韩昌佩 中科院上海技术物理研究所研究员、博士生导师 风云四号干涉式大气垂直探测仪副主任设计师

二十年磨一剑,风云四号卫星背后的故事

造就 TALK · 2018-02-24 · 16:02:15

第259位造就者 韩昌佩

中科院上海技术物理研究所研究员、博士生导师

风云四号干涉式大气垂直探测仪副主任设计师

上海宇航协会会员


大家好。

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这是微信的起始页面,大家应该很熟悉吧?每天都会被看到无数次,但是大家知道左图和右图的区别吗?

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左边的这幅图上,可以看到狭长的红海,还有紧挨着非洲的马达加斯加岛。这个图有一个很好听的名字,叫「蓝色弹丸」,这是1973年,NASA的阿波罗17号在飞向月球的过程中拍摄的,这是人类第一次也是唯一一次,亲手从太空中拍下地球的照片。

右图是是中国的上空,在云的下面,依稀还能看到渤海湾,这幅图是我们新一代静止气象卫星风云四号多通道扫描辐射计拍摄的。2017年9月25日,为了庆祝我们的气象卫星升级换代,腾讯公司把微信开机画面换成了这张照片。

笑傲江湖

气象卫星一般来说有两种,一种是静止轨道,它在距离地球很远的地方全天候地盯着大家看;还有一种低轨卫星,绕着地球转,90分钟绕地一圈,12个小时对同一个地方进行一次重访,它的好处是离得近,看得清楚。

中国的气象卫星从80年代开始发射,低轨的卫星有风云一号和风云三号,风云三号是风云一号的升级版,风云四号是风云二号的版。

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这就是风云四号,它工作在轨道高度(卫星运行轨道与地球表面的距离)为35800公里的地方。它是一个三轴稳定平台,上面三个翅膀是给卫星供电的帆板,下面这两个仪器,一个叫多通道扫描辐射计,一个叫大气垂直探测仪。比较自豪地说,从风云一号到风云四号,四台卫星上面的光学仪器,大部分都是我们中科院上海技术物理研究所研制的。

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虽然日本和美国也都有气象卫星,但实际上日本最先进的仪器是美国人去帮他研制的。这个有蓝色小翅膀的卫星,是欧洲人研制的,两颗,一个叫FCI,一个叫IRS。FCI相当于我们的多通道扫描辐射计,会在今年发射;IRS相当于我们的垂直探测仪,2022年才发射,相比之下中国早在2016年就发射了。

重装上阵

我们的多通道扫描辐射计是目前全世界最先进的光学仪器。大家可以看到,左图是风云二号气象卫星拍摄的,右边是风云四号新一代的辐射计拍摄的,它们之间最大的区别在于图的幅数不一样,就是成像谱不一样。左边的这个是5幅图,右边的有14幅图,其中有一幅图是一个合成的图。

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它最主要的性能提升体现在,以前我们做一次成像需要半小时,现在我们只需要15分钟;同时,它的空间分辨率从1.2公里的可见光,提升到现在将近500米。这个升级换代,我们花了将近二十年的时间。

这幅图很漂亮对吧!

这是可见光波段对地球的成像,记录了太阳自东边升起,直到夜幕降临的风云变幻,我们可以看到这个图慢慢地由亮到暗,大家还能看到里面有一些台风眼和一些风云图。

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天黑之后怎么办呢?

为了把整个大气环流的传输模型描述得更准确,我们研发了这个划时代的仪器——世界上首台干涉式大气垂直探测仪。它里面有一台迈克尔逊干涉仪,这个干涉仪在一些大学的国家级实验室里也有,但是送到太空中还是第一次。和普通相机拍照所见即所得不同的是,它通过干涉式分光的方式,成像后能形成一个干涉图,经过数学变换,可以得到我们所观测的波段的大气状况。我们管这个叫「大气的指纹」,这里面记载了非常多的物理和气象信息。

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我们的探测仪上有1650个探测通道,同一次拍摄可以得到1650幅不同大气波段的图片,因为不同高度的大气对不同探测通道的红外辐射贡献存在差异,根据这些反映差异的图片我们就可以得到大气在垂直高度上的成分、温度和湿度的分布。

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这是一个简单的示意动图。我们都知道每上升1公里气温会降低6度,所以大家从图上可以看到越往高处它的温度越低。

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这个是我们仪器真正的样子,金灿灿的,它在距离地球35800公里外的地方,此刻也正在凝望着我们。

苦尽甘来

说它是划时代的仪器,大家会问说,美国人怎么不玩呢?实际上美国人从90年代开始在进行这项研究,但是2006年,美国宇航局(NASA)和美国财政部宣布,由于资金和技术的局限,决定放弃这项研究,当时全世界都傻眼了。

中国是在2001年开始启动研究的,到2006年已经小有成就,美国人的放弃对我们还是造成了不小的冲击。2007年,经过整个项目组的一场集中讨论,我们中国气象人还是决定咬紧牙去攻克这个难关,又经过了「八年抗战」,这个仪器才终于上天,所以这里面真的饱含每一个气象人的辛酸泪。

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比如说,我们的手机,一般只能在5 ℃~30 ℃的环境下维持正常工作,有的手机冬天到东北去可能就玩不转了。但是在太空里面,我们要确保仪器在外部温度-120K~60K(K,热力学温度单位,以绝对零度作为计算起点,-273.15℃=0K,每变化1K相当于变化1℃),内部温度65K~200K的环境下依然保持灵敏度且正常运转。

另外,虽说这是一颗静止气象卫星,实际上从微观上来说它是在运动的。为了保证成像质量,仪器对地观测的精确度要求非常高,不能有超过百米级的晃动,这里面我们也是做了很多的研究才克服这个难题。

造福世人

我们花费这么大的精力做这个卫星,究竟能给人们的生活带来什么好处呢?

大家有没有觉得现在天气预报越来越准了呢?其实短期内的天气预报一直是很难的事情,比如说两个小时内,因为如果卫星12小时才能对一个地方进行重访,两个小时内这个云图根本就体现不出来,怎么办呢?

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目前在我们的产品运用里面一个很重要的方法,叫数字天气预报,通过对载荷数据的运用,每十年可以让我们的预报周期提前一天,比如十年前只能预报六天,我们现在可以预报七天。

我们对于长期的气候预报也更准确了。世界级的大规模厄尔尼诺现象可以提前三个月预报,比如说通过人工干涉,让奥运会开幕式当天不下雨,比如说对空气污染的监测……未来我们的卫星会越来越多了,它带给老百姓的好处也会越来越多。

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这图上红旗飘扬的地方就是我们中国的卫星,希望我们中国的卫星在上面越来越红。

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这是我们的团队,这是一个既有很多60后、70后气象元老,也有80后年轻人的团队,我很荣幸能够成为当中的一员,工作之余我们都喜欢跑马拉松,对我们来说,科研就像一场马拉松,只有起点,没有终点。

谢谢大家。


编辑丨Liz

文字丨漫倩

校对丨其奇、LUSEN

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