微波探測氣象探測新時代

  我國北方天氣開始持續(xù)晴朗燥熱起來，與北方的“熱”一起成為天氣焦點的，還有臺風(fēng)“鯨魚”、“燦鴻”的生成。我國開始緩慢進(jìn)入熱帶氣旋的多發(fā)季。
    但今年氣象預(yù)報人員似乎有了很足的底氣。5月4日，中央氣象臺發(fā)布熱帶氣旋公報：今年第1號強熱帶風(fēng)暴“鯨魚”于當(dāng)天下午晚些時候加強為臺風(fēng)，下午5時臺風(fēng)中心位于北緯16.7度，東經(jīng)129.2度。預(yù)計，“鯨魚”中心將以每小時15～20公里的速度向東北方向移動，強度繼續(xù)加強。“鯨魚”未來對我國海域無影響……
    “現(xiàn)在我們能清楚地‘看見’臺風(fēng)的形成和走向了。”中科院空間中心微波遙感及航天應(yīng)用工程科學(xué)專家姜景山院士對此深有感觸。
    無論是對氣象工作人員，還是對從事氣象環(huán)境探測的科學(xué)家來說，2008年的5月27日和6月4日都是值得紀(jì)念的日子。
    去年5月27日，我國首顆新一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，將中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心科學(xué)家研制的微波濕度計、空間環(huán)境監(jiān)測器、紫外臭氧探測儀等載荷送上了天。
    8天后，微波濕度計等開機工作，至今已成功運行一年。其間，利用這些儀器準(zhǔn)確“看到”了去年下半年肆虐我國中國臺灣及東南沿海的“海鷗”、“鳳凰”、“森拉克”、“黑格比”、“薔薇”等強臺風(fēng)、熱帶氣旋，積累了大量大氣水汽及強降雨等氣象資料。
 
    高靈敏度大氣微波濕度
 
    探測儀的嘗試
 
    對于氣象衛(wèi)星來說，衛(wèi)星本身是一個載體，具體執(zhí)行探測任務(wù)的是載荷。微波濕度計就是風(fēng)云三號衛(wèi)星的主載荷之一，其應(yīng)用目標(biāo)是探測大氣濕度的垂直分布、水汽含量和降雨量等空間氣象資料。
    “這是我國*用于氣象衛(wèi)星探測大氣濕度垂直分布的高頻率毫米波輻射計，也是我國新一代極軌氣象衛(wèi)星的亮點。”姜景山說。
    微波濕度計采用垂直于飛行方向的交軌掃描方式，工作在水汽吸收頻段，共有5個探測通道。主探測頻率為183GHz，分為3個通道，獲取大氣層不同高度的濕度分布信息；150GHz為輔助探測頻率，在上采用了雙極化設(shè)計。
    姜景山表示：“由于以前國內(nèi)短毫米波的一些關(guān)鍵技術(shù)沒有解決，國內(nèi)對于毫米波、短毫米波集成設(shè)備的研制一直處于比較低的水平，因此星載有效載荷的頻率一直在低毫米波段以下，靈敏度較低。而要想對復(fù)雜的天氣一探究竟就需要高頻率的毫米波輻射計。”
    *個“吃螃蟹”的人是需要勇氣的。在2001年風(fēng)云三號衛(wèi)星立項時，國內(nèi)相關(guān)專家對接近亞毫米波的高頻率輻射計并無信心，因此將微波輻射計的zui高頻率定在50G～60GHz的大氣溫度探測頻段上。但中國氣象局的專家明確表示：“我國是一個臺風(fēng)、暴雨災(zāi)害頻發(fā)的國家，每年人財物損失巨大，要想提高災(zāi)害探測預(yù)報能力，僅有微波溫度計是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，對微波濕度計的需求迫在眉睫。”“183GHz的微波濕度計與水平接軌，將使風(fēng)云三號衛(wèi)星的探測能力發(fā)生質(zhì)的變化，提高我國在氣象衛(wèi)星組織的話語權(quán)。”
    “老實說，當(dāng)初我們心里也沒有底。雖然神舟四號飛船曾搭載了我們研制的微波輻射計，但‘風(fēng)三’對微波濕度計的頻段要求很高。”姜景山回憶。
    后來，在國家“863”項目以及中科院相關(guān)項目的支持下，姜景山帶領(lǐng)中科院空間中心的研究人員做出了高頻段微波濕度計的兩臺樣機。這一消息立即得到了國家氣象局等有關(guān)單位的重視，并決定嘗試在風(fēng)云三號衛(wèi)星上安裝高頻段微波濕度計。2003年1月18日，空間中心的方案設(shè)計通過了項目評審。2004年4月20日，初樣設(shè)計評審；2005年5月17日，轉(zhuǎn)正樣評審；2005年10月28日，正樣設(shè)計通過評審。
    雖然樣機在實驗室連續(xù)運轉(zhuǎn)了幾年沒有出現(xiàn)問題，但項目組研究人員一點也沒有放松緊繃了5年的神經(jīng)。姜景山表示：“上天的儀器和地面運行的儀器有很大的差異。”
    除了在地面進(jìn)行了多次電測、力學(xué)、熱循環(huán)、真空試驗等一系列實驗外，2007年9月21日至24日，項目組在青海湖進(jìn)行了航空校飛試驗。此后的兩個月間，又在敦煌和思茅進(jìn)行了多架次的校飛試驗。
    姜景山說：“1×x=y，這個1是地面，x是上天以后的工作，如果x=0，乘以再大的數(shù)都會等于0，地面工作做得再好，上天不能工作也會前功盡棄，以成功論英雄是航天工作的殘酷性所在。”
    眼看一切準(zhǔn)備就緒，意想不到的事情發(fā)生了。2008年年初，研究人員需要將儀器送到上海進(jìn)行相關(guān)試驗。當(dāng)時我國南方正遭遇雪災(zāi)，運載儀器的車輛走到山東境內(nèi)時，因為路滑遭遇車禍，儀器遭到損壞，隨行的科研人員也受了傷。
    “沒辦法！只有從頭再來！”姜景山對項目組的同事說，“我們要的不是‘你們的工作很辛苦，但沒有取得成果很遺憾’，我們要的是你們能讓x等于1，這才算成功。”經(jīng)過全體項目組人員的努力，微波濕度計按時交付。
 
    微波探測笑攬風(fēng)云變幻
 
    2008年5月27日11時02分33秒，風(fēng)云三號衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射基地順利升空。但直到6月4日儀器開機1分鐘后接收到遙測數(shù)據(jù)，顯示儀器工作正常后，姜景山和項目組人員才稍稍松了口氣。
    不過令姜景山激動的是，從7月15日微波濕度計開始成功監(jiān)測到“海鷗”臺風(fēng)及強降雨，并可以從圖像中清晰分辨出臺風(fēng)形成。
    “這些數(shù)據(jù)我們以前都要依靠國外的氣象衛(wèi)星獲取，現(xiàn)在我們靠自己的高頻率微波遙感技術(shù)就能夠完成了。”作為我國微波遙感的開山人姜景山感到很欣慰。
    風(fēng)云三號不負(fù)厚望，2008年7月下旬，第八號強臺風(fēng)“鳳凰”于西北太平洋上生成，登陸我國中國臺灣及東南沿海；9月8日凌晨，第13號熱帶氣旋“森拉克”在菲律賓北部以東的西北太平洋洋面上生成，逐漸加強成為臺風(fēng)，微波濕度計成功監(jiān)測到其生成、發(fā)展及登陸我國中國臺灣島的過程；9月24日早晨，強臺風(fēng)“黑格比”登陸東南沿海，早在“黑格比”登陸廣東沿海之前，微波濕度計就監(jiān)測到了其形成及走勢；臺風(fēng)“薔薇”于9月24日晚在菲律賓以東洋面生成后，向偏西方向移動，強度迅速加強，微波濕度計圖像可以清晰地看到“薔薇”的分布、形成及走勢……
    中國氣象局衛(wèi)星氣象中心專家表示：“從風(fēng)云三號衛(wèi)星在軌測試的情況看，衛(wèi)星平臺和遙感儀器工作的情況正常。其中收集到的一些數(shù)據(jù)是過去我們國家不具備的*手觀測資料。”
 
    進(jìn)入氣象預(yù)報大家庭
 
    有了衛(wèi)星以后，人類沖出了地球，進(jìn)入空間?，F(xiàn)在的應(yīng)用衛(wèi)星包括氣象衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、環(huán)境災(zāi)害衛(wèi)星等。目前，我國已成為上同時擁有靜止氣象衛(wèi)星和極軌氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)的三個國家之一，世界氣象組織將風(fēng)云氣象衛(wèi)星納入業(yè)務(wù)應(yīng)用氣象衛(wèi)星觀測序列，風(fēng)云衛(wèi)星已成為綜合觀測系統(tǒng)的重要成員。
    “氣象衛(wèi)星是我國發(fā)展的應(yīng)用衛(wèi)星，但現(xiàn)在我們的氣象預(yù)報很多仍依靠國外衛(wèi)星的監(jiān)測數(shù)據(jù)。國外不會實時給我們提供數(shù)據(jù)，總是存在時間差，有時數(shù)據(jù)來了，臺風(fēng)也過去了。”姜景山說。
    氣象專家建議，我們的衛(wèi)星至少要觀測到臺風(fēng)眼的移動?？梢姽?、紅外等技術(shù)手段受大氣、云層的影響要借助光才能觀測，也無法適應(yīng)惡劣的天氣條件。因此對臺風(fēng)眼和臺風(fēng)云層移動的觀察用微波技術(shù)。
    “2002年，我國神舟四號飛船成功發(fā)射，經(jīng)過我們的努力，實現(xiàn)了我國航天微波遙感技術(shù)零的突破，從這里開始，我們有了自己的航天微波遙感技術(shù)。氣象問題是一個性的問題，云的運動沒有國界，但沒有一定水平就無法進(jìn)入系列，進(jìn)入了這個大家庭，我國的氣象衛(wèi)星也有了相對應(yīng)的義務(wù)和權(quán)利。高靈敏度的微波遙感技術(shù)使我們有了在這個大家庭立足的條件。”
    “‘風(fēng)三’運行一年來，微波濕度計、空間環(huán)境監(jiān)測器、紫外臭氧探測儀等儀器運行正常，但我們的目標(biāo)是使其正常運行3年甚至更長時間，這點我們有信心。未來幾年，我們還要發(fā)射其他衛(wèi)星與‘風(fēng)三’接力。要讓我們自己的微波遙感技術(shù)、空間探測技術(shù)為國家甚至大家庭的氣象事業(yè)作出自己的貢獻(xiàn)。”姜景山坦言。
 
微波探測氣象探測新時代