大氣輻射亮溫垂直分布動態(tài)圖。來源：國家衛(wèi)星氣象中心

　　干涉式大氣垂直探測儀是國際上第一臺在靜止軌道上以紅外高光譜干涉分光方式探測大氣垂直結(jié)構(gòu)的精密遙感儀器。通過該探測儀，我們成功獲取了全球首幅靜止軌道地球大氣高光譜圖。作為第一次露出真容的大氣高光譜圖，應(yīng)該如何解讀圖像和展開數(shù)據(jù)應(yīng)用呢?這非常值得探析。

　　探什么?

　　很多人都知道“探空”：氣球帶著測量儀器從地面不斷升高，包含溫度、濕度等傳感器，邊上升邊測量并把數(shù)據(jù)傳回給地面跟蹤和接收雷達。這好比用溫度計，在一個高度上量一下，在下一個高度上再量一下。它能把大氣的溫濕度測量得非常準確，本質(zhì)上屬于直接測量，一般測量高度為30公里，能夠?qū)α鲗雍推搅鲗釉诟鞔怪备叨壬线M行測量。

　　地面探空近乎直接測量，其精度很高。但是，這些探空站在海洋上是沒有的，而陸地上也只能在約200×200公里設(shè)置一個，一般每天全球統(tǒng)一在世界時00時和12時兩個固定時間進行兩次探空。

　　怎么探?

　　大氣結(jié)構(gòu)是三維的，又是隨著時間快速變化的。由于探空站在地理、空間分布密度和觀測頻次上的局限性，其探測數(shù)據(jù)無法支撐快速發(fā)展的數(shù)值天氣預報模式。

　　探測大氣三維結(jié)構(gòu)的方法除了地面探空外，天基(衛(wèi)星)紅外和微波被動探測已經(jīng)成為國際主流。在衛(wèi)星上進行大氣溫濕度三維結(jié)構(gòu)探測的優(yōu)勢在于可以全球覆蓋，而靜止氣象衛(wèi)星的優(yōu)勢在于獲得高頻次的觀測數(shù)據(jù)。

　　在衛(wèi)星上利用紅外遙感怎么測大氣三維結(jié)構(gòu)呢?進行三維大氣溫度濕度探測，主要基于光譜通道選擇。比如，選擇大氣混合比穩(wěn)定的二氧化碳紅外吸收帶，探測大氣的溫度廓線;選擇水汽紅外吸收帶探測大氣的濕度廓線。不同的二氧化碳吸收通道探測到的紅外輻射主要來自于特定的高度層，對該高度的大氣溫度變化敏感，利用此原理可以獲得大氣的溫度垂直分布信息。同樣，不同的水汽吸收通道對不同高度層的大氣濕度變化敏感，從而可以獲得大氣的濕度垂直分布信息。

　　要滿足數(shù)值預報對大氣探測精度的要求，在技術(shù)上高光譜紅外探測是必選的技術(shù)途徑。高光譜探測的優(yōu)勢在于探測通道的光譜分辨率越高，即通道的權(quán)重函數(shù)越窄，受到的臭氧、水汽等其它吸收氣體的污染就越小，對特定高度層的敏感程度也越高，不僅提高了大氣溫濕度探測精度，而且也提高了大氣探測的垂直分辨能力。

　　“風云四號”干涉式大氣垂直探測儀采用邁克爾遜干涉分光的方式實現(xiàn)大氣紅外高光譜探測，可以獲取高頻次區(qū)域晴空和云頂以上的大氣三維結(jié)構(gòu)。

　　那么，云內(nèi)部和云底以下大氣怎么實現(xiàn)高頻次探測呢?這就需要氣象人期盼的“風云四號”微波星在未來發(fā)揮其功效。

　　怎么用?

　　國際上沒有利用靜止軌道高光譜大氣探測數(shù)據(jù)的成功先例，我國氣象應(yīng)用勢必要經(jīng)過從試用到業(yè)務(wù)應(yīng)用的過程，特別是要根據(jù)應(yīng)用需求(觀測精度、區(qū)域范圍和觀測頻次等)來確定儀器觀測模式，需要應(yīng)用部門和地面應(yīng)用系統(tǒng)鼎力合作。

　　干涉式紅外大氣探測儀數(shù)據(jù)主要的應(yīng)用包括以下幾個方面：該儀器具有對我國及周邊地區(qū)1小時一次、間隔僅16公里的密集的大氣溫濕分布垂直探測能力，其探測數(shù)據(jù)可以同化到全球和區(qū)域數(shù)值預報模式，改進數(shù)值預報初始場，特別是像海洋上等缺少常規(guī)探空觀測的區(qū)域，對于提高預報的精細化能力起到促進作用;利用該儀器反演得到大氣不穩(wěn)定指數(shù)，可以提前數(shù)小時有效監(jiān)測到暴雨系統(tǒng)發(fā)生前環(huán)境條件的變化，在還是晴朗無云的大氣中提前發(fā)現(xiàn)極端天氣的蛛絲馬跡，直接提供給預報員進行天氣分析和預報;可以對小尺度強對流天氣系統(tǒng)進行高頻次探測，直接服務(wù)于短臨天氣預報預警。

　　怎么讀?

　　干涉式大氣垂直探測儀有超過1600個探測通道，不同高度的大氣對不同探測通道的紅外輻射貢獻存在差異。根據(jù)這些差異可以反演出大氣溫度、濕度的三維結(jié)構(gòu)。下圖所示為選取該儀器觀測到的7個長波紅外通道在權(quán)重高度的紅外輻射亮溫垂直分布圖。