微波探測(cè)氣象探測(cè)新時(shí)代

  我國(guó)北方天氣開始持續(xù)晴朗燥熱起來(lái)，與北方的“熱”一起成為天氣焦點(diǎn)的，還有臺(tái)風(fēng)“鯨魚”、“燦鴻”的生成。我國(guó)開始緩慢進(jìn)入熱帶氣旋的多發(fā)季。
    但今年氣象預(yù)報(bào)人員似乎有了很足的底氣。5月4日，中央氣象臺(tái)發(fā)布熱帶氣旋公報(bào)：今年第1號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“鯨魚”于當(dāng)天下午晚些時(shí)候加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，下午5時(shí)臺(tái)風(fēng)中心位于北緯16.7度，東經(jīng)129.2度。預(yù)計(jì)，“鯨魚”中心將以每小時(shí)15～20公里的速度向東北方向移動(dòng)，強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)。“鯨魚”未來(lái)對(duì)我國(guó)海域無(wú)影響……
    “現(xiàn)在我們能清楚地‘看見’臺(tái)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(duì)此深有感觸。
    無(wú)論是對(duì)氣象工作人員，還是對(duì)從事氣象環(huán)境探測(cè)的科學(xué)家來(lái)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(guó)首顆新一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，將中國(guó)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(jì)、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器、紫外臭氧探測(cè)儀等載荷送上了天。
    8天后，微波濕度計(jì)等開機(jī)工作，至今已成功運(yùn)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(guó)中國(guó)臺(tái)灣及東南沿海的“海鷗”、“鳳凰”、“森拉克”、“黑格比”、“薔薇”等強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、熱帶氣旋，積累了大量大氣水汽及強(qiáng)降雨等氣象資料。
 
    高靈敏度大氣微波濕度
 
    探測(cè)儀的嘗試
 
    對(duì)于氣象衛(wèi)星來(lái)說，衛(wèi)星本身是一個(gè)載體，具體執(zhí)行探測(cè)任務(wù)的是載荷。微波濕度計(jì)就是風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星的主載荷之一，其應(yīng)用目標(biāo)是探測(cè)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(guó)*用于氣象衛(wèi)星探測(cè)大氣濕度垂直分布的高頻率毫米波輻射計(jì)，也是我國(guó)新一代極軌氣象衛(wèi)星的亮點(diǎn)。”姜景山說。
    微波濕度計(jì)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(gè)探測(cè)通道。主探測(cè)頻率為183GHz，分為3個(gè)通道，獲取大氣層不同高度的濕度分布信息；150GHz為輔助探測(cè)頻率，在上采用了雙極化設(shè)計(jì)。
    姜景山表示：“由于以前國(guó)內(nèi)短毫米波的一些關(guān)鍵技術(shù)沒有解決，國(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)復(fù)雜的天氣一探究竟就需要高頻率的毫米波輻射計(jì)。”
    *個(gè)“吃螃蟹”的人是需要勇氣的。在2001年風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星立項(xiàng)時(shí)，國(guó)內(nèi)相關(guān)專家對(duì)接近亞毫米波的高頻率輻射計(jì)并無(wú)信心，因此將微波輻射計(jì)的zui高頻率定在50G～60GHz的大氣溫度探測(cè)頻段上。但中國(guó)氣象局的專家明確表示：“我國(guó)是一個(gè)臺(tái)風(fēng)、暴雨災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，每年人財(cái)物損失巨大，要想提高災(zāi)害探測(cè)預(yù)報(bào)能力，僅有微波溫度計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，對(duì)微波濕度計(jì)的需求迫在眉睫。”“183GHz的微波濕度計(jì)與水平接軌，將使風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星的探測(cè)能力發(fā)生質(zhì)的變化，提高我國(guó)在氣象衛(wèi)星組織的話語(yǔ)權(quán)。”
    “老實(shí)說，當(dāng)初我們心里也沒有底。雖然神舟四號(hào)飛船曾搭載了我們研制的微波輻射計(jì)，但‘風(fēng)三’對(duì)微波濕度計(jì)的頻段要求很高。”姜景山回憶。
    后來(lái)，在國(guó)家“863”項(xiàng)目以及中科院相關(guān)項(xiàng)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(jì)的兩臺(tái)樣機(jī)。這一消息立即得到了國(guó)家氣象局等有關(guān)單位的重視，并決定嘗試在風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星上安裝高頻段微波濕度計(jì)。2003年1月18日，空間中心的方案設(shè)計(jì)通過了項(xiàng)目評(píng)審。2004年4月20日，初樣設(shè)計(jì)評(píng)審；2005年5月17日，轉(zhuǎn)正樣評(píng)審；2005年10月28日，正樣設(shè)計(jì)通過評(píng)審。
    雖然樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了幾年沒有出現(xiàn)問題，但項(xiàng)目組研究人員一點(diǎn)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(yùn)行的儀器有很大的差異。”
    除了在地面進(jìn)行了多次電測(cè)、力學(xué)、熱循環(huán)、真空試驗(yàn)等一系列實(shí)驗(yàn)外，2007年9月21日至24日，項(xiàng)目組在青海湖進(jìn)行了航空校飛試驗(yàn)。此后的兩個(gè)月間，又在敦煌和思茅進(jìn)行了多架次的校飛試驗(yàn)。
    姜景山說：“1×x=y，這個(gè)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(huì)等于0，地面工作做得再好，上天不能工作也會(huì)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(yàn)。當(dāng)時(shí)我國(guó)南方正遭遇雪災(zāi)，運(yùn)載儀器的車輛走到山東境內(nèi)時(shí)，因?yàn)槁坊庥鲕嚨湥瑑x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(lái)！”姜景山對(duì)項(xiàng)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(xiàng)目組人員的努力，微波濕度計(jì)按時(shí)交付。
 
    微波探測(cè)笑攬風(fēng)云變幻
 
    2008年5月27日11時(shí)02分33秒，風(fēng)云三號(hào)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(jī)1分鐘后接收到遙測(cè)數(shù)據(jù)，顯示儀器工作正常后，姜景山和項(xiàng)目組人員才稍稍松了口氣。
    不過令姜景山激動(dòng)的是，從7月15日微波濕度計(jì)開始成功監(jiān)測(cè)到“海鷗”臺(tái)風(fēng)及強(qiáng)降雨，并可以從圖像中清晰分辨出臺(tái)風(fēng)形成。
    “這些數(shù)據(jù)我們以前都要依靠國(guó)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(guó)微波遙感的開山人姜景山感到很欣慰。
    風(fēng)云三號(hào)不負(fù)厚望，2008年7月下旬，第八號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”于西北太平洋上生成，登陸我國(guó)中國(guó)臺(tái)灣及東南沿海；9月8日凌晨，第13號(hào)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(qiáng)成為臺(tái)風(fēng)，微波濕度計(jì)成功監(jiān)測(cè)到其生成、發(fā)展及登陸我國(guó)中國(guó)臺(tái)灣島的過程；9月24日早晨，強(qiáng)臺(tái)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(jì)就監(jiān)測(cè)到了其形成及走勢(shì)；臺(tái)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(dòng)，強(qiáng)度迅速加強(qiáng)，微波濕度計(jì)圖像可以清晰地看到“薔薇”的分布、形成及走勢(shì)……
    中國(guó)氣象局衛(wèi)星氣象中心專家表示：“從風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星在軌測(cè)試的情況看，衛(wèi)星平臺(tái)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(guó)家不具備的*手觀測(cè)資料。”
 
    進(jìn)入氣象預(yù)報(bào)大家庭
 
    有了衛(wèi)星以后，人類沖出了地球，進(jìn)入空間。現(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(guó)已成為上同時(shí)擁有靜止氣象衛(wèi)星和極軌氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)的三個(gè)國(guó)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(cè)序列，風(fēng)云衛(wèi)星已成為綜合觀測(cè)系統(tǒng)的重要成員。
    “氣象衛(wèi)星是我國(guó)發(fā)展的應(yīng)用衛(wèi)星，但現(xiàn)在我們的氣象預(yù)報(bào)很多仍依靠國(guó)外衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。國(guó)外不會(huì)實(shí)時(shí)給我們提供數(shù)據(jù)，總是存在時(shí)間差，有時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)了，臺(tái)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(cè)到臺(tái)風(fēng)眼的移動(dòng)。可見光、紅外等技術(shù)手段受大氣、云層的影響要借助光才能觀測(cè)，也無(wú)法適應(yīng)惡劣的天氣條件。因此對(duì)臺(tái)風(fēng)眼和臺(tái)風(fēng)云層移動(dòng)的觀察用微波技術(shù)。
    “2002年，我國(guó)神舟四號(hào)飛船成功發(fā)射，經(jīng)過我們的努力，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)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(gè)性的問題，云的運(yùn)動(dòng)沒有國(guó)界，但沒有一定水平就無(wú)法進(jìn)入系列，進(jìn)入了這個(gè)大家庭，我國(guó)的氣象衛(wèi)星也有了相對(duì)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(gè)大家庭立足的條件。”
    “‘風(fēng)三’運(yùn)行一年來(lái)，微波濕度計(jì)、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器、紫外臭氧探測(cè)儀等儀器運(yùn)行正常，但我們的目標(biāo)是使其正常運(yùn)行3年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，這點(diǎn)我們有信心。未來(lái)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(cè)技術(shù)為國(guó)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(cè)氣象探測(cè)新時(shí)代