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衛星觀測

(摘自氣象資料同化6~13頁，曾忠一著，渤海堂，1997)

1957年10月4日前蘇聯（CCCP）發射了第一顆人造衛星史潑尼克1號（Sputnik，這個字的意義就是衛星），開啟了太空時代的新紀元。美國接著也急起直追，最後在1960年4月1日發射了第一顆氣象衛星TIROS-1號，可提供雲圖，做為天氣分析的參考之用。人類終於可從太空往下方觀測大氣現象，這是氣象學家多年來的夢想之一。這就像我們會一直希望從飛機上欣賞到我國中央山脈等六大山系的壯麗風景，也像郊山愛好者希望能從飛機上看到台北地區的峰頭尖（609m）連峰、皇帝殿（579m）連峰和筆架山（585m）連峰，甚至也像人們希望有機會乘船（例如以前的花蓮輪）從外海詠嘆東海岸的美麗。

過去三十多年來已有數十顆氣象衛星升空，它們從提供定性的雲圖進步到提供氣溫、水汽、風和其他氣象變數的精密觀測結果，這些資料填補了海洋、沙漠和極區等測站缺乏地區的空隙，對天氣分析和預報準確度的改善有莫大的助益。除了這些以外，氣象衛星還可以用來監測颱風及其他風暴系統，並且監視地球氣候及其變動。

基本上說，在世界天氣守視網（WWW）的任務下，全球有兩種氣象衛星系統，一為太陽同步衛星（sun-synchronous satellite），另一為地球同步衛星（geosynchronous satellite）。太陽同步衛星大部分通過南北極附近，通常稱為繞極軌道衛星（polar orbiting satellite）。現在（1997年7月）運轉中的NOAA系列衛星是第四代氣象衛星，包括NOAA-9號、11號、12號和14號。在正常情況下，這一系列衛星平均高度約820公里，繞地球一周約需時101分鐘，每天通過某一地點附近上空兩次。因為有兩顆以上的衛星同時運轉，故可配合每隔6小時發布一次的天氣預報。這系列衛星裝載多種儀器（見曾1988），其中和天氣分析預報有密切關係的是下面兩種：

𡛼 1. 極精密高分辨率輻射計（AVHRR）以5個頻道同時從太空掃描地球大氣，其資料可組成可見光和紅外雲圖。三個紅外頻道的數據可用來決定雲參數和海面溫度。AVHRR的地面分辨（ground reso- lution），在星下點（subsatellite point）處為1.1公里×1.1公里，在掃描帶（swath）邊緣為6.5公里×2.4公里。

𥕛 2. 泰洛斯業務垂直探測器（TOVS），這組儀器包括三個輻射計，各有不同的功能。高分辨率紅外輻射探測器（HIRS）是具有20個可見光和紅外頻道的掃描輻射計，可以探測對流層內氣溫和水汽垂直分布以及臭氧總含量。HIRS的地面分辨率，在星下點處為18.6公里×18.6公里，在掃描帶邊緣為62.8公里×31.8公里。平流層探測單元（SSU）以3個紅外頻道觀測平流層中的氣溫垂直分布。最後微波探測單元（MSU）以4個微波頻率觀測波長0.5cm的氧吸收帶，可穿透雲層探測雲下的氣溫垂直分布。MSU和SSU的地面分辨率較低，但仍然比探空測站的分辨率高。

圖1-3表示NOAA-10號衛星（周期101.2分鐘，軌道傾角orbital inclination ，高度850公里）上輻射計HIRS的視點（十字）和東亞地區探空測站（白圈）的分布。昇交點（ascending node）經度，也就是衛星北上通過赤道時的經度，設為127.38，這樣衛星會通過台北市上空。圖中通過台北市的曲線就是星下點軌跡（subsatellite track）。HIRS輻射計由左往右掃描，在這張Lambert投影地圖（見2.1節）上形成大致垂直於星下點軌跡的掃描線（圖中未畫出這些掃描線），每條掃描線上有56點，這些點稱為視場（field of view）。也就是說，衛星對每條掃描線上的56個視場進行輻射觀測，在星下點處每個觀測代表18.6公里×18.6公里地區內放出的輻射，在邊緣處代表62.8公里×31.8公里的輻射，這就是上面所說的地面分辨率。當衛星繼續往前運動時，就繼續掃描，得到圖中所示的密集分布的視場。在每個視場可以推算出氣溫和水汽的垂直分布，這個技術就是大氣遙測的主要內容。換句話說，每個視場相當於一個測站。等到衛星繞地球一周再度北上通過赤道時，昇交點經度大約往西移25.4°，此時視場大約分布在前一圈的西邊。因此，衛星大約只要繞四五圈就可將圖中範圍內的區域全部掃描到。

圖1-4 軌道傾角，高度850公里的繞極軌道衛星（NOAA-10）的地面軌跡，這張圖使用Mercator投影，i為軌道傾角。

圖1-4表示NOAA-10號衛星星下點軌跡的一個例子。由圖中可以看出，這顆衛星所能到達的最高緯度大約為，這個角度和軌道傾角加起來正好等於。另外我們發現，衛星繞地球一周後，昇交點經度大約往西移。

由圖1-3和圖1-4可以發現下面幾點事實：

𡛼 1.衛星可迅速地獲取大量的氣象資料，其水平分辨率遠大於探空測站。衛星資料在海洋、沙漠、極區等地是唯一的資料來源，對天氣分析和預報有絕對的助益。

𥕛 2.衛星資料的取得在時間上幾乎是連續的，當然不是定時的，也就是說並不是在綜觀時間0000和1200UTC時取得的。不過衛星周期大約為101.2分鐘，在圖1-3中由菲律賓飛行到貝加爾湖（Ozero Baikal）只不過15分鐘，因此圖中所示的視場資料可當做同時取得的。可是下一圈取得的資料就在101.2分鐘以後了。因為衛星資料在時間上是非定時的，故將它們引進數值天氣分析系統中時，除了空間外還必須考慮時間的因素。因此非定時衛星資料造成四維資料同化（four-dimensional data assimilation）的蓬勃發展，大幅改善了天氣分析和預報的準確度。

另一種氣象衛星具有地球同步軌道。地球同步衛星位於赤道上空約三萬六千公里處，繞地球運行的角速度和地球自轉角速度一樣，在地面上看來幾乎是靜止的，故又稱為地球靜止衛星（geostationary satellite）。在世界天氣守視網下，全球有五顆地球同步衛星同時作業，涵蓋大部分地球表面，除了極區之外，如圖1-5所示。這五顆衛星是位於的GMS，W和W的兩顆GOES，E的METEOSAT以及的INSAT。一顆地球同步衛星可對地表大約四分之一面積進行連續觀測，主要任務為監測快速發展的風暴，並且追蹤雲塊的移動以便估計風向風速。最近的地球同步衛星有些更具有求取海面溫度和由水汽移動決定風向風速的能力，甚至可以探測氣溫和水汽垂直分布。

我國各氣象單位能接收到GMS的資料。目前運轉中的是GMS-5號衛星（1995年3月18日發射），最重要的儀器是可見光和紅外自旋掃描輻射計（VISSR）。VISSR具有1個可見光頻道（波長範圍0.5到0.75m ），2個紅外窗區頻道（window channel）（波長範圍分別為10.5到11.5m 和11.5到12.5m），以及1個水汽頻道（波長範圍為6.5到7.0m）。利用可見光頻道和紅外頻道的資料可以製作出雲圖，做為天氣分析之用。同時也可以透過追蹤雲塊的移動，決定風向風速，這就是所謂雲漂風或雲運動風（cloud motion wind）。另外，由兩個紅外窗區頻道的資料可以決定海面溫度。位於我國南北海岸三座核電廠排放的廢水，提高了附近海水的溫度，造成大量珊瑚死亡，徹底破壞沿岸的生態，這種熱污染可以用衛星觀測來監視。還有，由水汽頻道資料可以估計風向風速，這就是所謂水汽風（water vapor wind）。除了這些以外，由VISSR的資料還可決定許多地表參數，不在這裏進一步說明。

圖1-5 五顆地球同步氣象衛星的涵蓋範圍，使用Mercator投影地圖。

圖1-6表示1995年8月22日2332UTC由GMS-5號水汽頻道資料決定出來的4個氣壓層（150-225mb, 226-275mb, 276-350mb和351-450mb）的水汽風（透過網際網路Internet自北美威斯康辛大學UW取得）。原圖為彩色，可看出風速羽（barb）所屬的氣壓層。這些由衛星資料決定出來的風資料分布在廣大的太平洋洋面上，對這地區的天氣分析和預報有莫大的助益。

由觀測系統得到的氣象資料一定有誤差，它們可分為兩大類。一為自然誤差，包括儀器誤差（instrument error）和代表性誤差（error of representativeness）。代表性誤差和存在於大氣中卻不能被觀測網偵測到的小尺度氣象擾動有關。另一為重大誤差（gross error），這其實是絕對的錯誤，是由於人為因素、不當的儀器校準（calibration）和電信傳送等所造成的。我們將在1.4節中說明重大誤差的檢驗。

衛星資料的準確度和分辨率的估計值已在表1-1中列出。衛星得到的氣溫垂直分布資料有的誤差，在有雲地區誤差更大。現在利用衛星雲圖估計出來的風速，在低層（約850mb）誤差可降低到，在高層（250mb處）可達到。由衛星觀測得到的氣溫和風速資料確是非常珍貴的，不但可補充高空觀測的不足，而且在沒有高空觀測或飛機資料的海洋上更是唯一的資料來源。可是引進衛星得到的氣溫和風速資料時，這些誤差在分析和預報時也可能會減少而不是增加準確度。此外，即使觀測誤差能完全訂正過來，小尺度噪聲（noise）也可能在分析和預報時產生嚴重的錯誤。最明顯的例子是雷雨附近地區的氣溫和風的探空資料不能使用。

在探空觀測網密集的北美和歐亞大陸等地，兩個相鄰測站的平均距離大約在300到500公里之間，其他地區則測站相當稀疏。此外，衛星資料由於會受到雲的影響，分布也不均勻，雖然密度較一般常規資料大得很多，但是不能立刻應用在小尺度分析和隨後的預報。在這種情況下，氣象學家只將衛星資料應用於大中尺度分析和預報。