大气中水气含量的观测

由于水气的变化是天气现象的重要主角,因此对大气中水气的观测一直是一个重要项目。传统上,是利用探空气球,然而其施放时间与空间上的限制,让我们无法对水气分布具有整体的了解。后来种种的遥测仪器与载具陆续发展出来,例如气象雷达与卫星;遥测技术也日新月异,利用可见光、红外线与微波频道,近几年更可利用 GPS 讯号反推大气的水气含量。

大气中水气含量的观测

图片所有::F. Hasler et al., (NASA/GSFC) and The GOES Project
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上图是一张由地球环境卫星 (Geostationary Operational Environmental Satellites,GOES) 利用红外线所拍摄到的假色照片。此一红外线波段的波长大约是6.7微米左右(6.7μm,约为可见光的10倍),也是俗称的水气频道,最主要是侦测上对流层(the upper troposphere)中水气散发的红外线辐射。照片中黑色的区域是对应于水气较丰富的区域;相对地,黄色区是比较乾的区域。

以中央气象局所接收日本 MTSAT 卫星的高解析卫星云图为例,若以波长区分则可分为四个红外线频道(ch1-ch4)及一个可见光频道,如下所示。一般而言,可见光频道的解析度较红外线频道来得高。

                                                                  波长(微米;μm)               解析度
红外线(Infrared;IR1)              ch1          10.3-11.3 μm                    4Km
红外线(Infrared;IR2)              ch2          11.5-12.5 μm       
水气频道(Water Vapor;WV)    ch3             6.5-7.0 μm       
近红外线频道(Near IR)              ch4             3.5-4.0 μm       
可见光(Visible;Vis)                                  0.55-0.90 μm                    1Km

然而现在利用气象卫星进行大气中水气含量的推估,除了上述的近红外线与红外线频道外,还有利用微波频道来反推水气多寡。因为在红外线区域的频道,波长约分布在0.8至100μm之间,落在水气及云的主要吸收带,所以当遇到密云时,常呈现了相当不透明的状态。也就是红外线无法穿透云层观测出位于云层底下的资讯,虽然较低层的云温度较高,辐射能较强,但距离卫星过远,辐射能在上传过程中会被吸收无法到达卫星,所以只能取得大气中、上层的水气量。

利用微波辐射遥测水气可分主动与被动式两种。卫星常酬载的微波辐射仪是接收来自大气及地面的微波辐射能量,依据地面及空中各种物体的温度及特性的不同而有不同的微波辐射强度及频率,由不同频率所得到的辐射能量强度来判别各种物体的特性,属于被动式的遥测,例如1997年升空的TRMM 卫星搭载的TMI(Tropical Microwave Imager)感测器。

虽然微波频道的解析度较低,但微波的波长约在100μm至0.8m之间,受到云的影响较少得多,即使天空被云遮蔽,云层下的大气所放出的微波仍可穿透云层,到达卫星装载的辐射仪。因此,微波探测器能全天候探测云下的水气分部,获取大气整层之水汽量。以微波频道而言,卫星遥测所得的微波辐射包含了地表(地表向上放射及经由其反射的大气向下辐射)与大气向上辐射等两贡献项。当到达辐射计天线的能量,会由天线温度转换为亮度温度,而亮度温度就是辐射能量,通常以普朗克(Planck)函数表示该亮度温度。当辐射传递过程中受散射作用而有较多削弱的趋势时,传到天线能量就显着减少,亮度温度所表示的数值就会明显降低。

近几年利用GPS讯号来探测大气中水气含量较为热门。因GPS卫星发射的电磁波讯号会因穿越过性质与状态各异且不稳定的各层空气而产生速度延迟、方向偏折与强度减弱,其原因主要是讯号传递在大气层的传播速度比在真空中要慢,及大气层中传播路径是曲线而非直线,上述现象皆是由传播路径上之折射率(Refractive Index)所引起。前者是由于对流层折射率大于真空折射率,因而造成速度的延迟;后者则是因为大气层各个高度之折射率不同,而使其传递路径形成弯曲的延迟,此与大气中的水气含量多寡较为相关,所以近十年来广泛应用于水气的观测。GPS观测水气含量的优点是较不受到降雨的影响且有较好的时间及空间解析度等。

参考资料:
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