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“风云四号”如何观风测雨?

发布时间:2019-06-13 17:40 来源:未知 编辑:admin

  6月14日,中国气象局、国家航天科技集团、中国科学院、国防科工局召开了一次关于推进“风云四号”气象卫星研制的协调会。在协调会上,基本确定了“风云四号”卫星会在今年年底前发射。那么,“风云四号”与此前的“风云三号”和“风云二号”相比,到底有哪些显著特点呢?

  这事儿,还得从天气预报说起。我们都知道,现在预报天气,基本就是将各种各样的观测数据输入复杂的大气运动方程组中,根据方程组的运算得到未来的天气。要得到准确率更高的天气预报,首先要保证观测数据的及时、准确。而“风云四号”能提供的,就是更加及时和准确的观测数据,特别是获取没有气象观测站的海洋上的观测数据。

  气象卫星分为两类:太阳同步轨道卫星和地球同步轨道卫星,前者也称极轨卫星,如“风云三号”,它是绕着地球转的,距地面高度大约500公里至1000公里;后者称静止卫星,如“高分四号”“风云二号”,距地面固定值35768公里,就是相对于地球保持静止的卫星。静止原因是卫星轨道在赤道面上,当轨道高度为35768公里时,卫星运行周期与地球自转周期一致,于是产生同步效应。

  “风云四号”卫星就是我国第二代静止卫星(“风云二号”是第一代),它是一系列卫星的总称,今年即将发射的是“风云四号”卫星系列中的第一颗星(A星),随着研发过程推进,以后还会陆续发射后续卫星。

  静止卫星与极轨卫星相比,最大的优势之一就是由于是相对地面静止的,又离地面非常远(三颗星便可覆盖整个地球),因此可以对地球上任意一片很大的区域进行持续观测。持续观测好处在哪里呢?以台风为例,利用极轨卫星对台风物理参数进行探测是比较成熟的技术,卫星每在台风上空经过一次就有一次观测结果。但在这样的情况下,下次观测就要等它再转一圈回来了,中间的这段时间台风怎么样,我们便无法得知。不连续的观测对台风预报的支持有一定不足。而即将在2020年前后发射的“风云四号”微波星(“风云四号”系列卫星之一),则有希望实现“风雨在哪,观测跟到哪”。

  人们或许会问,静止卫星早就有,为什么早先的卫星对预报台风的帮助没有它那么大呢?尽管静止卫星早就有,但它之前也是有不足的。主要就是它离地球实在太远了,距地面3.6万公里,是极轨卫星的数十倍。因此它的分辨率是有缺陷的,此前它的分辨率一直以公里计,无法提供更精确的观测,最近刚刚发射的“高分四号”,分辨率终于达到优于50米。但像“高分四号”这样的静止光学系列卫星,都是依靠红外可见光手段进行观测的,这种光学卫星的探测方式很容易受到云层的影响,当有云的时候,这种探测方式只能得到云层顶部的信息。那么问题就来了,如果穿透不了云层,观测风雨就更无从谈起了。

  “风云四号”微波星,就是瞄准了光学卫星不能穿透云层的痛点,改用波长更长、频率更高的微波进行探测(波长越长,越能穿透障碍物)。研究表明,当探测器工作在50GHz至56GHz的氧气吸收频段和183GHz的水汽吸收频段两个重要的大气探测频道时,可以获取大气温、温度和降水的三维分布。连续性和立体观测,就像一颗实时盯着的有穿透力的天眼,让风雨“无处遁形”。

  实现这一目标有我国科学家极为深厚的研究基础。卫星分辨率越高,对接收天线尺寸的要求就越大,然而卫星的承载能力是有限的,这就是个对立的矛盾。因此,静止轨道微波探测技术在国际上都是空白。此前只有一颗极轨微波探测卫星上过天,静止轨道卫星则一颗都没有。

  中国科学院国家空间技术中心研究人员黄东浩介绍,中国科学家提出的方案,是开展静止轨道双模式毫米波/亚毫米波探测仪的设计模式,在50GHz至56GHz频段的综合口径干涉成像体制,即通过干涉成像技术使小口径天线合成大口径天线GHz采用传统真实口径机械扫描成像,避免了综合孔径复杂度过高的弊端。高频真实孔径辐射计天线镶嵌在低频综合孔径圆环天线阵的中心区域,可以实现互相无干扰,不遮挡。这样的技术模式是我国首创的,具有自主知识产权。

  当然,对台风的观测只是“风云四号”微波星的功能之一,它对风雨的观测,也可以大幅度提升短时强降雨这样的灾害性天气。而微波星只是“风云四号”系列中的一颗,随着卫星一颗颗发射,我们有理由期待它们释放更为巨大的使用效益。

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