揭秘风云四号卫星如何获取高光谱大气探测数据

大气辐射亮温垂直分布动态图。来源：国家卫星气象中心

　　干涉式大气垂直探测仪是国际上第一台在静止轨道上以红外高光谱干涉分光方式探测大气垂直结构的精密遥感仪器。通过该探测仪，我们成功获取了全球首幅静止轨道地球大气高光谱图。作为第一次露出真容的大气高光谱图，应该如何解读图像和展开数据应用呢?这非常值得探析。

　　探什么?

　　很多人都知道“探空”：气球带着测量仪器从地面不断升高，包含温度、湿度等传感器，边上升边测量并把数据传回给地面跟踪和接收雷达。这好比用温度计，在一个高度上量一下，在下一个高度上再量一下。它能把大气的温湿度测量得非常准确，本质上属于直接测量，一般测量高度为30公里，能够对对流层和平流层在各垂直高度上进行测量。

　　地面探空近乎直接测量，其精度很高。但是，这些探空站在海洋上是没有的，而陆地上也只能在约200×200公里设置一个，一般每天全球统一在世界时00时和12时两个固定时间进行两次探空。

　　怎么探?

　　大气结构是三维的，又是随着时间快速变化的。由于探空站在地理、空间分布密度和观测频次上的局限性，其探测数据无法支撑快速发展的数值天气预报模式。

　　探测大气三维结构的方法除了地面探空外，天基(卫星)红外和微波被动探测已经成为国际主流。在卫星上进行大气温湿度三维结构探测的优势在于可以全球覆盖，而静止气象卫星的优势在于获得高频次的观测数据。

　　在卫星上利用红外遥感怎么测大气三维结构呢?进行三维大气温度湿度探测，主要基于光谱通道选择。比如，选择大气混合比稳定的二氧化碳红外吸收带，探测大气的温度廓线;选择水汽红外吸收带探测大气的湿度廓线。不同的二氧化碳吸收通道探测到的红外辐射主要来自于特定的高度层，对该高度的大气温度变化敏感，利用此原理可以获得大气的温度垂直分布信息。同样，不同的水汽吸收通道对不同高度层的大气湿度变化敏感，从而可以获得大气的湿度垂直分布信息。

　　要满足数值预报对大气探测精度的要求，在技术上高光谱红外探测是必选的技术途径。高光谱探测的优势在于探测通道的光谱分辨率越高，即通道的权重函数越窄，受到的臭氧、水汽等其它吸收气体的污染就越小，对特定高度层的敏感程度也越高，不仅提高了大气温湿度探测精度，而且也提高了大气探测的垂直分辨能力。

　　“风云四号”干涉式大气垂直探测仪采用迈克尔逊干涉分光的方式实现大气红外高光谱探测，可以获取高频次区域晴空和云顶以上的大气三维结构。

　　那么，云内部和云底以下大气怎么实现高频次探测呢?这就需要气象人期盼的“风云四号”微波星在未来发挥其功效。

　　怎么用?

　　国际上没有利用静止轨道高光谱大气探测数据的成功先例，我国气象应用势必要经过从试用到业务应用的过程，特别是要根据应用需求(观测精度、区域范围和观测频次等)来确定仪器观测模式，需要应用部门和地面应用系统鼎力合作。

　　干涉式红外大气探测仪数据主要的应用包括以下几个方面：该仪器具有对我国及周边地区1小时一次、间隔仅16公里的密集的大气温湿分布垂直探测能力，其探测数据可以同化到全球和区域数值预报模式，改进数值预报初始场，特别是像海洋上等缺少常规探空观测的区域，对于提高预报的精细化能力起到促进作用;利用该仪器反演得到大气不稳定指数，可以提前数小时有效监测到暴雨系统发生前环境条件的变化，在还是晴朗无云的大气中提前发现极端天气的蛛丝马迹，直接提供给预报员进行天气分析和预报;可以对小尺度强对流天气系统进行高频次探测，直接服务于短临天气预报预警。

　　怎么读?

　　干涉式大气垂直探测仪有超过1600个探测通道，不同高度的大气对不同探测通道的红外辐射贡献存在差异。根据这些差异可以反演出大气温度、湿度的三维结构。下图所示为选取该仪器观测到的7个长波红外通道在权重高度的红外辐射亮温垂直分布图。