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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)值模擬國家重點實驗室）

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。“水之至，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)的小尺度地表實際觀測得到的有限信息，擴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、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)境的輻射強度，衛(wèi)星可以利用攜帶的紅外掃描儀或紅外輻射計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，微波輻射計和雷達(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、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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