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氣象衛星

氣象衛星是指監測天氣變化的人造衛星,人造衛星事實上有多種用途,包括通信、資源與環境監測以及定位、導航等等。廣義的說監測氣候變動、稀有氣體含量以及決定雨量、氣溶膠含量的衛星也可稱為氣象衛星。1957年前蘇聯發射了第一顆人造衛星,開啟了太空時代的新紀元。美國接著也急起直追,後來在1960年發射了第一顆氣象衛星TIROS-1號,接收到的資料可組合成雲圖,以做為天氣分析的參考之用。過去四十多年來已超過百顆氣象衛星升空,它們從提供定性的雲圖進步到提供氣溫、水汽、風、雨量和其他氣象變數的觀測結果,這些資料填補了海洋、沙漠、高山和極區等測站缺乏地區的空隙,對天氣分析和預報準確度的改善有莫大的助益。此外,氣象衛星還可以用來監測颱風和其他風暴系統以及地球氣候及其變動。
基本上說,在世界天氣守視網(World Weather Watch)的任務下,全球有兩種氣象衛星系統,一為太陽同步衛星(sun-synchronous satellite),另一為地球同步衛星(geosynchronous satellite)。太陽同步衛星在同樣的地方時通過赤道上空,大部分會通過南北極附近,因此又稱為繞極軌道衛星(polar orbiting satellite)。現在運轉中的這種衛星包括NOAA-14號到18號,稱為NOAA系列衛星。在正常情況下,這系列衛星平均高度約810~850公里,周期約101分鐘,每天通過某一地點附近上空兩次。
另一種氣象衛星具有地球同步軌道,這種衛星位於赤道上空約36000公里處,繞地球運行的角速度和地球自轉角速度一樣,在地面上看來幾乎在同一地點上空,故也有地球靜止衛星(geostationary satellite)的名稱。在世界天氣監視網下,有6顆地球同步衛星同時作業,主要任務是監測快速發展的風暴,如局地劇烈風暴和颱風等,並且藉由追蹤雲的移動估計風速、風向。
有些氣象衛星不屬於太陽和地球同步衛星,舉例說下面將提到的TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)衛星和福爾摩沙3號衛星(Formosat-3)。
大氣的衛星遙測,根據觀測的幾何圖形可分為天底探測(nadir sounding)和臨邊探測(limb sounding)兩類。天底探測是指衛星往下方(但不只是正下方)觀測,接收來自下方地表和大氣放出的和反射的輻射信號,以便決定它們的物理性質的技術,一般氣象衛星和地球資源衛星主要使用這個方法。天底探測的輻射計以多個頻道觀測地表和大氣,故也稱為頻譜法。這種探測法,對氣象用途來說,主要用來決定氣象變數的垂直分布和地表狀況,對定義數值預報的初始值場有莫大的助益,此外也可製作雲圖,提供天氣預報的參考。
臨邊探測則是觀測地球邊緣的大氣,也就是說輻射源由大氣層外進入大氣,再離開大氣,最後到達太空中的衛星輻射計上,因此輻射源只通過大氣或由大氣本身所發出,完全沒有來自地表的成分,這種探測法主要用來監測大氣中稀有氣體的含量及其變動。下面將要提到的無線電掩星法(radio occultation)屬於臨邊探測法,其他臨邊探測法還包括臨邊掃描法(limb scanning)和掩日法(即太陽掩星法)。臨邊掃描法只接收來自大氣放出的輻射,主要的物理過程是放射(emission);掩日法接收被大氣吸收的太陽輻射,最主要的物理過程是吸收;無線電掩星法則以低軌衛星(low earth orbiting satellite, LEO)接收GPS(Global Positioning System)衛星或其他衛星發出的無線電波,測定出相位超出量(phase excess),以便由此決定出彎角或折射指數的垂直分布,主要的物理過程是折射。遙測技術使用的輻射源若是人為的,則稱為主動遙測,否則稱為被動遙測。無線電掩星法的輻射源都是衛星發出的電磁波,這是人為的,故屬於主動遙測。被動遙測的輻射源是陽光或大氣、地表放出或反射的電磁波。無線電掩星技法觀測量為相位,這是最大的特點,天底探測法或其他臨邊探測法大都測定來自某一方向的輻射能量。
衛星攜帶的天底探測輻射計,通常具有可見光、紅外與微波頻道,這些頻道主要是氣體的吸收帶,但有些位於吸收很小的窗區。可見光頻道是窗區,這種的頻道資料可用來拍攝可見光雲圖;在夜間則用紅外3.7微米和11微米窗區頻道拍攝雲圖,這兩個頻道資料也可用來反演海面溫度和雲頂溫度、雲量等雲參數。紅外4.0微米和15微米二氧化碳頻道以及微波0.5厘米氧氣頻道可用來決定氣溫的垂直分布,在紅外二氧化碳吸收帶的測定可用來決定雲頂氣壓。水汽6.3微米頻道主要用來決定水汽的垂直分布,9.6微米臭氧頻道可決定大氣中臭氧的總含量。
浮懸在在大氣中的氣溶膠可在近紅外、可見光及紫外光譜中測定出來。海冰的消長和移動是研究氣候變化的極為重要的基本資料,衛星可拍攝它的微波影像。
臭氧是大氣中天然存在的稀有氣體,對地球上各種生命有害的物體,大部分被平流層中的臭氧擋住了。由於人類活動引起的臭氧減少,尤其是南極地區的臭氧洞,也可由衛星繼續不斷的加以監測,舉例說利用TOMS衛星和AURA衛星。
衛星觀測是提供雨量連續監測的唯一有效方法。舉例說,上面提到的的TRMM衛星,主要科學任務是觀測熱帶和副熱帶地區的降雨和能量交換。這顆衛星高度大約400公里,軌道傾角 ,它是第一個攜帶降雨雷達PR(Precipitation Radar)的地球觀測衛星。這顆衛星上攜帶的另一個輻射計TMI(TRMM Microwave Imager)屬於被動式微波輻射計,可用來觀測熱帶地區的降雨率。
1981年1月28日我國中央氣象局衛星資料接收站正式啟用,利用氣象衛星拍攝的可見光和紅外雲圖可偵測颱風、高低氣壓系統以及惡劣天氣,即使一般社會大眾都可在每天電視台的氣象報告中體認到地球同步衛星雲圖的重要性,尤其颱風即將侵襲的時候,這是由位於東經140度赤道上空的MTSAT(Multifunctional Transport Satellite)衛星拍攝的。
我國擁有的福爾摩沙3號衛星已在2006年4月15日一次發射6顆低軌衛星,每顆重量大約70 kg,軌道傾角72°,週期100分鐘。這個星系已命名為COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate)系統。這種衛星可接收大約24顆GPS衛星發出的兩個頻率的信號。1顆低軌衛星和24顆GPS衛星每天造成500個掩星事件,平均分布在地球表面上,也就是說1天內全球只有500筆彎角或折射指數垂直分布資料。福爾摩沙3號共有6顆低軌衛星,這樣24小時內全球就有2500到3000個掩星事件,對實際氣象業務來說是足夠的。所謂掩星事件是指GPS衛星發出的微波通過大氣到達低軌衛星的接收器上,一個有用的掩星事件通常持續1分鐘之久。如附圖所示,GPS發出的無線電波通過大氣層,抵達低軌衛星LEO上,射線被大氣所折射,因而有彎角。在掩星事件中,在圖中從GPS到LEO衛星的射線只畫了3條,事實上有3000條左右。
彎角或折射指數的垂直分布資料可用來進行同化,或者在特別的情況下反演出氣壓、氣溫或水汽的垂直分布,這些資料將彌補測站缺乏地區氣象資料的不足,對區域性和全球性的天氣預報相當重要。

撰稿者:曾忠一
最後修訂日期:98年09月24日
參考資料:
1 曾忠一。2006。《大氣科學中的反問題 : 反演分析與同化》。臺北:國立編譯館。
2 曾忠一。1988。《大氣衛星遙測學》。臺北:渤海堂。