35800　公里外　为地球大气做“CT”

本文转自：鲁中晨报35800

公里外

为地球大气做“CT”

科研团队二十年坚守

打造气象预报“独门秘笈”

“受副热带高压影响,高温仍将持续”“受台风外围影响,明日上海局部大雨”……每天,人们在出门前总是习惯地从广播、手机App里看看最新的天气预报。

如今,我国的风云气象卫星技术已经走在世界前沿,风云四号在世界上首次实现了能对地球大气CT式分层解析的静止轨道红外干涉大气三维探测技术,带领我国高轨气象卫星抢占国际竞争制高点。

在2022年度上海市科学技术奖技术发明奖一等奖的团队里,中国科学院上海技术物理研究所研制的干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)如今正在风云四号A星和B星上勤勉地工作着,为更精准的气象服务贡献着“上海智慧”。

在35800公里外为地球大气做“CT”,听听就是件挺酷的事儿!

无惧挑战迎难而上

要知道,大气在空间分布上是三维的,其温度、湿度和压强会随时间而变化,而大气的运动和变化便是天气现象的本质。摸清大气垂直运动的“脉搏”,就能及时预报天气的发生与发展。

“高时效地连续大气垂直探测数据就如同一幅动态大气三维‘全息’影像,能表征天气现象动态演变过程,为数值预报提供强有力的‘诊断’依据,及时出具应急响应的‘处方’。”团队成员,中国科学院上海技物所研究员孙丽崴打比方说。

在35800公里的地球静止轨道监测地面上空大气层的变化谈何容易。20世纪末,中国科学院院士、中国科学院上海技物所研究员匡定波就提出,应该发展干涉式大气垂直探测仪。这种利用傅立叶变换原理的探测仪,可以为大气做“超级CT”——把大气从地面开始“切片”,测出每一层的温度、湿度等数值。

这显然是块难啃的“硬骨头”。国际上同期开展静止轨道干涉式大气垂直探测仪研发的美国自2006年由于技术和经费原因搁置了上星计划；欧洲的第三代静止轨道气象卫星研制进度一拖再拖,发射计划推迟到了2024年后……

面对挑战,上海技物所的团队决心迎难而上。

自主创新“慧眼”如炬

不难理解,要想让CT准确提供诊断依据,那就必须看得清、看得准。为此,团队自主创新,赋予了干涉式大气垂直探测仪足够多的“法宝”和“绝招”。

“由于对地观测距离超过35800公里,相同口径到达轨道上的地球辐射能量值仅为低轨道的数千分之一；同时,探测大气要求的高光谱分辨率,使得目标的辐射能量减小了1.5个数量级以上。”孙丽崴介绍,团队研制出更加灵敏的“视网膜”——高性能新型红外探测器来提高探测转换效率、降低测量噪声,让探测仪看得更清晰。

由于地球自转和公转,干涉式大气垂直探测仪工作温度最高超过100℃,最低又低于零下100℃,可载荷光学系统核心部件的温度稳定度却要求小于0.2℃。于是,团队突破了多温区的高稳定度控制技术,让探测仪“身处水深火热”,但“内心平静如水”。

孙丽崴说,为了让“慧眼”看得更远,研究团队提出了二维扫描机构扩大仪器的可视范围,离轴主光学系统收集大气能量、动镜式傅立叶干涉仪进行探测、通过机械制冷机冷却面阵探测器、辐射制冷器冷却后光路、高性能探测器进行光电转换的高光谱载荷总体技术方案,并研制了集成化的载荷系统。

更细更清更广更快

在孙丽崴的描述里,这是个“二十年磨一剑”的创新之旅,研发人员坚守着“用最好的科技成果为国家需求服务”的初心。

遥远太空,静止轨道红外干涉大气三维探测载荷技术正在台风等灾害天气预报和重大气象服务中发挥着重要作用。而干涉式大气垂直探测仪的成功应用,也促进了全球静止轨道卫星高光谱观测系统发展；国内外气象应用专家还利用探测仪高频次的光谱数据,针对氨气、四维风场等探测要素开展研究。

“干涉式大气垂直探测仪的研制并不是一帆风顺的。”孙丽崴回忆,为了赶上国际最前沿技术水准,设计方案被推倒重来是常事；而当技术走向世界前沿,又难有现成文献、先例可以参考……“最困难的阶段,是国家对干涉大气三维探测载荷技术持续投入,气象应用需求牵引着我们继续深挖和攻克难关。”孙丽崴说。

创新的脚步并不会停下,研究团队会持续努力,让这台服务气象的“慧眼”看得更细、看得更清、看得更广、也看得更快!

据《新民晚报》