GOES卫星数据如何“刻画”壮丽的地球

　　目前，美国地球静止轨道气象卫星GOES-14和15转入在轨存放状态，依靠新一代GOES-R系列的前两颗卫星GOES-16和GOES-17，提供了美丽的地球图像。然而，公众在电视、电脑和移动设备上看到的这些图像其实是卫星观测到的数据显示的，而不是实际的照片或视频。那么，这些图像是怎么实现的呢？

　　卫星如何“看到”地球

　　卫星成像仪利用遥感技术从地球上空收集有关地球的信息。GOES-R系列卫星搭载了一种叫做Advanced BaselineImager(ABI)的仪器，它可以接收电磁波谱上不同波长的能量。电磁波谱覆盖无线电波到伽马射线，是自然界中光线存在的全部波谱范围。由于不同的物体吸收或反射不同波长的光，ABI可以测量16个光谱波段（或通道）的可见光和红外能量。

　　然而，ABI并不是瞬间快照卫星下方整个地球景象，而是使用两个扫描镜扫描地球的“狭长地带”，一个从北到南，另一个从东到西。每次东西方向扫描完成后，南北方向的扫描镜移动到一个新的位置，开始新的东西方向扫描。经过22次完整的扫描便可拼接成一个完整的圆盘图。

　　测量能量

　　ABI的每一个通道都可以测量特定波长的光在电磁波谱上反射或发射的能量，从而获得关于地球大气、陆地或海洋的信息。ABI的光谱波段包括两个可见光通道、四个近红外通道和十个红外通道，其中可见光通道只能在白天观测。这很像我们的眼睛，因为它们只能捕捉从地球反射回来的太阳光。相比之下，ABI的红外通道可以探测到肉眼无法看到的能量。红外通道收集地球表面和云层等物体发射的能量，可以实现全天不间断的红外能量探测。所以，也可以把ABI看作是夜视镜，它使用图像增强技术来看到所有可用的光线。每个ABI通道都可以用来探测地球特定的特征，比如云层类型、大气中的水汽、臭氧和二氧化碳含量、冰或雪区域等。

　　ABI采集被称为光子的光粒子。当光子撞击ABI探测器时，它们会在探测器中产生与入射光能量成比例的电荷。ABI的电子设备读取电荷值并将其转换成数字信号。

　　转换卫星数据

　　来自ABI的信息被转换成无线电波，并传送到地面的天线上。信息随后被发送到卫星数据处理中心的计算机上。这种信息是用二进制代码来传输的，二进制代码是一种数字语言，它只使用两个数字:0和1，通过计算机软件可以被转换成8个字符。每个物体探测到的光能量值都被以数字的形式记录下来，然后计算机将信息转换成图像。

　　卫星图像，就像电视上的图片一样，是由叫作图片元素(简称“像素”)的小方块组成的。卫星图像中的每一个像素都代表了该部分图像记录的相对反射或发射的光能。通过卫星传送的二进制信号为每一段电磁波谱赋予一个值，这些数字可以转换为灰度值(图像中的每个像素只表示一定数量的光，并且仅由灰色阴影组成)，从而生成像素形式的黑白图像。

　　创建颜色

　　科学家可以根据ABI数据在电磁波谱上所代表的光的颜色，将颜色分配给ABI数据的“波段”。为了从卫星数据中构建出对人眼有意义的合成图像，需要使用电磁光谱中可见光部分的颜色——红色、绿色和蓝色。这三种原色可以以不同的强度组合成所有可能的颜色。红色指定表示红光的频带，蓝色指定表示蓝光的数据频带。ABI没有真正的“绿光”带，因此使用一个查找表来模拟这些信息，这个查找表是使用日本气象厅的高级 Himawari成像仪的数据创建的，该成像仪与ABI非常相似，但是包含一个“绿色”通道。

　　多光谱图像

　　随后，将多个ABI通道的数据组合可以提供更多的信息。根据某种通道组合方式可以实现对我们感兴趣区域特征的增强。当用特定的方式进行多通道数据组合，便会创造出一个合成图像，呈现出不同的颜色以便被人类视觉感知到。最终得到的是各种真彩色“RGB”或者伪彩色合成图像，突出大气和地球表面特征，而这些特征往往很难或很耗时地从单通道图像中区分出来。彩色合成图像为天气预报员提供了重要信息，帮助他们了解快速变化的天气情况。

　　动态的图片

　　此外，也可以将一系列ABI图像制作成动画。由于ABI的快速扫描能力，可以每30秒收集一次特定区域的数据。这使得天气预报员能够在天气事件发生时查看天气情况，并近乎实时地跟踪正在形成的风暴区域。了解风暴中云形成的速度可以帮助天气预报员对严重风暴进行监测和预警。ABI还可以在雷达中断期间或在雷达覆盖稀少的地区提供关键数据。

　　这些丰富多彩的图像的背后，需要进行大量的工作，但这些付出不仅仅是为了得到一幅漂亮的图片。这幅生动的图像包含了大量的卫星数据所传递的复杂的环境信息，揭示了雾、积雪、冰、火山灰、云属性、气团温度和湿度特征等重要天气现象的发生和演变。

(来源：中国气象报社)