自然災(zāi)害未卜先知各路衛(wèi)星大顯神通

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進(jìn)入夏季以來，我國很多省市都發(fā)生了不同程度的地質(zhì)災(zāi)害和洪澇災(zāi)害，并造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。我國作為世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，土地面積遼闊，地理氣候條件復(fù)雜，自然災(zāi)害種類多且發(fā)生頻繁，因此，加強對自然災(zāi)害的準(zhǔn)確、及時預(yù)測和預(yù)警十分重要。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人類利用各類衛(wèi)星獲取的信息對自然災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展和演變進(jìn)行預(yù)測和監(jiān)測的能力逐步加強。通過衛(wèi)星采集各種地面災(zāi)害和環(huán)境的信息，可為天氣氣候的觀測、精細(xì)化預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)，對防災(zāi)減災(zāi)具有重要作用。

▲風(fēng)云四號衛(wèi)星

氣象衛(wèi)星：氣象災(zāi)害的先知者

氣象衛(wèi)星是利用所攜帶的各種氣象遙感器，接收和測量來自地球、海洋和大氣的可見光輻射、紅外線輻射和微波輻射信息，再將它們轉(zhuǎn)換成信號傳輸給地面的接收站。

氣象衛(wèi)星最重要的作用是觀察地球表面的天氣變化，從而給天氣預(yù)報及監(jiān)測提供依據(jù)。氣象人員根據(jù)收集到的信息，并經(jīng)過處理后得出全球大氣溫度、濕度等氣象要素資料，從而做出長期天氣預(yù)報，確定臺風(fēng)中心位置和變化，預(yù)報臺風(fēng)和其它風(fēng)暴。

氣象衛(wèi)星主要分為兩類，一種是極軌氣象衛(wèi)星，另一種是靜止氣象衛(wèi)星。前者分辨率較高，但對特定地區(qū)的掃描周期較長，這樣的衛(wèi)星每天在固定時間內(nèi)經(jīng)過同一地區(qū)上空2次，因而每隔12小時就可獲得一份全球的氣象資料，如果有6顆衛(wèi)星同時在軌運轉(zhuǎn)，就能每隔2小時更新一次。后者的分辨率則較低，但覆蓋區(qū)域廣，5顆這樣的衛(wèi)星就可形成覆蓋全球中、低緯度地區(qū)的觀測網(wǎng)，并每隔1小時更新一次氣象數(shù)據(jù)。

我國從1988年9月7日發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星——風(fēng)云一號太陽同步軌道氣象衛(wèi)星開始，至今已使用氣象衛(wèi)星30載，并發(fā)展出了多個系列的衛(wèi)星，為我國的氣象事業(yè)發(fā)展起到了巨大的推動作用。

如今，氣象衛(wèi)星已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，除森林大火外，臺風(fēng)、暴雨、沙塵暴、大霧、干旱、洪澇、雪災(zāi)等，各種天氣都可以找到氣象衛(wèi)星的應(yīng)用。利用氣象衛(wèi)星預(yù)警惡劣氣候，對保證航海和航空的安全，保證農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)等，都有很大作用。

另外，我國科研人員還曾利用氣象衛(wèi)星對積雪進(jìn)行過測量和計算，這對祁連山、天山等地區(qū)高度依賴融雪灌溉的農(nóng)業(yè)區(qū)有重要意義。隨著人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，大氣災(zāi)害的定義范圍也越來越廣，包括霧霾在內(nèi)的很多污染也被歸納為災(zāi)害，氣象衛(wèi)星同樣能夠在預(yù)測這些災(zāi)害方面發(fā)揮重要作用。

▲風(fēng)云三號衛(wèi)星

▲風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星及儀器示意圖

高分衛(wèi)星：長期防災(zāi)顯身手

遙感衛(wèi)星的分辨率高，且都部署在低軌道上，但通過任何地區(qū)上空時都是一掠而過，很難大范圍觀測。部署在靜止軌道上的氣象衛(wèi)星可以凝視地球，但分辨率都是以公里計算。能不能把兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來呢？答案是：可以。

高分辨率衛(wèi)星在長期防災(zāi)方面是能手，但很難將其直接用于災(zāi)害的短臨預(yù)報。這里有兩個方面的因素，一方面是遙感衛(wèi)星只在固定的時間飛過某個地區(qū)上空。作為太陽同步軌道的遙感衛(wèi)星，星下點的當(dāng)?shù)貢r間永遠(yuǎn)是上午10點前后，每天最多只有一次觀測機(jī)會，這就意味著很難進(jìn)行災(zāi)前的短臨預(yù)報。

另一方面，全球性遙感星座的建設(shè)會大幅度提高時間分辨率，而破壞性的自然災(zāi)害往往由氣象因素引發(fā)，這并不是高分辨率遙感衛(wèi)星的專長。因此，高分衛(wèi)星在防災(zāi)方面更重要的作用是預(yù)先探查一個地區(qū)的地理、地質(zhì)條件，結(jié)合多方面信息，為土地規(guī)劃、工業(yè)布局、交通管理提供決策依據(jù)，為長期防災(zāi)做貢獻(xiàn)。

2010年，我國正式啟動“高分專項”，其中，“高分一號”“高分二號”“高分四號”和高分三號衛(wèi)星分別于2013年、2014年、2015年和2016年成功發(fā)射，2018年5月、6月又相繼成功發(fā)射了“高分五號”“高分六號”。這種衛(wèi)星在災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警預(yù)報、林火災(zāi)害監(jiān)測、地震構(gòu)造信息提取等方面，可以提供遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星或氣象衛(wèi)星的信息。

以“高分四號”為例，其部署在靜止軌道上，可以用50米的分辨率凝視某個地區(qū)，單幅照片的覆蓋范圍達(dá)到16萬平方公里。2016年6月，江西省上饒市的鄱陽縣發(fā)生洪澇災(zāi)害，通過“高分四號”獲取的數(shù)據(jù)為災(zāi)區(qū)評價次生災(zāi)害預(yù)測工作提供了有利支持?？傊?，高分家族在災(zāi)害預(yù)防、應(yīng)急救災(zāi)等方面屢立戰(zhàn)功。

▲張衡一號電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星

張衡一號：地震預(yù)測的基石

我國地震區(qū)域分布廣、強度大、震源淺，是世界上大陸地震活動最強烈、災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。地震災(zāi)害的潛在危險對于我國社會發(fā)展造成的影響不容輕視，而地震預(yù)測更是世界性難題。

目前，世界各國監(jiān)測地震的主要手段是地面臺站觀測，但這種觀測方式具有很大的局限性，因為受觀測環(huán)境、生活環(huán)境等諸多客觀條件限制，在國境邊界、海洋、高山、原始森林等地區(qū)建臺站比較困難，導(dǎo)致目前全球的地震觀測臺站分布不均勻，存在很多監(jiān)測空白區(qū)。

相反，由于對地觀測衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣、電磁環(huán)境好、動態(tài)信息強、無地域限制等優(yōu)點，使用衛(wèi)星研究地球電磁環(huán)境，能夠從更大尺度上提高對地震孕育發(fā)生規(guī)律的研究和認(rèn)識，彌補常規(guī)地面地震監(jiān)測手段的不足。

例如，在高原、海洋等地震臺站網(wǎng)不能完全覆蓋的地區(qū)，其通過衛(wèi)星就可以實現(xiàn)全疆域?qū)崟r觀測。同時，衛(wèi)星圖像可用于描述地球的新構(gòu)造運動結(jié)構(gòu)，確定地震風(fēng)險帶的地震構(gòu)造條件；空間探測能克服地面勘探測量中的很多限制，已成為評估地球斷層、板塊邊界運動、位移情況的有力工具，精度甚至可達(dá)毫米級。

那么，衛(wèi)星可以預(yù)測地震嗎？理論上，地震發(fā)生前，震中附近會發(fā)生局部地表溫度升高的現(xiàn)象，因此，利用遙感衛(wèi)星上攜帶的紅外相機(jī)就能感知。近年來，我國陸續(xù)開展了利用航拍影像和中高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地震判讀與快速評估，以及利用衛(wèi)星紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行地震熱紅外監(jiān)測的研究工作。

不過，地震衛(wèi)星也存在很多問題。例如，紅外遙感容易受到云層遮擋影響，不能作為一種不間斷監(jiān)測的手段。在2008年5月12日汶川大地震發(fā)生前夕，由于當(dāng)?shù)剡B日陰雨天，受云層干擾，衛(wèi)星熱紅外輻射計探測不到云層下低空大氣的溫度，所以無法做出臨震前預(yù)報。

另外，通過衛(wèi)星電磁監(jiān)測的方法來發(fā)現(xiàn)地殼異動，獲得地震即將發(fā)生的信息還是被廣大科研人員接受，并逐漸成為發(fā)展趨勢。一方面，地震發(fā)生前，地球巖石的摩擦破裂會產(chǎn)生電磁波，并傳播至大氣層。另一方面，地殼運動會切割磁力線，造成磁力線扭曲。

今年2月2日，我國研制的首顆電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星“張衡一號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，“張衡一號”主要用于地震孕育機(jī)理研究，為未來建立地震監(jiān)測體系進(jìn)行前期技術(shù)儲備。

這顆衛(wèi)星每5天實現(xiàn)對地球上同一地點的重訪，觀測區(qū)域可覆蓋地球南北緯65度內(nèi)，重點觀測區(qū)域覆蓋我國陸地全境、陸地周邊約1000公里區(qū)域以及全球主要地震帶。

該電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星會在軌運行5年，將以標(biāo)準(zhǔn)手段來監(jiān)測我國6級以上、全球7級以上的地震，并通過大量數(shù)據(jù)積累和震例分析，推動我國地震觀測技術(shù)發(fā)展。

不過，也必須看到，目前利用電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星尚不能直接預(yù)測預(yù)報地震，現(xiàn)在討論地震預(yù)測預(yù)報還為時過早，但我國和世界科學(xué)界在該領(lǐng)域不斷積累，希望在未來攻克這個難題。

“張衡一號”是我國地球物理場探測衛(wèi)星計劃的首發(fā)星，未來將以該衛(wèi)星為基礎(chǔ)，繼續(xù)推進(jìn)綜合空間信息應(yīng)用研究，加快推進(jìn)后續(xù)衛(wèi)星的研制進(jìn)程和地球物理場探測衛(wèi)星規(guī)劃論證，全面提高我國對全球地球物理場信息的獲取能力。

▲高分五號衛(wèi)星

▲海洋二號衛(wèi)星

“兼職”衛(wèi)星不容小覷

在預(yù)測自然災(zāi)害方面，除上述提到的幾種典型衛(wèi)星外，一些“兼職”衛(wèi)星的作用也不容小覷。例如，氣象監(jiān)測也可以通過測量導(dǎo)航衛(wèi)星信號的變化來發(fā)現(xiàn)。科研人員在研究美國GPS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)，空氣中的水汽含量、溫度、氣壓都會影響導(dǎo)航衛(wèi)星信號的傳播。因此，科研人員一方面要設(shè)法消除空氣對GPS系統(tǒng)傳播的不利影響，另一方面也可以通過GPS系統(tǒng)的信號傳播變化來測量大氣參數(shù)。

海洋衛(wèi)星也是災(zāi)害監(jiān)測“小能手”。這種衛(wèi)星包括海洋水色衛(wèi)星、海洋動力環(huán)境衛(wèi)星和海洋環(huán)境衛(wèi)星。海洋衛(wèi)星會監(jiān)測一些專業(yè)性的數(shù)據(jù)，例如，測量對漁業(yè)生產(chǎn)有影響的葉綠素、溫度、風(fēng)速、鹽度等。如果這些數(shù)據(jù)發(fā)生嚴(yán)重異常，則意味著災(zāi)害即將發(fā)生，輕則影響漁業(yè)生產(chǎn)，影響到人們的“菜籃子”，重則直接影響到人的生命安全。

另外，由于衛(wèi)星只是部署在太空的一種探測器，更多的數(shù)據(jù)分析和判斷決策工作，還需要在地面上進(jìn)行，而把探測數(shù)據(jù)傳送到分析部門和指揮部門，需要通信衛(wèi)星發(fā)揮作用。

總之，利用衛(wèi)星進(jìn)行自然災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)測與預(yù)報已經(jīng)發(fā)揮了超乎尋常的作用。未來，隨著衛(wèi)星技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星預(yù)報將會為人類的生活帶來更為重要的影響，將有越來越多的優(yōu)秀“成員”加入到災(zāi)害預(yù)測和預(yù)警的大軍中，為保護(hù)地球和人類的安全貢獻(xiàn)力量。