编者按:当金秋的风拂过大地,我们对秋天的感知,正被科技赋予新的维度。本期科普看台便是一次用气象科技"打开"秋天的尝试:从太空中卫星俯瞰秋分晨昏线划过地球的壮美瞬间,到天气雷达追踪候鸟迁飞的轨迹,再到"红叶地图"精准标注赏秋佳期——气象科技成为连接季节更替、生物迁徙叠映人间景致的纽带。愿您透过这些文字与画面,看见不一样的秋日风景,读懂科技背后的自然诗意。
专家顾问 :
中国气象局气象探测中心正研级高级工程师 吴东丽
中国气象局气象探测中心高级工程师 刘聪
中央气象台正研级高级工程师 徐玲玲
从风云气象卫星瞰"秋貌"
秋天在人们眼中是什么样子?是天高云淡水天一色,是沃野丰饶瓜果飘香,还是塞下秋来金风浩荡?在几万公里外的太空中,风云气象卫星所"看"到的秋天,却是另一番壮阔景象——冷空气自北而来,伴随降温、晨雾和霜冻;秋意渐浓,高海拔处披上薄雪;大洋之上,秋台风正在酝酿一场猛烈风雨......
秋日的大地,候鸟正踏上南迁的旅程。对于它们而言,这一天不过是寻常的一次飞翔。而当风云气象卫星的视线扫过湿地上空时,便捕捉到了寻常中难以察觉的地球奇观——南北昼夜平分,晨线贯通两极。这一天,太阳直射赤道,南北半球昼夜均等。从卫星云图上看,白昼与黑夜的界限清晰如线,自北向南笔直贯穿两极,呈现出难得一见的"平衡"之美。然而,这种平衡是短暂的。随着地球绕日运转,晨昏线开始倾斜,这象征着昼夜的天平逐渐向南倾斜,北半球正式迈入昼短夜长的季节。
图为风云四号B星捕捉到的秋分晨昏线 国家卫星气象中心供图
秋分前后,秋高气爽。但对静止气象卫星而言,却迎来了一年之中的又一次"日凌"困扰——顾名思义,太阳会对气象卫星的工作产生干扰。静止气象卫星在36000公里以外的轨道上"注视"地球,与地球同步转动。每年春分和秋分前后几日,太阳、地球与静止轨道气象卫星会呈直线排列。此时,卫星地面站天线在对准卫星的同时也会对准太阳,太阳产生的强大电磁波直接投射在地面站天线上,形成一个巨大的噪声源,对卫星信号造成干扰,导致接收链路严重恶化甚至中断。与此同时,这几日的午夜,气象卫星运行到地球背向太阳的一侧,失去太阳提供的能量,这一现象通常被称为秋季"地影期"。为保护搭载仪器,气象卫星会在这一时期进入短暂休整状态,以避开风险。
秋来江南,晚稻成熟,青葱的绿意已然褪去。风云气象卫星也在太空注视俯视这片丰饶的土地。其搭载的中分辨率光谱成像仪(MERSI)通过归一化植被指数(NDVI)的变化捕捉到稻谷的生长情况。NDVI是一种简单而有效的植被活动监测指标,由分析植被在不同光谱波段的反射率数据计算得出,取值在-1到1之间。数值越接近1,表示植被越茂盛;越接近-1,则代表植被越稀疏。夏季晚稻生长期NDVI达到峰值,到了秋季,稻谷渐熟,叶片枯黄,NDVI值随之下降——这正是丰收的征兆。这一时期,风云气象卫星也持续监测降水、降温及土壤湿度的变化,为农业生产和粮食收获提供科学依据。
作为极轨卫星,风云三号E星频繁经过高纬极区,它已经追踪到了北方降温的"罪魁祸首"——北极涡旋。这是一个位于高空的大规模低压系统,围绕北极地区,强冷空气被锁在其中,在高纬度地区形成冷中心。通过搭载的微波辐射计,风云气象卫星能完整记录这一过程。当北极极涡逐渐形成并增强时,强冷空气便被困在极地。从850hPa温度图上看,北极地区存在一个集中而明显的低温区。然而,当北极极涡变得不稳定,甚至发生分裂时,冷空气便会突破束缚,迅速向南扩散。低温区也随之南移,北极地区气温则相应回升,进而引发一次大范围的寒潮天气。
当南下的冷空气流经温暖的海洋,与洋面上的暖湿气流相遇,水蒸气遇冷凝结,天空中云系也有了不同寻常的变化。风云气象卫星将这一切尽收眼底:云图上,壮观的冷流云清晰可辨。冷流云由一个个细小的云块组成,它们如棉絮一般细密紧凑、均匀连续,顺着风向整齐排列。秋意渐浓,这样的景象会出现得越发频繁。这也预示着降水甚至冷流雪的出现。
每当秋风渐起,南迁的候鸟便在秋色中开启一场秋日的旅途。而万里之外的风云气象卫星,则以太空的视角,从高山的初雪到海洋的风暴,从北国的寒流到江南的丰收,及时、精准捕捉每一次风暴的威胁,也记录每一场晴空的宁静。(通讯员:刘楚薇 记者:林禹彤)
天气雷达洞察候鸟"秋徙"
"秋风起兮白云飞,草木黄落兮雁南归。"每年,数以百万计的候鸟为躲避凛冬,都会乘着秋风开启一场横跨大陆甚至洲际的生命大迁徙。在我国辽阔的大地上,一座座高塔般的天气雷达正矗立其间,用科技之眼注视着它们的一举一动。
说起天气雷达,大家第一印象往往是监测降水的利器,可少有人知,它还能"看见"候鸟的迁徙——因为鸟类富含水分的躯体,在雷达视角中如同一个个巨大的水滴。所以当鸟类在空中成群结队飞行时,天气雷达屏幕上就会观察到一片"特立独行的雨"在快速移动。
9月29日,山东济宁天气雷达监测到的候鸟迁飞回波,蓝色点状代表回波强度小,黄色点状代表回波强度大,回波强度越大,通常鸟类活动面积或密度越大。 刘聪供图
那又该如何区分鸟类活动与降水回波呢?
每天清晨,迁徙途中短暂停歇的鸟类,会从栖息地集体出发觅食补充能量——如同清晨人们从家中出发,前往不同餐馆享用早餐。因此,在雷达屏幕上,会看到一个明显的圆环形状。同时,这个圆环会不断扩大,但圆环的回波强度却在逐渐减弱,这正是鸟群从大密度"熙熙攘攘"地赶路,到分散各处觅食的过程。这种特殊的雷达回波形态变化规律,就是鸟类活动在天气雷达上最为直观的体现。
对于那些不停歇觅食、持续迁徙的鸟类,天气雷达也自有办法。迁徙鸟类堪称"运动健将",无风时仅靠拍打翅膀,大多数个体的飞行速度就能超过6米/秒,所以它们产生的雷达回波,在移动方向、速度与路径上,都与作为"背景"的大气运动有着很大不同。通过分析回波速度差异区分鸟类与气象回波,也成为天气雷达鸟类监测最早应用的技术之一。
随着技术进步,科技人员提出利用水平、垂直两路偏振电磁波获取雨滴形态,进而提升雷达估测降水的精度与能力。与此同时,人们发现双偏振技术也同时提高了天气雷达对于鸟类的识别能力。
通常而言,雨滴在下落过程中会因空气阻力被挤压,形成扁球体——类似躺在碗里的汤圆。但在雷达眼里,鸟类的形态则截然不同。鸟类有一对远超身体长度的翅膀,平展时,雷达眼里的形态就像一个扁平的"飞碟";拍打时,扬起或垂落的翅膀则形似耸立的火箭。因此,相较于分布规律的气象回波,鸟类在雷达双偏振产品中的信号呈现更为"无序"。
目前,全球公认的主要鸟类迁徙路线有九条,每年约有数百亿只候鸟参与迁徙。其中四条(东亚—澳大利西亚迁徙线、西亚—东非迁徙线、西太平洋迁徙线、中亚迁徙线)途经我国。随着人类工业文明的发展,人们在享受美好生活的同时,也给地球上居住更久的鸟类带来诸多困扰:城市人造灯光会让夜间迁徙的鸟类迷失方向,湿地被侵占则导致鸟类愈发难以找到能量补给站。
中国式现代化是人与自然和谐共生的现代化。为摸清鸟类迁徙规律、掌握精准的迁徙路线,气象科技工作者正依托天气雷达网,开展鸟类活动精准监测,助力鸟类保护工作提质增效。目前,我国已经建成全球规模最大的天气雷达网,随着天气雷达空中生态监测力度持续加大,我国正在成为全球少数拥有自主大陆尺度空中生物迁徙监测能力的国家之一,将为建立生态安全体系、维护我国生态文明,提供来自天气雷达网的坚实支撑。(通讯员:滕玉鹏)
(策划:于桐 林禹彤 责任编辑:曹锐怡)