導(dǎo)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(xué)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(biāo)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(jìn)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(yù)報(bào)預(yù)警也將更有數(shù)據(jù)依據(jù)。
精彩觀點(diǎn)
“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?！?BR>“今后的衛(wèi)星可以做到定量探測，不再單純是看到一個(gè)影像。”
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(yù)報(bào)室高級工程師
訪談實(shí)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(xué)成分以及每個(gè)細(xì)顆粒物的形狀”，說話時(shí)，他腦海里也一定閃現(xiàn)出那些細(xì)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(xué)成分，從早期用地面觀測和化學(xué)試驗(yàn)的手段研究大氣成分，到后來用環(huán)境電子顯微鏡來細(xì)致研究每個(gè)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(xué)成分有著“立體”的認(rèn)識。最近他和同事們所做的一項(xiàng)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(qiáng)霾污染過程，面對如此嚴(yán)重的霾天氣過程，如何現(xiàn)對霾的監(jiān)測，能夠及時(shí)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(dāng)時(shí)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(dāng)時(shí)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(xué)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(shí)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(shí)，云和水汽給它當(dāng)了“保護(hù)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(fēng)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?yàn)樽贤夤獠ǘ螌ξ招詺馊苣z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(qiáng)烈吸收信號的大氣化學(xué)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(shí)現(xiàn)對霾天氣過程的監(jiān)測。
目前風(fēng)云三號衛(wèi)星每天都在進(jìn)行霾的監(jiān)測，從1月開始衛(wèi)星氣象研究所每天都人機(jī)交互的方式利用風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星生成一張監(jiān)測圖，上面顯示著當(dāng)天上午9-10點(diǎn)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(gè)月的完善和與地面的檢驗(yàn)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(jiān)持每天人機(jī)交互形成監(jiān)測報(bào)告定時(shí)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(gè)非常新的命題，也是目前國際遙感領(lǐng)域的熱點(diǎn)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(shí)候，這種觀測方法對霾的指向性非常好?！薄?A href="http://www.fordfamilydentistry.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(fēng)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?yàn)樽贤夤獠ǘ螌ξ招詺馊苣z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(qiáng)烈吸收信號的大氣化學(xué)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(shí)現(xiàn)對霾天氣過程的監(jiān)測。
目前風(fēng)云三號衛(wèi)星每天都在進(jìn)行霾的監(jiān)測，從1月開始衛(wèi)星氣象研究所每天都人機(jī)交互的方式利用風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星生成一張監(jiān)測圖，上面顯示著當(dāng)天上午9-10點(diǎn)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(gè)月的完善和與地面的檢驗(yàn)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(jiān)持每天人機(jī)交互形成監(jiān)測報(bào)告定時(shí)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(gè)非常新的命題，也是目前國際遙感領(lǐng)域的熱點(diǎn)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(shí)候，這種觀測方法對霾的指向性非常好?！薄?A href="http://www.fordfamilydentistry.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(dú)出現(xiàn)在氣象服務(wù)文本中，總是跟在“霧”后面，像個(gè)小跟班的。隨著專業(yè)機(jī)構(gòu)和公眾對霾的認(rèn)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(yù)報(bào)預(yù)警內(nèi)容。1月28日，中國氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司向社會發(fā)布了重新修訂后的霾預(yù)警信號標(biāo)準(zhǔn)，并首次發(fā)布霾預(yù)警。不過實(shí)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(yáng)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(shí)，按照地面氣象觀測規(guī)范規(guī)定的描述或大氣成分指標(biāo)進(jìn)一步判識。實(shí)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(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，對霧霾進(jìn)行區(qū)分很重要，可以更有針對性地提示危害范圍和保護(hù)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(fù)雜得多。
“實(shí)際觀測的時(shí)候，濕度在80%到90%時(shí)候，是霧還是霾太難判斷了，混在一起。比如早上濕度大的時(shí)候，就比中午難判斷?！敝醒霘庀笈_預(yù)報(bào)室張恒德博士在介紹霾預(yù)報(bào)工作時(shí)說，“我們現(xiàn)在做霾預(yù)報(bào)，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(yù)報(bào)業(yè)務(wù)有足夠多的數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)模式支撐?，F(xiàn)在預(yù)報(bào)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(biāo)，而不是監(jiān)測到霾本身?！办F、霾預(yù)報(bào)的最大區(qū)別是霾預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)霧的傳統(tǒng)方法預(yù)報(bào)霾肯定不行，要有霾的預(yù)報(bào)客觀方法和數(shù)值模式才行。”張恒德介紹說，“觀測點(diǎn)少對于預(yù)報(bào)模型建立、客觀產(chǎn)品開發(fā)都很不利，因?yàn)闆]有足夠的實(shí)況資料去建模，去驗(yàn)證預(yù)報(bào)產(chǎn)品。我們必須基于統(tǒng)計(jì)的結(jié)果才能做一個(gè)霾預(yù)報(bào)的模型。但現(xiàn)在可統(tǒng)計(jì)的樣本太少?！睘榱藦浹a(bǔ)氣象部門大氣成分觀測站點(diǎn)的不足，預(yù)報(bào)人員要每天查看環(huán)保部門發(fā)布的觀測實(shí)況數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)只能查看實(shí)時(shí)的，且不能分析，預(yù)報(bào)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(shí)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(yù)報(bào)，像降水預(yù)報(bào)，我們看云團(tuán)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(shí)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?！睆埡愕陆榻B說。
中國氣象局目前也在考慮充分利用風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星遙感的監(jiān)測優(yōu)勢，加強(qiáng)對霾的強(qiáng)度、影響區(qū)域、持續(xù)時(shí)間等的實(shí)時(shí)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(yù)報(bào)、預(yù)警質(zhì)量，同時(shí)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。”張興贏談到相關(guān)規(guī)劃時(shí)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(fēng)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(yù)期在風(fēng)云3D氣象衛(wèi)星上開展主要溫室氣體的全球探測。同時(shí)我們國家正在863重大項(xiàng)目框架下開展碳衛(wèi)星項(xiàng)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(xiàng)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(yàn)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(gè)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(jì)的精度會更高，對預(yù)報(bào)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(shí)驗(yàn)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://www.fordfamilydentistry.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(shí)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(yù)報(bào)，像降水預(yù)報(bào)，我們看云團(tuán)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(shí)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?！睆埡愕陆榻B說。
中國氣象局目前也在考慮充分利用風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星遙感的監(jiān)測優(yōu)勢，加強(qiáng)對霾的強(qiáng)度、影響區(qū)域、持續(xù)時(shí)間等的實(shí)時(shí)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(yù)報(bào)、預(yù)警質(zhì)量，同時(shí)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。”張興贏談到相關(guān)規(guī)劃時(shí)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(fēng)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(yù)期在風(fēng)云3D氣象衛(wèi)星上開展主要溫室氣體的全球探測。同時(shí)我們國家正在863重大項(xiàng)目框架下開展碳衛(wèi)星項(xiàng)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(xiàng)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(yàn)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(gè)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(jì)的精度會更高，對預(yù)報(bào)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(shí)驗(yàn)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://www.fordfamilydentistry.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(jìn)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(gè)方面做了15個(gè)報(bào)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(shí)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(jià)。與會的專家學(xué)者都認(rèn)為這是一項(xiàng)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?yàn)闅夂蜃兓侨蛐缘?，全球站點(diǎn)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(rèn)知，而衛(wèi)星遙感則可以實(shí)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(shí)空分布特征和長期變化趨勢研究，同時(shí)可以利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對氣候變化造成的影響進(jìn)行評估?！睆埮d贏認(rèn)為衛(wèi)星可以與地面觀測站形成很好的互補(bǔ)關(guān)系。地面站可以進(jìn)行定時(shí)、定點(diǎn)的觀測，而衛(wèi)星則可以進(jìn)行大范圍的連續(xù)觀測。
2013-2-25日風(fēng)云衛(wèi)星霾監(jiān)測結(jié)果(左)與地面實(shí)況非常吻合（右）
“例如霾天氣過程是一個(gè)大范圍的天氣發(fā)生和傳輸過程，常規(guī)的地面觀測站點(diǎn)畢竟在空間覆蓋上還是很有限的，尤其是在高山、遠(yuǎn)洋的等無人區(qū)難以開展監(jiān)測，因此對預(yù)報(bào)大范圍的霾天氣過程還是受限的，衛(wèi)星監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)大面積的無縫隙的數(shù)據(jù)覆蓋，應(yīng)該對預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)能夠起到很好的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，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。”
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(gè)難題：受城市建設(shè)影響，很多地面觀測站不得不進(jìn)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(diǎn)，對于需要長期觀測數(shù)據(jù)的氣候變化研究來說，這個(gè)特點(diǎn)非常寶貴?！靶l(wèi)星監(jiān)測在長時(shí)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(fēng)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(shí)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。【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(yán)格的減排規(guī)劃，而這一切都離不開精準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對全球主要大氣成分的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為國家制定節(jié)能減排政策提供科學(xué)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(yù)報(bào)預(yù)警提供一個(gè)新的視野，更好地服務(wù)于百姓民生。
往期回顧
