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为什么要把雷达放到气象卫星上?

  众所周知,气象卫星是捕捉台风路径的一把好手,正是在其帮助下,科学家对台风(飓风)路径的预报准确率越来越高。不过,这仅仅是一个起点。

  台风登陆后,所到之处会引来狂风暴雨,给民众的生产生活带来危害。要真正做到因地制宜防范台风,最需要的就是能够知道在台风这个巨大的气旋内,每个部位的风力和降水量。如此一来,政府和民众就可以知道,对于这个台风,是该拿出几级应急响应来对待。 

  这些功能,我国正在研制中的“风云三号”降水测量雷达卫星就可以具备。 

  星载降水测量雷达 

  星载微波辐射计 

  目前,我国极轨气象卫星“风云三号”C星上已经有了一个能够穿透云雨的仪器——微波辐射计。但是,星载降水测量雷达的研制绝非重复劳动。 

  从原理上来看,地球表面物体都在一刻不停地向外辐射电磁波。当降雨产生时,会吸收一部分地表辐射。这样一来,地表物体向外产生辐射的强度就会发生变化。微波辐射计通过对比所接收到的辐射量的前后变化,就能够推断出降雨的强弱。 

  而与之相比,降水测量雷达则显得更加“积极主动”一些。它工作时,会主动向大气发射电磁波。一道道电磁波穿透云雨,与雨滴相互作用后,就能带着降水量信息,反射回到卫星上了。 

  虽然微波辐射计可以测量降雨量,但是其收集到的辐射信息容易受到地表辐射的干扰,所以精度不是很高。更重要的是,因为微波辐射计是被动探测,所以只能拿到“一揽子”辐射量,却分不清其中都是从哪一层大气发射来的。受此限制,它获得的信息也只是地表总降水量。而降水测量雷达则能够知道电磁波是从哪些不同高度的大气中回来的,进而获得大气三维降水信息。 

  天上的雷达 

  地上的雷达 

  目前,世界上地基天气雷达已比较普及。从1998年开始,依托国家项目,我国新一代天气雷达建设也进入快车道,目前,已在国家防灾减灾、天气预报预警中发挥着不可或缺的作用。 

 

  当TRMM卫星于2013年9月13日飞过墨西哥湾时,正好捕捉到了正在变强的热带风暴英格力德。图中红色突出的部分,常常是热带气旋即将变强的标志。 

 

  美、日热带降雨测量计划(TRMM)卫星在2005年8月28日监测到卡特里娜飓风的三维降水量。 

  但地基天气雷达也存在着几个方面的限制。首先,因为雷达的经济成本非常高,所以在我国东部人口比西部人口密集的国情下,东部沿海雷达的布设也比西部要密一些。这也决定了西部存在一些“空白区域”。另外,地基雷达标定测量精度手段受限,所以其目前只对外发布一级产品,即反射率因子。虽然反射率因子的强弱取决于雨量的强弱,但用其来推导降雨强度到底是多少,就容易出现较大的偏差了。 

  与地基雷达相比,星载降水测量雷达的覆盖范围广,能获得“无人区”的降水信息;而且在地面定标系统的帮助下,星载降水测量雷达有着较好的定标精度;另外,因为是从天上往下看,所以不会受到山地、高原等特殊地形的遮挡。 

  降水测量雷达卫星 

  SAR卫星 

  去年8月,我国在太原卫星发射中心用“长征四号丙”运载火箭成功将“高分三号”卫星发射升空。这是我国首颗分辨率达到1米的C频段多极化合成孔径雷达(SAR)成像卫星。 

  同样是把雷达放到卫星上,两者的主要用途有什么不同呢? 

  据介绍,SAR卫星主要目标是获取地球的地表、地物信息。对于SAR卫星来说,相当于在卫星上放了一个照相机。虽然这个照相机能够穿透云层,但它却不是来看云的,而是看云层下面的地表信息的。具体到气象方面的应用,SAR卫星多可用在大的降雨、洪涝过后的影响评估上,比如降雨范围多大、哪儿发生了滑坡或泥石流等。而与之相比,降水测量雷达卫星的功能主要集中在实时降水的监测方面。 

  降水测量雷达卫星还可帮助科学家弄清楚全球能量循环和气候变化问题。此前,美国和日本曾联合发射了一颗全球降水测量计划卫星,旨在摸清全球降水分布,以及水循环在全球能量释放的过程和在全球气候变化中的影响。 

  本文科学顾问:国家卫星气象中心副研究员尹红刚 

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