現代千里眼 氣象衛星的觀測原理及應用

資料來源
科學研習月刊50-6
文/齊祿祥 中央氣象局氣象衛星中心課長


你知道氣象人員是如何預報天氣的變化,掌握颱風或者鋒面到達的時間嗎?以往氣象觀測人員除了從地面觀看大氣的變化,也可利用數學計算的方 式,了解天氣系統的演變;但是,這些方法不是只能看到一小部分的天氣結果,就是只能看到一大堆數字或者符號。

早在50年前(約1960年),氣象人員就想到了一個更好方法,那就是利用氣象衛星從外太空去看地球上的高氣壓、低氣壓、鋒面與颱風等天氣系統的 移動與變化。氣象人員每天利用氣象衛星隨時看到很大範圍並且真實的天氣變化情形,不管是白天或者黑夜,沙漠、海洋或者高山的的屏障,都不會受到影響,因此,氣象衛星可以稱為現代千里眼。氣象人員利用現代千里眼-氣象衛星,每天持續觀察地球上的天氣變化,告訴我們目前的天氣並且預測其未來的變化。如果在太平洋有颱風形成,氣象人員會早在幾天前就已經由氣象衛星掌握颱風的動向,幫助我們提早預防颱風的來襲,減少我們生命、財產的損失。從太空中的衛星如何觀看地球上天氣的變化?

首先,回想一下幾年前SARS流行的時候,我們進出學校或者醫院時,都會有警衛或醫護人員拿者一個儀器量我們額溫或耳溫,另外我們也常在電視媒體上,看到民眾進出機場海關時,在出、入口處也有一個溫度感應器,遠遠的就能知道您是否發燒,這些感測儀器都沒有直接跟我們身體接觸,如何能知道我們的體溫呢?主要的原理是我們人體不同溫度的部位,會散發出不同波長的電磁波,讓感應器測量到我們體溫的變化。  

衛星的偵測原理就跟這些溫度感應器一樣,只要把這些類似溫度計的感測儀器放在外太空的衛星上,就能感應到地球表面的海洋、陸地、雲層所放射或反射的各種電磁波能量(圖1),然後經過儀器轉換成為影像,就會成為我們所看的各種衛星雲圖。

圖1  衛星接收來自地球所放射或反射的各種電磁波能量。
 


通常衛星上面裝有許多的感應儀器,可以偵測地球表面各種物體所發射出來不同波長範圍的電磁波,因此我們可以得到各種屬性的衛星資料。衛星可提供包括;可見光雲圖、紅外線雲圖、水氣頻道影像、微波資料…….等數十種甚至數千種衛星資料,提供給專業的天氣分析人員使用,進一步研判天氣的變化(圖2)。


圖2 衛星接收來自地球所放射或反射的各種電磁波能量。
 

一般民眾最常看到的只有可見光雲圖與紅外線雲圖這兩種衛星影像;可見光雲圖是藉由物體反射太陽光的大小程度所轉換成為的影像,雲層愈厚,反射陽光愈強,在衛星照片中,就可以看到愈白的雲,相反的;雲愈薄,反射陽光能力較差,因此只能看到灰白色的雲。到了晚上,因為沒有陽光,所以就看不到可見光雲圖了!紅外線雲圖反映的是雲表面所在位置的溫度與高度,所以紅外線雲圖的顏色愈白,表示雲的表面高度愈高,溫度比較低;而位置愈低的雲,雲圖的顏色會呈現較灰白的顏色,相對的溫度就比較高囉!(圖3)

圖3 氣象衛星與地面觀測之雲高與溫度相對關係示意圖

圖3  氣象衛星與地面觀測之雲高與溫度相對關係示意圖。


由於可見光雲圖與紅外線雲圖偵測的方式不太一樣,所以我們要知道一朵雲到底有多高或者多厚?需要這兩種雲圖一起比較,才能確定我們所看到雲是什麼樣的雲。為了更清楚的了解天氣系統發展 的高度與結構,通常我們會將紅外線雲圖經過彩色影像的轉換,將溫度以顏色表示,這種雲圖我們稱之為紅外線色調強化雲圖(圖4);圖中紅色與粉紅色區域的雲頂溫度約為攝氏負55~75度之間,紫色至綠色系的溫度則低於攝氏負75度。同學們,你們有更清楚的發現天氣系統的差別嗎?
 
圖4 衛星可見光(左)、紅外線(中)與紅外線色調強化(右)雲圖
圖4 衛星可見光(左)、紅外線(中)與紅外線色調強化(右)雲圖。

目前外太空的氣象衛星,利用兩種繞行地球的方式,擔任監看全球天氣的工作。一種是地球同步氣象衛星(圖5),這種衛星位在地球的赤道上空約36000公里的高空上,面對地球與地球一起轉動,因為繞地球一圈的時間也剛好是24小時,所以從地球上看到的同步衛星,永遠都是面對地球,在同一地點的上空,因此稱為地球同步衛星;地球同步衛星,可以看到全球約1/3地表的天氣系統,而且可以每隔15~30分鐘就得到一張衛星影像,所以同步衛星雲圖成為每天氣象分析人員必備的分析工具。

地球同步氣象衛星觀測示意圖

圖5 地球同步氣象衛星觀測示意圖。

目前世界上地球赤道上空約有日本(MT SAT ) 、美國(GOE S -W,GOES-E)、歐盟(MSG)、印度(INSAT)、中國(FY-2D、FY-2E)與南韓(COMS)等數顆同步氣象衛星在運轉。

另一種氣象衛星,衛星的軌道高度較低,距離地表高度約850公里,這種衛星會以固定的速度,繞行地球南北極,所以稱為繞極軌道氣象衛星;通常衛星繞行南北極的軌道面和陽光照射的方向會保持一個固定角度,繞極軌道衛星在通過赤道的時間,會與通過地點的地方時間(每天太陽照射地球上當地的時間)相同,因此,繞極軌道衛星又稱為太陽同步氣象衛星。

繞極軌道衛星,繞行地球一圈,約為102分鐘,每天約可繞地球南北極運轉14圈左右,因為繞極軌道衛星的運轉高度較低,因此每次衛星軌道通過,只能看到約2000~3000公里寬度的影像(圖6),相較於地球同步衛星,所能看到的範圍,當然就小太多了!

繞極軌道氣象衛星觀測運行示意圖
圖6 繞極軌道氣象衛星觀測運行示意圖

目前有美國的NOAA系列、歐洲的MeTop系列、中國風雲(FY-3)系列及美日等國的EOS系列繞極軌道氣象衛星,在太空中持續運作。

好了!衛星的觀測原理既然已經知道了,那現在就要利用衛星雲圖來判斷天氣囉!當你拿到一張衛星雲圖,首先要確認的是,你拿到的是哪一種雲圖?可見光雲圖或是紅外線雲圖?

通常,可見光雲圖中,愈厚的雲,就會表現的愈白,如果相對的在同一位置的紅外線雲圖,也是白色;表示這是發展比較高也比較厚的雲,當然這些區域大都是天氣比較不好的低氣壓區。高氣壓的天氣通常天氣比較穩定,所以不論在可見光雲圖或紅外線雲圖中大多為顏色較灰或黑的區域。
因此利用這樣簡單的判斷原則,你可不可以看出來下面這張衛星雲圖中的鋒面在哪裡?(圖7)高氣壓、低氣壓或者颱風的位置嗎?哪裡的天氣比較不好,可能會下雨?出門記得帶雨具哦!哪裡的天氣是晴朗無雲?適合我們去踏青郊遊!

日本MTSAT-2地球同步衛星2011年3月14日0233 UTC之衛星影像

圖7 日本MTSAT-2地球同步衛星2011年3月14日0233 UTC之衛星影像。

 

您猜對了嗎?解答就在圖8中!
 

2011年3月14日0300 UTC東亞地面天氣圖

圖8 2011年3月14日0300 UTC東亞地面天氣圖