撰文 / 谢正辉 陈思（中国科学院大方物理研究所大方科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室）

天有阴晴雨雪，海有潮起潮落，河有旱涝交替。关于气象与水的规律和奥秘太多，但大家依旧期望能将它一一学会。中国人观水治水的历史十分悠久，先人靠智慧与勤劳探索自然的规律，目前大家又得到科技的巨大帮助。大家是怎么样借助卫星在太空中摸清地球的水文规律的呢？一块看看吧。

气象与水的牵绊

气象是发生在天空中的风、云、雨、雪、霜、露、虹、晕、闪电、打雷等所有大方的物理现象,与水有着密切的联系。“水之至，万物生”，淡水是大家的生命之源，但其中大多数分布在南极洲与存储于格陵兰岛的冰层、高山冰川和永久冻土冰层中，还有很难直接借助的土壤水分、深层地下水。可借助的淡水资源仅为江河湖泊和地下水中的一部分。

水具备较大的时空变异性，过多或过少都可成为水旱灾害。土壤水、地表水、地下水受气候条件、植被地形、与人类活动的影响，借用太阳辐射带来的能量，经蒸发、蒸腾用途传递至大方，再由气流的抬升、温度减少等过程凝结后，以雨雪的形式降落至地表，流入江河湖泊到海洋，使得陆面和大方之间的水循环构成了全球大方海洋陆地耦合系统。

气象观测有“天眼”

为了监测全球水文气象的变化，并把传统的小尺度地表实质观测得到的有限信息，扩展到大尺度的全球范围的时空信息，卫星遥感技术便应运而生。

气象卫星有如气象学家放入太空的“天眼”，借用卫星装备的电视照相机、扫描辐射仪、红外探测器与微波探测器等设施，可以监测水体和周围环境的电磁波辐射，昼夜不停地显示水体分布，反映水文现象的时空变化，获得全球大方与地面温度、湿度、密度、充气压力、风、云、辐射等主要水文气象要点，远程监测洪水干旱、探测雪情冰灾，而不肯定需要亲自到现场。由此，衍生出了卫星水文学，也就是应用卫星技术探测、采集、传输水文信息，研究水循环过程与水资源情况及其变化的科学。

传统的水文监测技术尺度范围较小，每次能测量到的信息十分有限。通过卫星水文遥感技术，测量的尺度范围将扩大，甚至可以直接获得全球范围的空间信息，具备信息量大、可达成动态监测与信息传递飞速的巨大优势。

1960年，人类成功发射了第一颗气象卫星泰罗斯1号（TIROS-1），虽然它的可用时间只有78天，但却从太空中发送回了数万张照片，对气象科技的进步起到了十分要紧有哪些用途。

气象变化都和水关系密切

冰川冻土中存有着地球上大多数淡水

高高在上看水文

卫星高高在上，到底是怎么样“看到”地球水文情况的呢？原来，不一样的水体，与水体中的泥沙、矿物质、氧化物等，还有地表不一样的土壤、岩石、植被等下垫面条件，在可见光、近红外、热红外、微波等波段上都具备独特的光谱特质。因为各自性质和所处环境不同，这类物质所具备的辐射、反射和吸收电磁波的能力也不同。探测和剖析这类电磁波信息，便能辨别目的物特质及其变化。

比如，在可见与近红外波段，依据水体和周围环境对不同波长的太阳光反射强度的差异，可以对水体进行某一波段或多波段摄影，估算水体的形态和分布，并以此进行流域水系勘测和制图。通过比较不同时期的图片，便可监测水体变化和水系变迁。

在中、远红外波段，依据水体和周围环境的辐射强度，卫星可以借助携带的红外扫描仪或红外辐射计等探测仪器获得被研究水体的温度分布，这种办法不论是在白天还是夜间都能进行探测，可用于研究水体分布及热情况，探测土壤水和地下水状况，与水体污染监测。

在微波波段，不同状况下的水体，其表面的微波发射率会存在差异，借助这一点，微波辐射计和雷达等设施能获得水体及某些水文要点的信息，可以用来探测土壤水分、水土流失和河流管理。

世界上第一颗成功发射的气象卫星泰罗斯1号（图片来源/Wiki）

气象卫星拍摄的太平洋上的大方涌动

监测水文 探测冰雪

依据云的面积、反射率、云层温度、地面微波亮度温度（简称亮温，用于表示物体的辐射特质）等卫星影像信息，大家可以估算出降雨量，测定清澈透明的水体深度，探测泉水地方，描绘水系形态，海岸线变动等等。通过多光谱卫星影像，不出门就能得知河流、湖泊和沼泽的分布、大小及形态，以便监测河口、湖泊泥沙淤积和河道变迁的情况。借助卫星影像还可以绘制出洪水淹没范围,确定其进步趋向,为抗洪救灾手段准时提供决策依据。

有了气象卫星，当出现大范围低温、雨雪、冰冻等自然灾害时，它便可以参考遥感图像绘制雪线和积雪范围图，借助温度场和微波亮度温度估算平原区域融雪的时间和速度，编制海洋浮冰图，监测浮冰聚集状况，评价江河湖泊冰情，进行冰川编目，测定冰雪覆盖范围和厚度。

气象卫星所拍摄的夏至日时的东西半球

卫星红外线图像（图片来源/美国国家海洋和大方管理局）

气象卫星（GOSE-R）结构图（图片来源/美国国家海洋和大方管理局/美国国家航空航天局）

水啊，你是多是少，是不是安好

近年来水污染事件频发。依据卫星远程获得的多光谱和热红外信息，可以探测某些石油污染和监测大面积漂浮植物，区别水的颜色与混浊度，并监测环流形式、海洋渔类栖息地、水污染后果、水体营养水平，由此达成对水体污染的整体监测。

另外，借助重力卫星可以监测全球陆地水储量及地下水变化。地球系统水平是不断变化的，在季节和年际尺度上，变化是什么原因主要来自地球表层大方、海洋、陆地各系统间的水水平交换,如降雨、河流输运、水蒸发和冰川融化等。借助重力卫星监测到的地球重力场的变化，可以反演出全球尺度综合水储量的变化,由此达成对陆地水储量的监测，探明冰川和雪盖的消失、水库等地表水的变化与海平面及环流情况，还可以进一步达成地下水监测。

延伸阅读：大展拳脚的卫星水文监测

卫星水文技术不止是气象学家们的“科研利器”，在实质日常也有着很广泛的应用范围：家里的饮用水状况、城市周围江河湖泊的洪涝趋势、渔场的污染状况……你我日常的很多方面与之息息有关。

伴随社会经济的进步，人类对于遥感卫星空间分辨率的需要也愈加高。高分卫星商品已被广泛用于精确制图、城市规划、土地借助、环境监测、地理信息服务等范围,成为国家基础性、策略性资源。

然而，怎么样合理的利用已发射的各类与水循环、水资源密切有关的遥感卫星所提供的很多卫星数据，并依据其剖析预测好将来全球及地区的水资源分布与水循环演变，打造对地球各圈层中水的全方位认识将是对将来气象服务的一项挑战。

美国上空的冬天风暴（图片来源/美国国家海洋和大方管理局）

气象卫星发现了三起野火（图片来源/美国国家海洋和大方管理局）

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