大氣的衛星遙測

(摘錄自大氣衛星遙測學，曾忠一著，渤海堂)

遙測，又稱為遙感探測，一般定義為利用儀器偵測目標物反射或放出的電磁波來決定其物理性質的技術。遙測儀器對目標物只進行間接的和遠距離的，而不是和目標物直接接觸的測量。根據這個定義，人類的眼睛是最基本的遙測儀器。在氣象學的範圍內，使用氣象雷達、激光電達、多普勒雷達以及氣象衛星等工具來觀測大氣現象都屬於遙測的領域。

廣義的遙測還包括利用磁性和重力等方法進行測量的技術。這些方法在探測地球內部構造方面特別有用，在地球物理學中相當受到重視。利用聲波雷達來探測低層大氣也屬於遙測的範圍。從這個觀點來看，人類的耳朵也是一種遙測儀器。

遙測可以分為主動遙測和被動遙測。假如遙測儀器能發射電磁波，然後接收目標物反射的回波，則稱為主動遙測。因此，利用各種雷達系統來偵測大氣或地表現象都屬於主動遙測。假如遙測儀器並不發射電磁波，則稱為被動遙測。在這情況下，遙測儀器接收到的能量來自目標物本身放出的電磁波或目標物對其他能量來源的反射。在黑夜裏使用閃光燈拍照時，照像機可說是主動遙測儀器；在陽光照射下不用閃光燈，則又變為被動遙測儀器。

本書只討論在氣象觀測方面佔有重要地位的衛星遙測，重點將放在紅外輻射和微波的被動遙測技術。

大氣現象的尺度和生命期之間的關係已為人所熟知。生命期愈長，則尺度愈大。相反的，像龍捲風等，生命期很短，其尺度只有數百公尺到數公里。從這些關係，可以決定水平分辨率和觀測的時間間距。氣象雷達的觀測範圍通常約為200公里，觀測的時間間距大約10秒。因此氣象雷達只能觀測尺度很小的現象。另一方面，氣象衛星可以觀測數千公里尺度的全球性大氣現象，直到數公里尺度的擾動。但就觀測的時間間距而言，繞極軌道衛星每天可以觀測2到4次；地球同步衛星可以30分鐘到3小時一次，對特殊天氣的觀測5到10分鐘一次。因此氣象衛星無法像雷達一樣可以觀測到細微的現象。可是氣象衛星可以對廣大地區進行監測，並且可以追蹤生命期1小時以上的大氣現象，這是衛星遙測的特徵。

1960年第一顆氣象衛星升空，上面裝載的電視攝影機成功地觀測到地球上空的雲系分布。以後的衛星愈來愈大，可以裝載更多的儀器，執行更多的任務。儀器的靈敏度也大幅改善，可以同時進行多種測量。觀測的對象為晝夜的雲系分布，並以紅外輻射推定氣溫和水汽的垂直分布，以接收到的微波來探測雲下的大氣。另外，地球同步衛星可追蹤雲塊的移動來決定風向和風速。

衛星的資訊在下面三種情況下對氣象學特別有用：

(一) 地球上有許多地區，如南北半球的海洋、沙漠及極區等地，測站稀少，天氣資料缺乏。衛星資料正好填補這些空隙。從衛星雲圖可以看出大氣大尺度運動的特徵，包括風暴系統、鋒面、高空槽脊、急流、霧、層雲、海冰狀況、積雪以及高空風向和風速。衛星資料連同其他資料也提供等壓面高度，做為天氣分析與預報之用。

(二) 衛星資料可以用來偵測及監視颱風和熱帶風暴系統。離島和海岸地區，即使沒有傳統天氣資料，只需藉便宜的設備就可接收雲圖，追蹤颱風的路徑。尤其是風暴在發展階段就可在雲圖上看出，而地面測站根本尚未觀測到，偵察飛機也還沒出動。

(三) 氣象衛星可以在大氣層外對地球輻射收支加以監視。近百年來人類逐漸擴張的農業和工業活動已經擾亂了氣候系統的平衡，並且無意中改變了氣候。通過氣象衛星的輻射收支觀測，可以連續不斷地監測地球氣候及其變動。

地球資源遙測使用飛機或人造衛星，攜帶儀器，對地面進行觀測，從事資料的蒐集，以供資源調查或環境監視之用。基本上說，大氣遙測和地球資源遙測兩者的差異相當大，不但目標物完全不同，而且遙測技術也是不同的。兩者的差異可分為下面幾點說明：

(一) 地面分辨率。地球資源遙測要求的分辨率較高，例如要辨別樹種或對農作物加以分類，衛星圖像必須分辨出數公尺或更小的目標物。可是對一般綜觀尺度的大氣現象而言，衛星圖像的分辨率只需數公里就夠了。從這個觀點來看，地球資源衛星資料也包含許多對氣象學相當有用的資訊。例如陸地衛星(Landsat)的資料，分辨率相當高，可以分辨出各個積雲。海洋衛星(Seasat)可以觀測海面上的風速以及海面溫度等。總起來說，地球資源衛星可以觀測到尺度很小的現象，雖然無法追蹤其時間變化，但其圖像的分辨率相當高，對中小尺度大氣現象的研究相當有用。

(二) 大氣的影響。地球資源衛星主要目的是觀測地表現象，所以大氣和雲的存在對地球資源遙測而言是一種干擾。相反的，氣象學家利用大氣的吸收作用來估計大氣中氣溫、水汽和臭氧的垂直分布，並利用衛星雲圖來分析各種天氣系統及監測快速發展的風暴。因此，大氣遙測和地球資源遙測有相當大的差異。

(三) 定性與定量。從許多方面來看，地球資源遙測可當做一種判讀過程，一般說來較重視定性分析。可是對大氣遙測而言，定性分析（例如雲圖判讀）和定量分析（例如氣溫垂直分布遙測）同樣重要。

儘管有上面三點基本上的差異，大氣遙測和地球資源遙測也有許多共通性。正如上面所說的，地球資源衛星的資料對中小尺度氣象現象的研究相當有用。另外，由於地表反射或放出的電磁波一定要通過大氣層才能到達衛星的儀器上，而大氣與電磁波間的相互作用正是大氣科學的內容之一，故大氣科學家對地球資源衛星資料的大氣效應訂正應該能提供解決的辦法。