) 混濁度，並監測環流形式、海洋漁類棲息地、水汙染後果、水體(ti) 營養(yang) 水平，由此實現對水體(ti) 汙染的整體(ti) 監測。

另外，利用重力衛星可以監測全球陸地水儲(chu) 量及地下水變化。地球係統質量是不斷變化的，在季節和年際尺度上，變化的原因主要來自地球表層大氣、海洋、陸地各係統間的水質量交換,如降雨、河流輸運、水蒸發和冰川融化等。利用重力衛星監測到的地球重力場的變化，可以反演出全球尺度綜合水儲(chu) 量的變化,由此實現對陸地水儲(chu) 量的監測，探明冰川和雪蓋的消融、水庫等地表水的變化以及海平麵及環流狀況，還可以進一步實現地下水監測。

延伸閱讀：大展拳腳的衛星水文監測

衛星水文技術不僅(jin) 是氣象學家們(men) 的“科研利器”，在實際生活中也有著非常廣泛的應用範圍：家中的飲用水情況、城市周圍江河湖泊的洪澇趨勢、漁場的汙染情況……你我生活中的許多方麵與(yu) 之息息相關(guan) 。

隨著社會(hui) 經濟的發展，人類對於(yu) 遙感衛星空間分辨率的要求也越來越高。高分衛星產(chan) 品已被廣泛用於(yu) 精確製圖、城市規劃、土地利用、環境監測、地理信息服務等領域,成為(wei) 國家基礎性、戰略性資源。

然而，如何利用好已發射的各類與(yu) 水循環、水資源密切相關(guan) 的遙感衛星所提供的大量衛星數據，並根據其分析預測好未來全球及區域的水資源分布與(yu) 水循環演變，建立對地球各圈層中水的全麵認識將是對未來氣象服務的一項挑戰。

美國上空的冬季風暴（圖片來源/美國國家海洋和大氣管理局）

氣象衛星發現了三起野火（圖片來源/美國國家海洋和大氣管理局）

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