從古至今，天氣觀測對人們的生產生活都起到非常重要的指導作用。在古代，人們通過觀天象、看雲捲雲舒來推測天氣變化。然而這種從地面、靠眼看的觀測並不能獲得精準的天氣及預報信息。
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到了現代，氣象學家可以利用氣象衞星自上而下的監測天氣，獲得更多信息。今天我們就藉此聊一聊關於氣象衞星是如何監測天氣的，以及我們可以在衞星雲圖上還能看到哪些有意思的氣象畫面吧。
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氣象衞星是如何監測天氣的？
與地面觀測不同，氣象衞星可以在距離地面約 800 千米至 36000 千米的宇宙空間，對地球大氣（或地表目標物）進行大範圍的觀測。這種大範圍觀測不僅侷限於水平觀測，還可以對大氣做垂直探測，並獲取三維的天氣系統特徵。
除了觀測範圍大，氣象衞星還有一個好處，就是可以對海洋上空的天氣進行實時監測。由於海洋上氣象測站稀少，資料短缺，用常規氣象資料難以發現和追蹤洋麪天氣系統的發生發展和移動，而氣象衞星可以從高空直接監視熱帶洋麪上的低壓和颱風等天氣情況，是非常重要的海洋天氣系統監測工具。
氣象衞星風雲 4 號 A 星記錄的我國衞星雲圖
在氣象衞星的幫助下，氣象學家可以獲得大量氣象衞星雲圖及其衍生產品，並通過分析獲得天氣情況。一般來説，我們在天氣預報中看到的衞星雲圖以可見光波段居多，除此之外還有紅外波段和水汽通道等。一種雲圖僅遙感了雲和地球大氣的某一種屬性，具有片面性，綜合利用多種雲圖及產品，能夠更好的幫助氣象學家分析天氣情況，有助於提高天氣預報的準確率。
最近這段時間，你可能會經常見到下面這張颱風“軒嵐諾”的氣象衞星雲圖。動畫顯示了“軒嵐諾”吞併其南側熱帶低壓的過程，像極了“大魚吃小魚”的情形。
“颱風”或許是我們在衞星雲圖上見到得最多的一種天氣情況。除了“颱風”，我們還可以通過衞星雲圖看到許多我們熟悉的景象，比如中學地理課本上的“副熱帶高壓”、“冷鋒”、“暖鋒”等氣象現象。接下來，讓我們請風雲衞星，再為我們複習一下這些中學地理知識吧~
02
那些天氣現象的真實樣貌
01副熱帶高壓
“副熱帶高壓”是一股經常存在，但位置較穩定的固定在熱帶和副熱帶地區的龐大的温暖氣團。西太平洋地區的副熱帶高壓的狀態對我國天氣影響非常大，比如今年6月13日至8月30日的區域性高温，就與副熱帶高壓位置的異常偏西偏北、強度異常偏強、穩定少動密不可分。
從上圖中可以看到，在副高的控制下，我國西南地區東部至長江中下游一帶及海域大多無雲，這是因為副高控制區盛行下沉氣流，不利於雲系的生成。在副高北側的西北地區東部和華北一帶則多雲系覆蓋。這是因為副高西側和北側水汽條件和動力條件較好，容易出現降雨天氣。所以，今年西北地區雨量明顯偏多。8月底，當副高東撤南落時，這場曠日持久的高温天氣也終於緩緩落下帷幕。
02冷鋒與暖鋒
温度、濕度等物理性質不同的兩種氣團的交界面或者過渡帶叫做鋒面。鋒面與地面的交線，稱為鋒線，也簡稱為鋒。鋒的長度一般可有幾百公里到幾千公里，垂直方向可伸展十多公里。若鋒面在移動過程中，冷氣團起主導作用，推動鋒面向暖氣團一側移動，則稱為冷鋒。冷鋒過境時，會造成風力加大、氣壓升高和氣温下跌等天氣現象。反之，若暖氣團推動冷氣團前行，則為暖鋒。
冷空氣大舉南下影響我國的長達幾千千米的冷鋒
若冷暖氣團勢力相當，則稱為準靜止鋒。
西南地區的準靜止鋒
03颱風
颱風是指發生在熱帶或副熱帶洋麪上的具有暖心結構的強烈氣旋性渦旋，是一種強大而深厚的熱帶天氣系統。它的中心氣壓很低，低層有顯著向中心輻合的氣流，頂部氣流主要向外輻散。颱風的結構，從中心向外依次分為：颱風眼區、雲牆區、螺旋雨帶區。颱風總是伴有狂風暴雨，大多給受影響區域帶來嚴重災害。
04滾軸雲
滾軸雲是水平的管形狀雲。當穩定的空氣受到干擾時，會產生波浪雲，導致空氣沿着干擾移動。這種干擾通常來自移動冷鋒中乾冷空氣與相對穩定的暖濕空氣相互碰撞。如果穩定的潮濕空氣層向上流動時，則在頂部形成雲；向下流動時，則雲層蒸發。雲的交替缺失和存在是產生波浪效果的主要原因。
在衞星雲圖上看滾軸雲，就像池塘中泛起的漣漪一般，非常特別。
如果站在地面上看滾軸雲，就會是下面這個樣子。
圖片來自 NASA
如果在飛機上觀看，那麼就會是下面這幅景象。
從飛機上觀看滾軸雲。圖片來源：Wikimedia
05沙塵
靜止氣象衞星風雲四號 A 星每五分鐘就能獲得一次監測圖像，可以實現對沙塵暴的實時監測。下面展示的便是 2021 年 3 月 15 日出現的近 10 年最強沙塵暴過程，從動畫中可以看出，影響此次沙塵天氣過程的系統是一鋒面氣旋雲系，在地面冷鋒南側的內蒙古中西部、甘肅、寧夏、陝西北部、山西北部、河北大部、北京、天津等地都出現了沙塵暴（圖中偏黃色區域）。
06積雪
由於雪在可見光波段的反射率較高，和雲的反射率相近，而地表的反射率較低。雪、雲的反射率和地表的反射率有較大差異。又由於雲是移動的，而積雪是固定的，所以可以從可見光雲圖的動畫中區別積雪和雲。
07颮線
颮線是排列成線（帶）狀的雷暴羣，具有範圍較小、生命史較短的特徵。其寬度由幾百米至幾千米，最寬至幾十千米，長度一般由幾十千米至幾百千米，維持時間由幾小時至十幾小時。颮線過境時，風向突變，氣壓湧升、氣温急降，同時，狂風、雨雹交加。因此，颮線發生時，通常伴有雷暴、大風、冰雹等過程，破壞力強，經常造成嚴重的災害。
2021年7月1日下午出現的雷雨大風和冰雹天氣就是受颮線系統影響。
08東北冷渦
東北冷渦是產生在東北地區附近的一個深厚的冷性氣旋天氣系統。冷渦中的空氣由於處於上冷下暖的不穩定狀態，常會產生（雷）陣雨、雷雨大風或冰雹等不穩定天氣；有時，強烈發展的冷渦也會造成較大範圍的暴雨天氣。
由於冷渦圍繞中心做逆時針旋轉，因此受冷渦周圍雲系的影響，造成冷渦影響下的某地一會兒晴一會兒陰的天氣現象。
09霧
霧是由懸浮在近地面空氣中微小水滴或冰晶組成的天氣現象，是近地面層空氣中水汽凝結（或凝華）的產物。霧有明顯的日變化。白天温度比較高，空氣中可容納較多的水汽。但是到了夜間，温度下降了，空氣中能容納的水汽的能力減少了，一部分水汽會成為霧。霧一般在午夜至清晨最容易出現，日出後隨着氣温的升高會很快消散。動畫中可以明顯看到河北、河南、山西和陝西等地大霧的消散過程。
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利用氣象衞星進行災害監測
除了在天氣上，風雲衞星還可以進行生態環境監測、農業遙感監測和氣象災害等情況進行有效監測。比如下圖便是利用風雲三號D星對內蒙古自治區進行的森林草原火點監測。由於出現火點時，一般都有煙霧，在下圖中我們可以明顯看到煙霧的飄散方向，可以藉此來監測火情或及時發現火源點。
目前，風雲氣象衞星被世界氣象組織納入全球業務應用氣象衞星序列，作為全球綜合觀測系統的重要成員、空間和重大災害國際憲章的值班衞星，其開放共享的數據政策使世界各地的用户廣泛受益，在國際氣象防災減災和服務“一帶一路”建設中發揮着重要的作用，成為中國外交部署的閃亮名片。
作者｜蔣建瑩 國家衞星氣象中心首席
審核｜艾婉秀 國家氣候中心氣候服務室首席專家 研究員
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