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撰文 / 謝正輝 陳思（中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

天有陰晴雨雪，海有潮起潮落，河有旱澇交替。關(guān)于氣象與水的規(guī)律和奧秘太多，但我們依然希望能將其一一掌握。中國人觀水治水的歷史十分悠久，先人靠智慧與勤勞摸索自然的規(guī)律，現(xiàn)在我們又得到科學(xué)技術(shù)的巨大助力。我們是如何利用衛(wèi)星在太空中摸清地球的水文規(guī)律的呢？一起看看吧。

氣象與水的牽絆

氣象是發(fā)生在天空中的風(fēng)、云、雨、雪、霜、露、虹、暈、閃電、打雷等一切大氣的物理現(xiàn)象,與水有著密切的聯(lián)系?！八?，萬物生”，淡水是我們的生命之源，但其中大部分分布在南極洲以及存儲于格陵蘭島的冰層、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?？衫玫牡Y源僅為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水旱災(zāi)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(jīng)蒸發(fā)、蒸騰作用傳遞至大氣，再由氣流的抬升、溫度降低等過程凝結(jié)后，以雨雪的形式降落至地表，流入江河湖泊到海洋，使得陸面和大氣之間的水循環(huán)構(gòu)成了全球大氣海洋陸地耦合系統(tǒng)。

氣象觀測有“天眼”

為了監(jiān)測全球水文氣象的變化，并把傳統(tǒng)的小尺度地表實(shí)際觀測得到的有限信息，擴(kuò)展到大尺度的全球范圍的時空信息，衛(wèi)星遙感技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。

氣象衛(wèi)星有如氣象學(xué)家放入太空的“天眼”，借助衛(wèi)星裝備的電視照相機(jī)、掃描輻射儀、紅外探測器與微波探測器等設(shè)備，可以監(jiān)測水體和周圍環(huán)境的電磁波輻射，晝夜不停地顯示水體分布，反映水文現(xiàn)象的時空變化，獲得全球大氣與地面溫度、濕度、密度、氣壓、風(fēng)、云、輻射等主要水文氣象要素，遠(yuǎn)程監(jiān)測洪水干旱、探測雪情冰災(zāi)，而不一定需要親自到現(xiàn)場。由此，衍生出了衛(wèi)星水文學(xué)，也就是應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)探測、收集、傳輸水文信息，研究水循環(huán)過程與水資源狀況及其變化的科學(xué)。

傳統(tǒng)的水文監(jiān)測技術(shù)尺度范圍較小，每次能測量到的信息十分有限。通過衛(wèi)星水文遙感技術(shù)，測量的尺度范圍將擴(kuò)大，甚至可以直接獲得全球范圍的空間信息，具有信息量大、可實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測以及信息傳遞迅速的巨大優(yōu)勢。

1960年，人類成功發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星泰羅斯1號（TIROS-1），雖然它的可用時間只有78天，但卻從太空中發(fā)送回了數(shù)萬張照片，對氣象科技的發(fā)展起到了十分重要的作用。

氣象變化都和水關(guān)系密切

冰川凍土中存有著地球上大部分淡水

高高在上看水文

衛(wèi)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，以及水體中的泥沙、礦物質(zhì)、氧化物等，還有地表不同的土壤、巖石、植被等下墊面條件，在可見光、近紅外、熱紅外、微波等波段上都具有獨(dú)特的光譜特性。由于各自性質(zhì)和所處環(huán)境不同，這些物質(zhì)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(biāo)物特性及其變化。

例如，在可見與近紅外波段，根據(jù)水體和周圍環(huán)境對不同波長的太陽光反射強(qiáng)度的差異，可以對水體進(jìn)行某一波段或多波段攝影，估算水體的形態(tài)和分布，并以此進(jìn)行流域水系勘測和制圖。通過比較不同時期的圖片，便可監(jiān)測水體變化和水系變遷。

在中、遠(yuǎn)紅外波段，根據(jù)水體和周圍環(huán)境的輻射強(qiáng)度，衛(wèi)星可以利用攜帶的紅外掃描儀或紅外輻射計(jì)等探測儀器獲得被研究水體的溫度分布，這種方法不論是在白天還是夜間都能進(jìn)行探測，可用于研究水體分布及熱狀況，探測土壤水和地下水狀態(tài)，以及水體污染監(jiān)測。

在微波波段，不同狀態(tài)下的水體，其表面的微波發(fā)射率會存在差異，利用這一點(diǎn)，微波輻射計(jì)和雷達(dá)等設(shè)備能取得水體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(fā)射的氣象衛(wèi)星泰羅斯1號（圖片來源/Wiki）

氣象衛(wèi)星拍攝的太平洋上的大氣涌動

監(jiān)測水文 探測冰雪

根據(jù)云的面積、反射率、云層溫度、地面微波亮度溫度（簡稱亮溫，用于表示物體的輻射特性）等衛(wèi)星影像信息，我們可以估算出降雨量，測定清澈透明的水體深度，探測泉水位置，描繪水系形態(tài)，海岸線變動等等。通過多光譜衛(wèi)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(tài)，以便監(jiān)測河口、湖泊泥沙淤積和河道變遷的狀況。利用衛(wèi)星影像還可以繪制出洪水淹沒范圍,確定其發(fā)展趨向,為抗洪救災(zāi)措施及時提供決策依據(jù)。

有了氣象衛(wèi)星，當(dāng)出現(xiàn)大范圍低溫、雨雪、冰凍等自然災(zāi)害時，它便可以根據(jù)遙感圖像繪制雪線和積雪范圍圖，利用溫度場和微波亮度溫度估算平原地區(qū)融雪的時間和速度，編制海洋浮冰圖，監(jiān)測浮冰聚集情況，評價(jià)江河湖泊冰情，進(jìn)行冰川編目，測定冰雪覆蓋范圍和厚度。

氣象衛(wèi)星所拍攝的夏至日時的東西半球

衛(wèi)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(wèi)星（GOSE-R）結(jié)構(gòu)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

近年來水污染事件頻發(fā)。根據(jù)衛(wèi)星遠(yuǎn)程獲得的多光譜和熱紅外信息，可以探測某些石油污染和監(jiān)測大面積漂浮植物，區(qū)分水的顏色與混濁度，并監(jiān)測環(huán)流形式、海洋漁類棲息地、水污染后果、水體營養(yǎng)水平，由此實(shí)現(xiàn)對水體污染的整體監(jiān)測。

另外，利用重力衛(wèi)星可以監(jiān)測全球陸地水儲量及地下水變化。地球系統(tǒng)質(zhì)量是不斷變化的，在季節(jié)和年際尺度上，變化的原因主要來自地球表層大氣、海洋、陸地各系統(tǒng)間的水質(zhì)量交換,如降雨、河流輸運(yùn)、水蒸發(fā)和冰川融化等。利用重力衛(wèi)星監(jiān)測到的地球重力場的變化，可以反演出全球尺度綜合水儲量的變化,由此實(shí)現(xiàn)對陸地水儲量的監(jiān)測，探明冰川和雪蓋的消融、水庫等地表水的變化以及海平面及環(huán)流狀況，還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)地下水監(jiān)測。

延伸閱讀：大展拳腳的衛(wèi)星水文監(jiān)測

衛(wèi)星水文技術(shù)不僅是氣象學(xué)家們的“科研利器”，在實(shí)際生活中也有著非常廣泛的應(yīng)用范圍：家中的飲用水情況、城市周圍江河湖泊的洪澇趨勢、漁場的污染情況……你我生活中的許多方面與之息息相關(guān)。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對于遙感衛(wèi)星空間分辨率的要求也越來越高。高分衛(wèi)星產(chǎn)品已被廣泛用于精確制圖、城市規(guī)劃、土地利用、環(huán)境監(jiān)測、地理信息服務(wù)等領(lǐng)域,成為國家基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源。

然而，如何利用好已發(fā)射的各類與水循環(huán)、水資源密切相關(guān)的遙感衛(wèi)星所提供的大量衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并根據(jù)其分析預(yù)測好未來全球及區(qū)域的水資源分布與水循環(huán)演變，建立對地球各圈層中水的全面認(rèn)識將是對未來氣象服務(wù)的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

美國上空的冬季風(fēng)暴（圖片來源/美國國家海洋和大氣管理局）

氣象衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)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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