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关于灾害预警,卫星能做这些事

时间:2017年08月28日 信息来源:中国航天报·飞天科普周刊 点击: 字体:

实际上,人类现在已经能预测不少自然灾害了,而这些预测能力的获得,都是长期探索和实践的结果。

大气层内尽知晓

到目前为止,人类已经通过气象卫星能做到不间断地跟踪大气变化。其中,会造成严重后果的台风、热带风暴、飓风、沙尘暴、寒潮等灾害,都可以实时跟踪、及时发布预警信息。我国学者还曾经利用气象卫星对积雪进行过测量和计算。这对祁连山、天山等高度依赖融雪灌溉的农业区有重要意义。

随着人们对生活质量的要求越来越高,大气灾害的定义范围也越来越广,包括雾霾在内的很多污染也被归类于灾害,气象卫星同样能够在这些方面发挥重要作用。

在许多地方,灾害都是由大量集中的降水导致的。例如洪水、泥石流和城市内涝都是如此。因此,人们正在对降水现象做更加深入的研究,试图找到它的机理。美国和日本联合发射的热带降雨观测卫星就是一种专用的降水观测卫星。

其实,气象监测也可以通过另一种方式进行,就是测量导航卫星信号的变化。人们在研究GPS导航卫星应用时发现,空气中的水汽含量、温度、气压都会影响导航信号的传播。这是无线电信号传播的特性决定的。因此,人们一方面要设法消除空气对GPS导航卫星传播的不利影响,另一方面也可以通过GPS导航卫星的信号传播变化来测量大气的一些参数。美国一家名为斯派尔的创业公司就打算发射全球覆盖的小卫星星座,利用GPS导航卫星的信号来提供专业化的天气预报。

需要注意的是,气象卫星的发展经过了相当长的周期,世界上最早的气象卫星——美国泰罗斯一号发射于1960年4月。此后,美国经过数代卫星的发展,才达到了今天的水平。中国也是先后发射了极轨气象卫星和静止轨道气象卫星各两代,才实现了业务化运行的气象卫星体系。

除了气象卫星,海洋卫星也是灾害监测“小能手”。海洋卫星包括海洋水色卫星、海洋动力环境卫星和海洋环境卫星。不被大家熟知的是,海洋卫星会监测一些专业性的数据,比如测量对渔业生产有影响的叶绿素、温度、风速、盐度等。如果这些数据发生严重异常,未必会立刻、直接影响人的生命安全,却会影响渔业生产,进而影响到人们的“菜篮子”。

长期防灾也重要

随着高分辨率遥感卫星的普及,人们对自己居住的陆地越来越熟悉,对灾害的研究也越来越深入。

一般来说,高分辨率卫星在长期防灾方面是能手,但其很难直接用于灾害的短临预报。这里有两个方面的因素。首先,遥感卫星只在固定的时间飞过某个地区上空。作为太阳同步轨道的遥感卫星,星下点的当地时间永远是上午10点前后,每天最多只有一次观测机会。这就意味着很难进行灾害的短临预报。

另外,全球性遥感星座的建设会大幅度提高时间分辨率,而破坏性的自然灾害往往由气象因素引发,这并不是高分辨率遥感卫星的专长。

因此,遥感卫星在防灾方面更重要的作用是预先探查一个地区的地理、地质条件,结合多方面信息,为土地规划、工业布局、交通管理提供决策依据,为长期防灾做贡献。

“凝视卫星”有前途

从传统上来说,遥感卫星的分辨率虽然高,却都部署在低轨道上,通过任何地区时都是一掠而过。

部署在静止轨道上的气象卫星虽然可以凝视地球,但分辨率都是以公里计算的。能不能把两者的优势结合起来呢?

我国在2016年发射的高分四号卫星就部署在静止轨道上,可以用50米的分辨率凝视某个地区,单幅照片的覆盖范围是16万平方公里。这样的卫星,在灾害风险预警预报、林火灾害监测、地震构造信息提取等方面,可以提供远优于传统遥感卫星或者气象卫星的信息。

随着技术的发展,或许静止轨道遥感卫星的分辨率会一进步提高,达到米级,甚至更高。这样,就可以为灾害预报和监视提供更有力的手段。

地面之下不易看

地表之下的监测就是卫星的弱项了。虽然合成孔径雷达可以观察浅地表下的情况,但对于地质灾害预报所需要的深层次观测却很难实现,对地震的预测预报就更难了。

曾经有学者提出,地震发生前,震中附近会发生局部地表温度升高的现象。国内有学者针对这个理论进行了深入研究,并且利用遥感卫星的红外相机进行了一些实践,实现了成功的预报。但是这项技术同样存在很多问题。例如,红外遥感容易受到云层遮挡的影响,并不能作为一种不间断监测的手段。

当然,对于地质灾害,卫星可以用一种间接的方式来“看”,这就是卫星定位形变监测技术。如今的卫星定位接收机已经能够达到厘米级,甚至更高的精度。如果把高精度接收机安装在岩石或者建筑物上,牢固地连接起来,就能测量岩层或建筑物的微小形变。一旦形变幅度超过警戒线,监测系统就会自动报警。

但是,如果需要监测的面积很大,就需要部署大量的接收机,这对于大面积山地监测来说是不现实的。因此,人们发明了一种叫做边坡雷达的设备,它并不是装在卫星上,而是用汽车运载,可以灵活机动地到需要的地方,用雷达波照射山坡、矿石堆、煤堆、渣土堆等大尺寸对象。因为距离近,所以雷达波可以探测到比较深的位置。一旦发现内部形变超过安全限度,系统就会自动报警。

通信卫星也重要

上述所有卫星只是部署在空间的敏感器,更多的数据分析和判断决策工作,还需要在地面上做出。如何把探测到的数据传送回分析部门和指挥部门,就需要通信卫星发挥作用了。

在很多时候,并不需要传输大量的视频、音频或者图片,几个参数就足够指挥部门作出决策。因此,灾害预警用到了多种多样的通信卫星。除了传统的静止轨道通信卫星,还可以使用低轨道的数据通信卫星或者导航卫星的数据传输功能。

当然,如果需要传回合成孔径雷达的图像,就一定要用到宽带卫星了,这对于无人机和遥感飞机来说是非常必要的功能。它们可以一边飞一边传输,否则就必须回到机场再把数据记录设备送到分析中心,会耽误不少时间。

因此,无论地震还是台风,把现有的数据用好,从现有的使用中发现问题,提取出对新一代卫星系统和应用系统的需求,才能更好地为防灾减灾服务。





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