一、從“看天吃飯”到“太空觀測”：氣象衛(wèi)星的前世今生演講人CONTENTS從“看天吃飯”到“太空觀測”：氣象衛(wèi)星的前世今生氣象衛(wèi)星的“十八般武藝”：觀測原理的核心技術“靜止”與“極軌”：氣象衛(wèi)星的“分工合作”從數(shù)據(jù)到天氣：氣象衛(wèi)星的“幕后加工”氣象衛(wèi)星的“中國力量”：風云家族的故事總結：從太空到生活的“氣象守護”目錄2025四年級科學上冊氣象衛(wèi)星觀測原理課件同學們，當你們每天早上打開電視或手機查看天氣預報時，有沒有想過“今天的晴轉多云”“明天有小雨”這些信息是從哪里來的？在我們頭頂數(shù)百公里的太空中，有一群“天空氣象員”正24小時不間斷地工作——它們就是氣象衛(wèi)星。今天，我們就一起走進這些“太空觀察員”的世界，揭開氣象衛(wèi)星觀測原理的神秘面紗。01從“看天吃飯”到“太空觀測”：氣象衛(wèi)星的前世今生1人類對天氣觀測的原始需求早在古代，人類就通過觀察云的形狀、動物的行為來預測天氣，比如“朝霞不出門，晚霞行千里”的諺語。但這種經(jīng)驗性觀測受限于視角和技術，誤差很大。直到17世紀溫度計、氣壓計的發(fā)明，人類才進入“地面儀器觀測”階段；20世紀初，探空氣球和飛機開始搭載儀器，將觀測范圍拓展到對流層，但仍無法覆蓋全球，尤其在海洋、沙漠等無人區(qū)，數(shù)據(jù)長期空白。2氣象衛(wèi)星的誕生：技術突破與需求驅動1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星后，科學家發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星搭載的傳感器能從太空俯瞰地球，彌補地面觀測的不足。1960年4月1日，美國“泰羅斯1號”（TIROS-1）成功發(fā)射，這是人類歷史上第一顆氣象衛(wèi)星。它拍攝的首張衛(wèi)星云圖讓氣象學家震撼——原來云系是如此龐大的螺旋結構！從此，氣象觀測進入“太空時代”。如今，全球已有100多顆氣象衛(wèi)星在軌運行，形成“靜止+極軌”“光學+微波”的立體觀測網(wǎng)。02氣象衛(wèi)星的“十八般武藝”：觀測原理的核心技術氣象衛(wèi)星的“十八般武藝”：觀測原理的核心技術要理解氣象衛(wèi)星如何“看”天氣，我們需要拆解它的三大核心能力：“看什么”“怎么看”“如何傳”。1觀測目標：大氣的“物理指紋”氣象衛(wèi)星的終極目標是獲取大氣的溫度、濕度、氣壓、云量、降水等關鍵參數(shù)。但衛(wèi)星無法直接“稱”空氣有多重，也不能“摸”云有多濕，它依靠的是大氣中不同物質對電磁波的吸收、反射、輻射特性——就像每個人有獨特的指紋，水、二氧化碳、臭氧等氣體和云滴、雨滴等粒子對不同波長的電磁波也有獨特的“響應”，這就是衛(wèi)星識別大氣狀態(tài)的“密碼”。2觀測手段：多波段傳感器的“協(xié)同作戰(zhàn)”氣象衛(wèi)星搭載的傳感器就像它的“眼睛”，但這些“眼睛”能看到人類肉眼看不到的電磁波段。目前主流的觀測波段有三類：2觀測手段：多波段傳感器的“協(xié)同作戰(zhàn)”2.1可見光波段：衛(wèi)星的“白天相機”可見光波段（波長0.4-0.7微米）對應人類肉眼能看到的光。衛(wèi)星上的可見光傳感器類似高清相機，通過接收地表和云頂反射的太陽光成像。白天時，云層越厚，反射的陽光越多，衛(wèi)星云圖上就越亮；反之，海洋或無云的陸地反射率低，圖像偏暗。我們平時在新聞里看到的白色棉絮狀云圖，大多來自可見光觀測（圖1）。但可見光傳感器有個“短板”——夜晚沒有陽光，它就“失明”了，這時候需要紅外傳感器上場。2觀測手段：多波段傳感器的“協(xié)同作戰(zhàn)”2.2紅外波段：衛(wèi)星的“熱成像儀”紅外波段（波長3-15微米）能感知物體自身輻射的熱量。大氣中的所有物體（包括云、地面、海面）都會因溫度不同輻射出不同強度的紅外線：溫度越高，輻射越強。紅外傳感器就像“熱成像儀”，能將這種輻射轉化為溫度數(shù)據(jù)。例如，臺風眼（中心晴空區(qū)）的云頂溫度較高（約-30℃），而周圍深厚的對流云頂溫度極低（可達-80℃），通過紅外云圖的溫度梯度，我們能清晰看到臺風的結構（圖2）。不過，紅外輻射會被云層中的水汽吸收，當云層太厚（如積雨云），紅外傳感器只能“看到”云頂，無法穿透云層內(nèi)部，這時候需要微波傳感器出馬。2觀測手段：多波段傳感器的“協(xié)同作戰(zhàn)”2.3微波波段：衛(wèi)星的“穿透透視鏡”微波波段（波長1毫米-1米）的最大特點是穿透性強——它能穿過云層、小雨，甚至部分積雪，直接探測大氣中更底層的信息。例如，微波濕度計能通過測量183GHz附近的水汽吸收峰，反演大氣中不同高度的濕度分布；微波輻射計能穿透厚云，探測降水粒子的大小和密度，這對暴雨、暴雪的監(jiān)測至關重要（圖3）。這三類傳感器各有優(yōu)劣，氣象衛(wèi)星通常會同時搭載多種波段的儀器，就像用“可見光拍照片”“紅外測溫度”“微波看內(nèi)部”，三者結合就能給大氣做“全身CT”。3數(shù)據(jù)傳輸：從太空到地面的“信息接力”衛(wèi)星在太空中收集的原始數(shù)據(jù)（如電壓信號、數(shù)字編碼）需要傳回地面才能被處理。這依賴于衛(wèi)星上的通信載荷和地面的衛(wèi)星接收站。以我國風云衛(wèi)星為例，衛(wèi)星將數(shù)據(jù)壓縮后，通過S波段或X波段的無線電波向地面發(fā)送；地面站的拋物面天線（直徑通常6-12米）接收信號，經(jīng)過解碼、校準后，傳輸?shù)絿倚l(wèi)星氣象中心。整個過程就像“太空發(fā)快遞”——衛(wèi)星是“快遞員”，無線電波是“運輸工具”，地面站是“快遞網(wǎng)點”。03“靜止”與“極軌”：氣象衛(wèi)星的“分工合作”“靜止”與“極軌”：氣象衛(wèi)星的“分工合作”氣象衛(wèi)星按軌道類型可分為兩類，它們就像“固定崗哨”和“巡邏哨兵”，共同織就全球觀測網(wǎng)。1靜止氣象衛(wèi)星：守在“赤道上空的定點相機”靜止衛(wèi)星運行在地球同步軌道（高度約35800公里），它的公轉周期與地球自轉周期相同（24小時），因此從地面看，它“靜止”在赤道某一經(jīng)度上空（如我國風云四號靜止衛(wèi)星定點于東經(jīng)104.7）。優(yōu)勢：對固定區(qū)域（如東亞、西太平洋）進行高頻次觀測（每5-15分鐘拍一張云圖），適合監(jiān)測臺風、強對流等快速變化的天氣系統(tǒng)；覆蓋范圍廣（單星可覆蓋約1/3地球表面），能連續(xù)追蹤天氣系統(tǒng)的移動。應用實例：2023年臺風“杜蘇芮”登陸前，風云四號衛(wèi)星每1分鐘更新一次臺風眼區(qū)云圖，精準捕捉到臺風眼收縮、強度增強的關鍵過程，為防災決策提供了36小時以上的預警時間。2極軌氣象衛(wèi)星：繞“兩極巡邏的全球掃描儀”極軌衛(wèi)星運行在太陽同步軌道（高度約800-1000公里），軌道平面與太陽光線保持固定夾角，因此每天同一地方時會經(jīng)過同一區(qū)域上空（如上午10點和下午2點）。它的軌道像“毛線團”一樣繞地球兩極，14-16天就能覆蓋全球一次。優(yōu)勢：垂直探測精度高（搭載大氣垂直探測器，可獲取從地面到40公里高空的溫度、濕度廓線）；全球覆蓋無死角，適合監(jiān)測極地、海洋等地面觀測稀缺區(qū)域。應用實例：2022年南極臭氧洞監(jiān)測中，我國風云三號極軌衛(wèi)星通過紫外臭氧探測器，連續(xù)3個月追蹤臭氧濃度變化，發(fā)現(xiàn)臭氧洞面積較往年縮小15%，為全球氣候變化研究提供了關鍵數(shù)據(jù)。3協(xié)同觀測：1+1＞2的“天基網(wǎng)絡”靜止衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星并非獨立工作，而是“互補協(xié)同”：靜止衛(wèi)星提供高頻次、區(qū)域連續(xù)觀測，極軌衛(wèi)星提供高精度、全球覆蓋數(shù)據(jù)。例如，當預報員分析暴雨過程時，會用靜止衛(wèi)星的分鐘級云圖追蹤雨帶移動，同時結合極軌衛(wèi)星的垂直濕度廓線判斷降水潛力，兩者結合才能得出更準確的預報結論。04從數(shù)據(jù)到天氣：氣象衛(wèi)星的“幕后加工”從數(shù)據(jù)到天氣：氣象衛(wèi)星的“幕后加工”衛(wèi)星傳回的原始數(shù)據(jù)只是一堆“0”和“1”的數(shù)字，如何變成我們能看懂的云圖、溫度圖？這需要經(jīng)歷定標、定位、反演三個關鍵步驟。1定標：給數(shù)據(jù)“校準刻度”傳感器在太空中會因溫度變化、儀器老化出現(xiàn)誤差，就像用久的溫度計可能不準。定標就是通過已知參考源（如黑體、太陽）對傳感器進行“校準”。例如，紅外傳感器會同時觀測太空中的冷空（溫度約-270℃）和衛(wèi)星上的黑體（溫度已知），通過兩者的信號差，建立“電壓-溫度”的轉換公式，確保數(shù)據(jù)準確性。2定位：給數(shù)據(jù)“貼地理標簽”衛(wèi)星拍攝的云圖是“太空視角”的投影，需要轉換為我們熟悉的經(jīng)緯度坐標。定位過程需要精確計算衛(wèi)星的軌道位置、姿態(tài)（俯仰、偏航、滾動角度）以及地球曲率、自轉的影響。打個比方，這就像用無人機拍了一張鳥瞰圖，需要根據(jù)無人機的位置和角度，把圖上的每個點對應到地圖上的具體位置。3反演：從“電磁信號”到“氣象要素”這是最復雜的一步?？茖W家通過大氣輻射傳輸模型（描述電磁波在大氣中傳輸規(guī)律的數(shù)學公式），將衛(wèi)星接收到的電磁信號“翻譯”為溫度、濕度、云量等氣象要素。例如，已知某一波段的微波信號強度與大氣中水汽含量有關，通過模型計算，就能從信號強度反推出水汽的垂直分布。05氣象衛(wèi)星的“中國力量”：風云家族的故事氣象衛(wèi)星的“中國力量”：風云家族的故事同學們可能不知道，我國的氣象衛(wèi)星技術已躋身世界第一方陣。從1988年第一顆極軌氣象衛(wèi)星風云一號A星（FY-1A）發(fā)射至今，“風云家族”已發(fā)展到第三代，形成“多星在軌、統(tǒng)籌運行、互為備份、適時加密”的業(yè)務體系。1風云衛(wèi)星的“高光時刻”風云二號（靜止衛(wèi)星）：2008年汶川地震后，它實時監(jiān)測災區(qū)云圖，為直升機救援提供了關鍵的天氣窗口；01風云三號（極軌衛(wèi)星）：2021年河南特大暴雨中，其微波成像儀探測到云頂有“冷云蓋”特征，提前6小時預警強降水；02風云四號（新一代靜止衛(wèi)星）：搭載世界首臺干涉式大氣垂直探測儀，30分鐘內(nèi)可獲取60萬層大氣垂直數(shù)據(jù)，精度達0.5℃。032風云衛(wèi)星的“國際貢獻”我國風云衛(wèi)星數(shù)據(jù)已向全球126個國家和地區(qū)開放，成為世界氣象組織（WMO）全球業(yè)務氣象衛(wèi)星序列的重要成員。2022年湯加火山爆發(fā)時，風云衛(wèi)星第一時間提供火山灰擴散路徑圖，幫助多國航空公司調(diào)整航線；2023年非洲薩赫勒地區(qū)干旱監(jiān)測中，風云衛(wèi)星的土壤濕度數(shù)據(jù)為3000萬受影響人口的糧食援助提供了依據(jù)。06總結：從太空到生活的“氣象守護”總結：從太空到生活的“氣象守護”同學們，氣象衛(wèi)星的觀測原理看似復雜，核心其實是**“通過電磁波感知大氣特征，再將信號轉化為可理解的氣象信息”**。它就像太空中的“超級氣象站”，用可見光“拍云照”、紅外“測溫度”、微波“看內(nèi)部”，靜止衛(wèi)星“盯區(qū)域”、極軌衛(wèi)星“掃全球”，最終為我們提供精準的天氣預報，守護著我們的生命財產(chǎn)安全。當你們未來看到天氣