【天文台科普】點測量雲頂高度?氣象衛星全靠物理定律「計數」

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(原文取自天文台網頁,大小標題、引言及內文,經過香港01編輯修訂)

雲可發展的高度取決於大氣條件,例如在不穩定的大氣情況下,雲團一般發展至對流層的上層。知道雲頂的高度能幫助了解大氣的狀態。此外,雲頂的高度對於機師决定是否繞過或攀越對流雲也是很重要的資訊。 我們可以使用氣象衛星從上方觀察雲層,從而估計雲頂的高度。這又是如何做到的呢?

物理上我們知道所有物件都會發出電磁波,而發出的能量會根據物件自身的溫度而定。透過量度由雲頂發出的特定波長的電磁波,我們可以根據普朗克定律(1)估算相應的雲頂溫度。例如通過地球同步氣象衛星的紅外光感應器我們就可以探測到雲頂所發出的紅外線電磁波。由於紅外光不能穿透雲,由這頻度所量度的溫度是相當接近雲頂表面的溫度。有了雲頂溫度,我們可以從高空探測系統量度的或由數值天氣預報模式估計的大氣溫度垂直廓線找出雲頂溫度所對應的高度。圖一是透過紅外線的測量而得出雲頂高度的示意圖。

圖一:左圖為向日葵8號衛星的紅外光圖像,藍色方格中的雲頂高度可由右圖的垂直溫度廓線中找出雲頂溫度所對應的高度(如虛線所示)。(香港天文台提供)

此外,一些配備了激光雷達的極地軌道氣象衛星也能直接測量雲頂的高度。激光雷達向下面的雲頂發射激光脈衝,該激光脈衝會被雲中的粒子如水滴和冰粒反射,衛星上的儀器透過測量發送和接收該脈衝的時間差,便可以計算出雲頂的高度。例如,CALIPSO 衛星(2)配備了激光雷達,其中的任務便是測量雲層的垂直結構(圖二)。

圖二:CALIPSO 衛星(圖片來源:NASA CALIPSO)(香港天文台提供)

參考:

維基百科,普朗克定律

https://www-calipso.larc.nasa.go

原文:如何利用氣象衛星測量雲頂高度?

作者:香港天文台譚曉晴



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