導讀
以前人們說起氣象衛(wèi)星的作用，最愛打的比方是“在天上給地球拍照片”；說起衛(wèi)星氣象產(chǎn)品，通俗解釋就是“看圖說話”。但是隨著科學技術(shù)的發(fā)展，今后衛(wèi)星不僅可以獲取地球表面和大氣中較大目標的影像，而且可以對大氣中某些肉眼所觀測不到的物質(zhì)進行定量探測，例如霾的監(jiān)測。在衛(wèi)星產(chǎn)品圖上，霧和霾將區(qū)分得更加清楚，相關(guān)氣象預報預警也將更有數(shù)據(jù)依據(jù)。
精彩觀點
“未來三到五年，我國將成為世界上具備溫室氣體探測最多衛(wèi)星的國家。”
“今后的衛(wèi)星可以做到定量探測，不再單純是看到一個影像?！?/p>
本期專家
張興贏：國家衛(wèi)星氣象中心衛(wèi)星氣象研究所副所長
張恒德：中央氣象臺預報室高級工程師
訪談實錄
衛(wèi)星監(jiān)測霾取得質(zhì)的飛躍
國家衛(wèi)星氣象中心衛(wèi)星氣象研究所副所長張興贏眼中的霾跟普通人不太一樣?！拔已矍暗啮埠蜌馊苣z不單是所看見到的灰蒙蒙一片，在我腦海里浮現(xiàn)出來的是氣溶膠中的化學成分以及每個細顆粒物的形狀”，說話時，他腦海里也一定閃現(xiàn)出那些細微顆粒在顯微鏡下呈現(xiàn)出的蜂窩狀或其他的什么樣子。從2001年攻讀博士開始，張興贏研究了十幾年的大氣化學成分，從早期用地面觀測和化學試驗的手段研究大氣成分，到后來用環(huán)境電子顯微鏡來細致研究每個大氣顆粒物的組成和形狀，2006年就職于國家衛(wèi)星氣象中心以來，又與衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)下了不解之緣，從微觀研究到宏觀監(jiān)測，張興贏的科研經(jīng)歷使得他對大氣中的微量化學成分有著“立體”的認識。最近他和同事們所做的一項新業(yè)務(wù)也正在使衛(wèi)星"眼中"的霾變得不一樣。
今年1月份，京津冀區(qū)域出現(xiàn)5次強霾污染過程，面對如此嚴重的霾天氣過程，如何現(xiàn)對霾的監(jiān)測，能夠及時提供霾的污染程度和影響范圍，最大程度減少對人們健康和安全的影響，任務(wù)迫在眉睫。“我當時就很著急，看看常規(guī)的衛(wèi)星監(jiān)測氣溶膠的產(chǎn)品能不能看出來霾的情況，但是研究發(fā)現(xiàn)行不通?！睆埮d贏用很快的語速回憶著當時的情況。“常規(guī)的衛(wèi)星氣溶膠監(jiān)測是用可見光的原理，它只能得到無云晴空的氣溶膠光學厚度，不僅對于亮地表無法探測，而且有云和大量霧的地方，就得不出可靠的觀測結(jié)果。而在霾發(fā)生的時候，通常伴隨著大量的云和水汽，因此可見光的氣溶膠探測基本上發(fā)揮不了監(jiān)測的作用?！币簿褪钦f在霾發(fā)生時，云和水汽給它當了“保護傘”，遮住了衛(wèi)星的“視線”。想讓衛(wèi)星“透視”霾，還要另辟蹊徑。
后來他和同事基于此前科研積累，緊急利用風云三號氣象衛(wèi)星的臭氧探測儀的觀測數(shù)據(jù)，利用紫外光波段的特性來開展對霾污染的監(jiān)測。因為紫外光波段對吸收性氣溶膠有很好的指示作用，而對云和水汽不敏感，也不受亮地表的影響。所謂的吸收性氣溶膠，主要就是在紫外波段有強烈吸收信號的大氣化學物質(zhì)，通常是指：沙塵氣溶膠和碳質(zhì)氣溶膠。而碳質(zhì)氣溶膠正好是霾中很重要的組成成分，因此利用紫外光遙感監(jiān)測就可以實現(xiàn)對霾天氣過程的監(jiān)測。
目前風云三號衛(wèi)星每天都在進行霾的監(jiān)測，從1月開始衛(wèi)星氣象研究所每天都人機交互的方式利用風云三號氣象衛(wèi)星生成一張監(jiān)測圖，上面顯示著當天上午9-10點衛(wèi)星過境觀測期間全中國區(qū)域霾的分布狀況?！敖?jīng)過這2個月的完善和與地面的檢驗比對，現(xiàn)在正在開展該產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化工作，但是由于霾監(jiān)測工作的緊迫性和重要性，按照中國氣象局的工作要求，從一月份到現(xiàn)在一直堅持每天人機交互形成監(jiān)測報告定時發(fā)送給相關(guān)業(yè)務(wù)單位。”張興贏介紹說。
衛(wèi)星遙感監(jiān)測大氣成分，是一個非常新的命題，也是目前國際遙感領(lǐng)域的熱點問題。對于霾產(chǎn)品目前的試用情況，張興贏還是比較滿意的：“霾發(fā)生的時候，這種觀測方法對霾的指向性非常好?！薄?A href="http://m.viaggibudapest.com/climate/qhbhyw/03/1831811.shtml" target=_blank alt="“天空之眼”更加犀利 “霾伏”難逃衛(wèi)星監(jiān)測">詳情】
后來他和同事基于此前科研積累，緊急利用風云三號氣象衛(wèi)星的臭氧探測儀的觀測數(shù)據(jù)，利用紫外光波段的特性來開展對霾污染的監(jiān)測。因為紫外光波段對吸收性氣溶膠有很好的指示作用，而對云和水汽不敏感，也不受亮地表的影響。所謂的吸收性氣溶膠，主要就是在紫外波段有強烈吸收信號的大氣化學物質(zhì)，通常是指：沙塵氣溶膠和碳質(zhì)氣溶膠。而碳質(zhì)氣溶膠正好是霾中很重要的組成成分，因此利用紫外光遙感監(jiān)測就可以實現(xiàn)對霾天氣過程的監(jiān)測。
目前風云三號衛(wèi)星每天都在進行霾的監(jiān)測，從1月開始衛(wèi)星氣象研究所每天都人機交互的方式利用風云三號氣象衛(wèi)星生成一張監(jiān)測圖，上面顯示著當天上午9-10點衛(wèi)星過境觀測期間全中國區(qū)域霾的分布狀況?！敖?jīng)過這2個月的完善和與地面的檢驗比對，現(xiàn)在正在開展該產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化工作，但是由于霾監(jiān)測工作的緊迫性和重要性，按照中國氣象局的工作要求，從一月份到現(xiàn)在一直堅持每天人機交互形成監(jiān)測報告定時發(fā)送給相關(guān)業(yè)務(wù)單位。”張興贏介紹說。
衛(wèi)星遙感監(jiān)測大氣成分，是一個非常新的命題，也是目前國際遙感領(lǐng)域的熱點問題。對于霾產(chǎn)品目前的試用情況，張興贏還是比較滿意的：“霾發(fā)生的時候，這種觀測方法對霾的指向性非常好?！薄?A href="http://m.viaggibudapest.com/climate/qhbhyw/03/1831811.shtml" target=_blank alt="“天空之眼”更加犀利 “霾伏”難逃衛(wèi)星監(jiān)測">詳情】
衛(wèi)星監(jiān)測霾不可或缺
以前，“霾”很少單獨出現(xiàn)在氣象服務(wù)文本中，總是跟在“霧”后面，像個小跟班的。隨著專業(yè)機構(gòu)和公眾對霾的認識日益加深，對霾的危害越來越關(guān)注，小跟班必須走到臺前，讓人們重新審視。氣象服務(wù)也隨之增加了新的預報預警內(nèi)容。1月28日，中國氣象局預報與網(wǎng)絡(luò)司向社會發(fā)布了重新修訂后的霾預警信號標準，并首次發(fā)布霾預警。不過實際生活中，霧霾仍經(jīng)常如影隨形，區(qū)別它們很有必要，但也很不容易。 在傳統(tǒng)業(yè)務(wù)規(guī)范里面，能見度<10km，排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙，相對濕度小于80%，判識為霾，相對濕度80%至90%時，按照地面氣象觀測規(guī)范規(guī)定的描述或大氣成分指標進一步判識。實際發(fā)生過程中，霧霾二者有交叉，還可能相互轉(zhuǎn)換。在觀測和預報業(yè)務(wù)中，對霧霾進行區(qū)分很重要，可以更有針對性地提示危害范圍和保護措施，對霾防治也很有幫助。但操作層面往往比文字規(guī)定復雜得多。
“實際觀測的時候，濕度在80%到90%時候，是霧還是霾太難判斷了，混在一起。比如早上濕度大的時候，就比中午難判斷。”中央氣象臺預報室張恒德博士在介紹霾預報工作時說，“我們現(xiàn)在做霾預報，要根據(jù)相對濕度、能見度、PM2.5濃度值及其他要素再判斷霾的落區(qū)。不像降水、氣溫這些很成熟的預報業(yè)務(wù)有足夠多的數(shù)據(jù)、預報模式支撐?，F(xiàn)在預報霾還很有難度?！?BR>
張恒德博士所感嘆的難，一方面來自觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量不足。目前我國能直接觀測和分析大氣成分的氣象站還很少，多數(shù)觀測站判斷霧霾還是靠相對濕度的硬指標，而不是監(jiān)測到霾本身?！办F、霾預報的最大區(qū)別是霾預報要綜合考慮氣象要素和環(huán)境要素，而霧主要考慮氣象要素。用預報霧的傳統(tǒng)方法預報霾肯定不行，要有霾的預報客觀方法和數(shù)值模式才行?！睆埡愕陆榻B說，“觀測點少對于預報模型建立、客觀產(chǎn)品開發(fā)都很不利，因為沒有足夠的實況資料去建模，去驗證預報產(chǎn)品。我們必須基于統(tǒng)計的結(jié)果才能做一個霾預報的模型。但現(xiàn)在可統(tǒng)計的樣本太少?！睘榱藦浹a氣象部門大氣成分觀測站點的不足，預報人員要每天查看環(huán)保部門發(fā)布的觀測實況數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)只能查看實時的，且不能分析，預報業(yè)務(wù)對于過往數(shù)據(jù)的需求無法滿足。
“衛(wèi)星產(chǎn)品如果時效性夠的話，還是能很大程度上解決目前的一些困難。比如我們現(xiàn)在每天做常規(guī)預報，像降水預報，我們看云團動態(tài)就知道雨的發(fā)展趨勢，未來會在哪里下。如果衛(wèi)星能把霾的實況做成動態(tài)產(chǎn)品，我們就能知道它將要往哪里傳輸，正在集中還是正在消散等等。”張恒德介紹說。
中國氣象局目前也在考慮充分利用風云系列氣象衛(wèi)星遙感的監(jiān)測優(yōu)勢，加強對霾的強度、影響區(qū)域、持續(xù)時間等的實時監(jiān)測和分析。
這些新的衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)不僅能很大程度上幫助提升霾的預報、預警質(zhì)量，同時也拓寬了衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域。 “未來三到五年，我國將成為世界上具備溫室氣體探測最多衛(wèi)星的國家?！睆埮d贏談到相關(guān)規(guī)劃時說，“氣候變化最關(guān)心的就是溫室氣體，目前我們正在規(guī)劃中的風云三號氣象衛(wèi)星正在開展溫室氣體探測載荷和探測技術(shù)的攻關(guān)，預期在風云3D氣象衛(wèi)星上開展主要溫室氣體的全球探測。同時我們國家正在863重大項目框架下開展碳衛(wèi)星項目的研究，氣象局作為指定的唯一用戶，正在緊鑼密鼓地開展地面數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)的建設(shè)。另外在國家高分辨率對地觀測專項中，氣象局作為主要的用戶還推動了一顆衛(wèi)星，叫高分五號衛(wèi)星，上面也將搭載溫室氣體探測的試驗儀器?！?BR>
“今后的衛(wèi)星可以做到定量探測，不再單純是看到一個影像。像大氣中二氧化氮、二氧化硫這些對人體有害的物質(zhì)，也可以通過衛(wèi)星監(jiān)測到它們在大氣中的含量。未來衛(wèi)星儀器我們設(shè)計的精度會更高，對預報會很有幫助。衛(wèi)星在大氣成分探測方面的應(yīng)用在世界上也是非常新的研究領(lǐng)域，目前只有歐洲、美國具備了衛(wèi)星大氣成分的監(jiān)測能力，而對于溫室氣體的衛(wèi)星探測，目前全球只有日本在2009年上天的一顆衛(wèi)星在開展實驗性的探索，離真正有可靠的全球溫室氣體探測數(shù)據(jù)還有一段距離?！睆埮d贏說?！?A href="http://m.viaggibudapest.com/climate/qhbhyw/03/1831811_2.shtml" target=_blank alt="“天空之眼”更加犀利 “霾伏”難逃衛(wèi)星監(jiān)測">詳情】
“衛(wèi)星產(chǎn)品如果時效性夠的話，還是能很大程度上解決目前的一些困難。比如我們現(xiàn)在每天做常規(guī)預報，像降水預報，我們看云團動態(tài)就知道雨的發(fā)展趨勢，未來會在哪里下。如果衛(wèi)星能把霾的實況做成動態(tài)產(chǎn)品，我們就能知道它將要往哪里傳輸，正在集中還是正在消散等等。”張恒德介紹說。
中國氣象局目前也在考慮充分利用風云系列氣象衛(wèi)星遙感的監(jiān)測優(yōu)勢，加強對霾的強度、影響區(qū)域、持續(xù)時間等的實時監(jiān)測和分析。
這些新的衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)不僅能很大程度上幫助提升霾的預報、預警質(zhì)量，同時也拓寬了衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域。 “未來三到五年，我國將成為世界上具備溫室氣體探測最多衛(wèi)星的國家?！睆埮d贏談到相關(guān)規(guī)劃時說，“氣候變化最關(guān)心的就是溫室氣體，目前我們正在規(guī)劃中的風云三號氣象衛(wèi)星正在開展溫室氣體探測載荷和探測技術(shù)的攻關(guān)，預期在風云3D氣象衛(wèi)星上開展主要溫室氣體的全球探測。同時我們國家正在863重大項目框架下開展碳衛(wèi)星項目的研究，氣象局作為指定的唯一用戶，正在緊鑼密鼓地開展地面數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)的建設(shè)。另外在國家高分辨率對地觀測專項中，氣象局作為主要的用戶還推動了一顆衛(wèi)星，叫高分五號衛(wèi)星，上面也將搭載溫室氣體探測的試驗儀器?！?BR>
“今后的衛(wèi)星可以做到定量探測，不再單純是看到一個影像。像大氣中二氧化氮、二氧化硫這些對人體有害的物質(zhì)，也可以通過衛(wèi)星監(jiān)測到它們在大氣中的含量。未來衛(wèi)星儀器我們設(shè)計的精度會更高，對預報會很有幫助。衛(wèi)星在大氣成分探測方面的應(yīng)用在世界上也是非常新的研究領(lǐng)域，目前只有歐洲、美國具備了衛(wèi)星大氣成分的監(jiān)測能力，而對于溫室氣體的衛(wèi)星探測，目前全球只有日本在2009年上天的一顆衛(wèi)星在開展實驗性的探索，離真正有可靠的全球溫室氣體探測數(shù)據(jù)還有一段距離?！睆埮d贏說?！?A href="http://m.viaggibudapest.com/climate/qhbhyw/03/1831811_2.shtml" target=_blank alt="“天空之眼”更加犀利 “霾伏”難逃衛(wèi)星監(jiān)測">詳情】
應(yīng)對氣候變化，衛(wèi)星作用何在？
3月21日，中國氣象局氣候變化中心召開第二屆科技進展交流會。會上各相關(guān)單位圍繞“氣候變化監(jiān)測能力建設(shè)”、“氣候變化影響評估”、"“科技支撐”、“觀測能力建設(shè)”等幾個方面做了15個報告。其中張興贏代表衛(wèi)星中心所做的《衛(wèi)星遙感監(jiān)測我國霾的時空分布特征、長期變化趨勢及其來源解析分析》獲得了高度評價。與會的專家學者都認為這是一項非常前沿的科研探索，將會為應(yīng)對氣候變化工作提供新的數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。“對于氣候變化來說，氣象衛(wèi)星可以發(fā)揮重要的作用。因為氣候變化是全球性的，全球站點觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的均一性很大程度限制了對全球尺度氣候變化的深入認知，而衛(wèi)星遙感則可以實現(xiàn)全球的統(tǒng)一觀測。因此我們利用衛(wèi)星，可以對氣候變化敏感的因子開展全球范圍的時空分布特征和長期變化趨勢研究，同時可以利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對氣候變化造成的影響進行評估?！睆埮d贏認為衛(wèi)星可以與地面觀測站形成很好的互補關(guān)系。地面站可以進行定時、定點的觀測，而衛(wèi)星則可以進行大范圍的連續(xù)觀測。
2013-2-25日風云衛(wèi)星霾監(jiān)測結(jié)果(左)與地面實況非常吻合（右）
“例如霾天氣過程是一個大范圍的天氣發(fā)生和傳輸過程，常規(guī)的地面觀測站點畢竟在空間覆蓋上還是很有限的，尤其是在高山、遠洋的等無人區(qū)難以開展監(jiān)測，因此對預報大范圍的霾天氣過程還是受限的，衛(wèi)星監(jiān)測可以實現(xiàn)大面積的無縫隙的數(shù)據(jù)覆蓋，應(yīng)該對預報員的預報能夠起到很好的數(shù)據(jù)支撐。同時，紫外氣溶膠直接指示的是霾中碳質(zhì)成分濃度的高低，因此可以很好地監(jiān)測大氣中碳質(zhì)成分的變化，對于霾的防治有很重要的意義?！?BR>
在3月21日的會上，幾位專家發(fā)言都提到氣候變化研究面臨的一個難題：受城市建設(shè)影響，很多地面觀測站不得不進行遷移，數(shù)據(jù)的連續(xù)性受到很大影響。而衛(wèi)星監(jiān)測恰恰不受地面環(huán)境變化的影響，數(shù)據(jù)有持續(xù)性、均一性的特點，對于需要長期觀測數(shù)據(jù)的氣候變化研究來說，這個特點非常寶貴。“衛(wèi)星監(jiān)測在長時間序列的極區(qū)海冰的融化、全球氣溫的監(jiān)測、全球植被覆蓋變化、地球輻射收支監(jiān)測等諸多方面都可以對氣候變化的研究起到舉足輕重的作用。目前我國的風云系列氣象衛(wèi)星已經(jīng)積累了20多年的觀測數(shù)據(jù)，形成了一批長時間氣候數(shù)據(jù)集，可以提供氣候變化研究使用?！睆埮d贏介紹說?！?A href="http://m.viaggibudapest.com/climate/qhbhyw/03/1831811_3.shtml" target=_blank alt="“天空之眼”更加犀利 “霾伏”難逃衛(wèi)星監(jiān)測">詳情】
結(jié)語
研究氣候變化，我們要關(guān)注大氣圈、生物圈等多方面已經(jīng)發(fā)生或可能發(fā)生的變化；應(yīng)對氣候變化，我們要制定嚴格的減排規(guī)劃，而這一切都離不開精準的科技支撐。雖然氣候變化研究還有很多未解之謎，但新思路、新技術(shù)每天都在為我們打開一扇門。雖然衛(wèi)星對大氣成分的監(jiān)測還有很多工作需要深入開展，但是相信在這些優(yōu)秀的氣象科技人員努力下，在未來3-5年，我國一定可以實現(xiàn)對全球主要大氣成分的實時監(jiān)測，為國家制定節(jié)能減排政策提供科學的依據(jù)，為適應(yīng)和減緩氣候變化提供基礎(chǔ)的觀測數(shù)據(jù)支撐，為大氣環(huán)境的預報預警提供一個新的視野，更好地服務(wù)于百姓民生。
往期回顧
