导读
以前人们说起气象卫星的作用，最爱打的比方是“在天上给地球拍照片”；说起卫星气象产品，通俗解释就是“看图说话”。但是随着科学技术的发展，今后卫星不仅可以获取地球表面和大气中较大目标的影像，而且可以对大气中某些肉眼所观测不到的物质进行定量探测，例如霾的监测。在卫星产品图上，雾和霾将区分得更加清楚，相关气象预报预警也将更有数据依据。
精彩观点
“未来三到五年，我国将成为世界上具备温室气体探测最多卫星的国家。”
“今后的卫星可以做到定量探测，不再单纯是看到一个影像。”
本期专家
张兴赢：国家卫星气象中心卫星气象研究所副所长
张恒德：中央气象台预报室高级工程师
访谈实录
卫星监测霾取得质的飞跃
国家卫星气象中心卫星气象研究所副所长张兴赢眼中的霾跟普通人不太一样。“我眼前的霾和气溶胶不单是所看见到的灰蒙蒙一片，在我脑海里浮现出来的是气溶胶中的化学成分以及每个细颗粒物的形状”，说话时，他脑海里也一定闪现出那些细微颗粒在显微镜下呈现出的蜂窝状或其他的什么样子。从2001年攻读博士开始，张兴赢研究了十几年的大气化学成分，从早期用地面观测和化学试验的手段研究大气成分，到后来用环境电子显微镜来细致研究每个大气颗粒物的组成和形状，2006年就职于国家卫星气象中心以来，又与卫星监测结下了不解之缘，从微观研究到宏观监测，张兴赢的科研经历使得他对大气中的微量化学成分有着“立体”的认识。最近他和同事们所做的一项新业务也正在使卫星"眼中"的霾变得不一样。
今年1月份，京津冀区域出现5次强霾污染过程，面对如此严重的霾天气过程，如何现对霾的监测，能够及时提供霾的污染程度和影响范围，最大程度减少对人们健康和安全的影响，任务迫在眉睫。“我当时就很着急，看看常规的卫星监测气溶胶的产品能不能看出来霾的情况，但是研究发现行不通。”张兴赢用很快的语速回忆着当时的情况。“常规的卫星气溶胶监测是用可见光的原理，它只能得到无云晴空的气溶胶光学厚度，不仅对于亮地表无法探测，而且有云和大量雾的地方，就得不出可靠的观测结果。而在霾发生的时候，通常伴随着大量的云和水汽，因此可见光的气溶胶探测基本上发挥不了监测的作用。”也就是说在霾发生时，云和水汽给它当了“保护伞”，遮住了卫星的“视线”。想让卫星“透视”霾，还要另辟蹊径。
后来他和同事基于此前科研积累，紧急利用风云三号气象卫星的臭氧探测仪的观测数据，利用紫外光波段的特性来开展对霾污染的监测。因为紫外光波段对吸收性气溶胶有很好的指示作用，而对云和水汽不敏感，也不受亮地表的影响。所谓的吸收性气溶胶，主要就是在紫外波段有强烈吸收信号的大气化学物质，通常是指：沙尘气溶胶和碳质气溶胶。而碳质气溶胶正好是霾中很重要的组成成分，因此利用紫外光遥感监测就可以实现对霾天气过程的监测。
目前风云三号卫星每天都在进行霾的监测，从1月开始卫星气象研究所每天都人机交互的方式利用风云三号气象卫星生成一张监测图，上面显示着当天上午9-10点卫星过境观测期间全中国区域霾的分布状况。“经过这2个月的完善和与地面的检验比对，现在正在开展该产品的业务化工作，但是由于霾监测工作的紧迫性和重要性，按照中国气象局的工作要求，从一月份到现在一直坚持每天人机交互形成监测报告定时发送给相关业务单位。”张兴赢介绍说。
卫星遥感监测大气成分，是一个非常新的命题，也是目前国际遥感领域的热点问题。对于霾产品目前的试用情况，张兴赢还是比较满意的：“霾发生的时候，这种观测方法对霾的指向性非常好。”【详情】
后来他和同事基于此前科研积累，紧急利用风云三号气象卫星的臭氧探测仪的观测数据，利用紫外光波段的特性来开展对霾污染的监测。因为紫外光波段对吸收性气溶胶有很好的指示作用，而对云和水汽不敏感，也不受亮地表的影响。所谓的吸收性气溶胶，主要就是在紫外波段有强烈吸收信号的大气化学物质，通常是指：沙尘气溶胶和碳质气溶胶。而碳质气溶胶正好是霾中很重要的组成成分，因此利用紫外光遥感监测就可以实现对霾天气过程的监测。
目前风云三号卫星每天都在进行霾的监测，从1月开始卫星气象研究所每天都人机交互的方式利用风云三号气象卫星生成一张监测图，上面显示着当天上午9-10点卫星过境观测期间全中国区域霾的分布状况。“经过这2个月的完善和与地面的检验比对，现在正在开展该产品的业务化工作，但是由于霾监测工作的紧迫性和重要性，按照中国气象局的工作要求，从一月份到现在一直坚持每天人机交互形成监测报告定时发送给相关业务单位。”张兴赢介绍说。
卫星遥感监测大气成分，是一个非常新的命题，也是目前国际遥感领域的热点问题。对于霾产品目前的试用情况，张兴赢还是比较满意的：“霾发生的时候，这种观测方法对霾的指向性非常好。”【详情】
卫星监测霾不可或缺
以前，“霾”很少单独出现在气象服务文本中，总是跟在“雾”后面，像个小跟班的。随着专业机构和公众对霾的认识日益加深，对霾的危害越来越关注，小跟班必须走到台前，让人们重新审视。气象服务也随之增加了新的预报预警内容。1月28日，中国气象局预报与网络司向社会发布了重新修订后的霾预警信号标准，并首次发布霾预警。不过实际生活中，雾霾仍经常如影随形，区别它们很有必要，但也很不容易。 在传统业务规范里面，能见度<10km，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍，相对湿度小于80%，判识为霾，相对湿度80%至90%时，按照地面气象观测规范规定的描述或大气成分指标进一步判识。实际发生过程中，雾霾二者有交叉，还可能相互转换。在观测和预报业务中，对雾霾进行区分很重要，可以更有针对性地提示危害范围和保护措施，对霾防治也很有帮助。但操作层面往往比文字规定复杂得多。
“实际观测的时候，湿度在80%到90%时候，是雾还是霾太难判断了，混在一起。比如早上湿度大的时候，就比中午难判断。”中央气象台预报室张恒德博士在介绍霾预报工作时说，“我们现在做霾预报，要根据相对湿度、能见度、PM2.5浓度值及其他要素再判断霾的落区。不像降水、气温这些很成熟的预报业务有足够多的数据、预报模式支撑。现在预报霾还很有难度。”
张恒德博士所感叹的难，一方面来自观测数据的数量不足。目前我国能直接观测和分析大气成分的气象站还很少，多数观测站判断雾霾还是靠相对湿度的硬指标，而不是监测到霾本身。“雾、霾预报的最大区别是霾预报要综合考虑气象要素和环境要素，而雾主要考虑气象要素。用预报雾的传统方法预报霾肯定不行，要有霾的预报客观方法和数值模式才行。”张恒德介绍说，“观测点少对于预报模型建立、客观产品开发都很不利，因为没有足够的实况资料去建模，去验证预报产品。我们必须基于统计的结果才能做一个霾预报的模型。但现在可统计的样本太少。”为了弥补气象部门大气成分观测站点的不足，预报人员要每天查看环保部门发布的观测实况数据。但这些数据只能查看实时的，且不能分析，预报业务对于过往数据的需求无法满足。
“卫星产品如果时效性够的话，还是能很大程度上解决目前的一些困难。比如我们现在每天做常规预报，像降水预报，我们看云团动态就知道雨的发展趋势，未来会在哪里下。如果卫星能把霾的实况做成动态产品，我们就能知道它将要往哪里传输，正在集中还是正在消散等等。”张恒德介绍说。
中国气象局目前也在考虑充分利用风云系列气象卫星遥感的监测优势，加强对霾的强度、影响区域、持续时间等的实时监测和分析。
这些新的卫星应用技术不仅能很大程度上帮助提升霾的预报、预警质量，同时也拓宽了卫星的应用领域。 “未来三到五年，我国将成为世界上具备温室气体探测最多卫星的国家。”张兴赢谈到相关规划时说，“气候变化最关心的就是温室气体，目前我们正在规划中的风云三号气象卫星正在开展温室气体探测载荷和探测技术的攻关，预期在风云3D气象卫星上开展主要温室气体的全球探测。同时我们国家正在863重大项目框架下开展碳卫星项目的研究，气象局作为指定的唯一用户，正在紧锣密鼓地开展地面数据接收和处理系统的建设。另外在国家高分辨率对地观测专项中，气象局作为主要的用户还推动了一颗卫星，叫高分五号卫星，上面也将搭载温室气体探测的试验仪器。”
“今后的卫星可以做到定量探测，不再单纯是看到一个影像。像大气中二氧化氮、二氧化硫这些对人体有害的物质，也可以通过卫星监测到它们在大气中的含量。未来卫星仪器我们设计的精度会更高，对预报会很有帮助。卫星在大气成分探测方面的应用在世界上也是非常新的研究领域，目前只有欧洲、美国具备了卫星大气成分的监测能力，而对于温室气体的卫星探测，目前全球只有日本在2009年上天的一颗卫星在开展实验性的探索，离真正有可靠的全球温室气体探测数据还有一段距离。”张兴赢说。【详情】
“卫星产品如果时效性够的话，还是能很大程度上解决目前的一些困难。比如我们现在每天做常规预报，像降水预报，我们看云团动态就知道雨的发展趋势，未来会在哪里下。如果卫星能把霾的实况做成动态产品，我们就能知道它将要往哪里传输，正在集中还是正在消散等等。”张恒德介绍说。
中国气象局目前也在考虑充分利用风云系列气象卫星遥感的监测优势，加强对霾的强度、影响区域、持续时间等的实时监测和分析。
这些新的卫星应用技术不仅能很大程度上帮助提升霾的预报、预警质量，同时也拓宽了卫星的应用领域。 “未来三到五年，我国将成为世界上具备温室气体探测最多卫星的国家。”张兴赢谈到相关规划时说，“气候变化最关心的就是温室气体，目前我们正在规划中的风云三号气象卫星正在开展温室气体探测载荷和探测技术的攻关，预期在风云3D气象卫星上开展主要温室气体的全球探测。同时我们国家正在863重大项目框架下开展碳卫星项目的研究，气象局作为指定的唯一用户，正在紧锣密鼓地开展地面数据接收和处理系统的建设。另外在国家高分辨率对地观测专项中，气象局作为主要的用户还推动了一颗卫星，叫高分五号卫星，上面也将搭载温室气体探测的试验仪器。”
“今后的卫星可以做到定量探测，不再单纯是看到一个影像。像大气中二氧化氮、二氧化硫这些对人体有害的物质，也可以通过卫星监测到它们在大气中的含量。未来卫星仪器我们设计的精度会更高，对预报会很有帮助。卫星在大气成分探测方面的应用在世界上也是非常新的研究领域，目前只有欧洲、美国具备了卫星大气成分的监测能力，而对于温室气体的卫星探测，目前全球只有日本在2009年上天的一颗卫星在开展实验性的探索，离真正有可靠的全球温室气体探测数据还有一段距离。”张兴赢说。【详情】
应对气候变化，卫星作用何在？
3月21日，中国气象局气候变化中心召开第二届科技进展交流会。会上各相关单位围绕“气候变化监测能力建设”、“气候变化影响评估”、"“科技支撑”、“观测能力建设”等几个方面做了15个报告。其中张兴赢代表卫星中心所做的《卫星遥感监测我国霾的时空分布特征、长期变化趋势及其来源解析分析》获得了高度评价。与会的专家学者都认为这是一项非常前沿的科研探索，将会为应对气候变化工作提供新的数据和技术支持。“对于气候变化来说，气象卫星可以发挥重要的作用。因为气候变化是全球性的，全球站点观测数据质量的均一性很大程度限制了对全球尺度气候变化的深入认知，而卫星遥感则可以实现全球的统一观测。因此我们利用卫星，可以对气候变化敏感的因子开展全球范围的时空分布特征和长期变化趋势研究，同时可以利用卫星数据对气候变化造成的影响进行评估。”张兴赢认为卫星可以与地面观测站形成很好的互补关系。地面站可以进行定时、定点的观测，而卫星则可以进行大范围的连续观测。
2013-2-25日风云卫星霾监测结果(左)与地面实况非常吻合（右）
“例如霾天气过程是一个大范围的天气发生和传输过程，常规的地面观测站点毕竟在空间覆盖上还是很有限的，尤其是在高山、远洋的等无人区难以开展监测，因此对预报大范围的霾天气过程还是受限的，卫星监测可以实现大面积的无缝隙的数据覆盖，应该对预报员的预报能够起到很好的数据支撑。同时，紫外气溶胶直接指示的是霾中碳质成分浓度的高低，因此可以很好地监测大气中碳质成分的变化，对于霾的防治有很重要的意义。”
在3月21日的会上，几位专家发言都提到气候变化研究面临的一个难题：受城市建设影响，很多地面观测站不得不进行迁移，数据的连续性受到很大影响。而卫星监测恰恰不受地面环境变化的影响，数据有持续性、均一性的特点，对于需要长期观测数据的气候变化研究来说，这个特点非常宝贵。“卫星监测在长时间序列的极区海冰的融化、全球气温的监测、全球植被覆盖变化、地球辐射收支监测等诸多方面都可以对气候变化的研究起到举足轻重的作用。目前我国的风云系列气象卫星已经积累了20多年的观测数据，形成了一批长时间气候数据集，可以提供气候变化研究使用。”张兴赢介绍说。【详情】
结语
研究气候变化，我们要关注大气圈、生物圈等多方面已经发生或可能发生的变化；应对气候变化，我们要制定严格的减排规划，而这一切都离不开精准的科技支撑。虽然气候变化研究还有很多未解之谜，但新思路、新技术每天都在为我们打开一扇门。虽然卫星对大气成分的监测还有很多工作需要深入开展，但是相信在这些优秀的气象科技人员努力下，在未来3-5年，我国一定可以实现对全球主要大气成分的实时监测，为国家制定节能减排政策提供科学的依据，为适应和减缓气候变化提供基础的观测数据支撑，为大气环境的预报预警提供一个新的视野，更好地服务于百姓民生。
往期回顾
