所谓“一波未平一波又起”，今年夏天的台风正应了这句话。7号台风“韦帕”刚走，8号台风“范斯高”跟咱们擦身而过登陆日韩，9号台风“利奇马”眼瞅着就要登陆，10号台风“罗莎”已经生成。每当台风来临，最忙的当然是气象部门。现在，虽然还不能完全掌握台风的秘密，但我们可以预测它的强度、移动路径。观测台风，最重要的工具就是气象卫星。今天，以我国最先进的静止轨道卫星风云4号为例，佳格天地带大家研究一下，气象卫星如何为我们预知天气、监测台风。

风云4号卫星属于静止卫星。静止卫星始终位于地球赤道上空约3.6万千米处，顾名思义，它在轨道上转一圈的时间和地球自转的时间一样，与地面保持相对静止。静止卫星的特点是覆盖区域广，一颗卫星可观测地球中低纬地区约1/3的范围，具有很强的机动灵活性，能够对特定区域进行分钟级高重复观测，可快速监测灾害目标的动态变化。利用静止卫星开展灾害监测评估业务，特别适用于致灾因子危险性分析、灾害范围监测和风险评估。

风云4号这颗气象卫星装载着多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪、空间天气仪器包等有效载荷。这里，佳格天地着重跟大家介绍跟地球气象关系最紧密的前两个。

先来看主要用来探测红外线的多通道扫描成像辐射计。

跟可见光一样，红外线也是太阳发出的辐射，它本质是一种电磁波，只不过人眼不可见。红外线通常按照波长还可以进一步分为近红外、短波红外、中波红外、热红外、远红外等。由于红外线穿透云雾的能力很强，所以人类利用灵敏的红外探测仪，可以在很远的距离探测物体发出的红外线，这叫做红外遥感。

红外探测仪对红外线极为敏感，能把入射的微弱红外光转换为电子线路可以测量的电信号，本质上它就是利用了红外光子与探测器物质中的电子相互作用的原理，进行光电转换。

扫描成像辐射计安装在三轴稳定卫星平台上，采用双扫描镜结合三反射光学系统、线列阵探测器获取遥感数据。为实现对地球的二维成像，扫描成像辐射计将采用机械扫描方式实现二维扫描。东西方向成像通过扫描镜的连续往复式运动实现，速度为10°/S；南北方向成像通过扫描镜的步进运动实现，步距为μrad（微弧度）。它覆盖了可见光至波长达13.8微米的甚长波红外波段，光谱通道增加到14个，能够每15分钟对东半球扫描一次，最快每一分钟生成一次区域观测图像，最高空间分辨率达到米。

扫描成像辐射计的工作过程是：来自地球景物的辐射被扫描镜反射到主光学系统，通过中继光学系统将入射辐射分裂成2个可见波段、2个近红外波段和8个红外波段。探测器把景物辐射转换成电信号，经过前放、主放和滤波电路，在扫描同步信号的控制下，进行A/D转换并缓存，通过背景和噪音抑制，图像配准、校正等环节，将数字量编码送到卫星的数据传输系统，并由该系统把图像信号传送到地面。

“风云4号”的多通道扫描成像辐射计获取的云图层次丰富，海岸线等地标图像清晰，能清晰地识别台风内部中小尺度的云系结构，解析暴雨天气不同层次水汽输送。

扫描成像辐射计重点在于对景物做二维图像呈现，而干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）的重点是针对地面目标上方的大气做三维立体结构的观测，相当于给大气做“CT”扫描。

传统模式的“探空”是这样的：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。但大气结构是三维的，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。

而GIIRS进行三维大气温度湿度探测，原理主要基于光谱通道选择。例如：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。同样的，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。

干涉式大气垂直探测仪可获取大气温湿度三维结构，以光线干涉的方式获取了红外高光谱探测数据，能够在3.6万千米轨道上实现定点观测，对实现大气高精度定量观测具有重大意义。它可以对地面目标实施大气垂直分布剖面的长期连续探测，在长波红外和中波红外波段，更是可以实现1个以上细分光谱的探测。

干涉式大气垂直探测仪最高实现了15分钟一次的高频大气温湿度垂直探测，获取的数据可应用于全球/区域通用数值天气预报系统(GRAPES)。在台风观测中，GRAPES通过精确计算推断出高影响天气预报的目标敏感区，GIIRS针对敏感区开展加密观测，观测资料及时回传，实时进入四维变分同化预报系统。GRAPES再通过数据迭代得出下一次的敏感区，告知风云四号，直至该灾害性天气结束。

GIIRS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。

GIIRS在气象预报系统中的意义是：它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，特别是像海洋上等缺少常规探空观测的区域；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；可以对小尺度强对流天气系统进行高频次探测，直接服务于天气预报预警。

在大自然面前，人的力量是有限的，但我们仍要做出最大程度的努力，把灾害的影响降到最小、合理利用自然资源、跟自然和谐相处。