微波探測技術(shù)：你還擔(dān)心天氣預(yù)報不準(zhǔn)？

9月30日13時34分，中國極軌氣象衛(wèi)星“風(fēng)云三號”C星攜帶的新一代微波濕度計向地面接收站傳回首批大氣監(jiān)測數(shù)據(jù)。這標(biāo)志著我國成為國際上首個利用同一臺設(shè)備實現(xiàn)大氣濕度與溫度探測的國家。

這臺微波濕度計是中科院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)院重點實驗室研究員張升偉、王振占團(tuán)隊歷時兩年的研究成果。面對《中國科學(xué)報》記者的提問，兩人談起了這臺儀器的創(chuàng)新之處。

“這臺微波濕度計每2.667秒就可以掃描2700公里的地表寬度，約一個半小時就可以圍繞地球轉(zhuǎn)一圈?！睋?dān)任此次微波濕度計主任設(shè)計師的張升偉向記者介紹說，“作為衛(wèi)星主載荷之一，與‘風(fēng)云三號’A、B星相比，C星微波濕度計的探測頻率從原來的兩個增加到四個，探測通道數(shù)量也由原來的五個增加到十五個，這是C星微波濕度計區(qū)別于A、B星的最大特點?！?/p>

據(jù)了解，“風(fēng)云三號”A、B星微波濕度計包括183GHz和150GHz兩個探測頻率，主要負(fù)責(zé)對大氣垂直高度的水汽分布進(jìn)行層析探測。C星在原有基礎(chǔ)上增加了89GHz和118GHz兩個探測頻，是國際上首次在極軌氣象衛(wèi)星上搭載118GHz輻射計，該頻段能夠測量大氣溫度的垂直分布，使C星可以實時獲取大氣同一時間、同一地區(qū)的溫度和濕度廓線。

“而利用多個探測通道可以對大氣垂直層面進(jìn)行類似于‘CT掃描’式的分層探測。通道越多，分層就越精細(xì)，探測精度也就越高，有利于提高中長期數(shù)值天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性?！蔽⒉穸扔嫺敝魅卧O(shè)計師王振占告訴記者。

然而，通道多了兩倍，問題也隨之而來。如何在20兆赫的帶寬下實現(xiàn)高靈敏度指標(biāo)具有很大挑戰(zhàn)，項目組技術(shù)人員通過反復(fù)計算、多次設(shè)計，終于高標(biāo)準(zhǔn)完成任務(wù)；同時，由于儀器在真空定標(biāo)過程中真空罐每打開一次要耗費上百萬元，為了節(jié)省費用，負(fù)責(zé)定標(biāo)工作的王振占等人還設(shè)計了一款自動升降機，減少了原來定標(biāo)過程中重復(fù)開啟真空罐的花費。

從2003年“風(fēng)云三號”A星微波濕度計開始研制到2013年C星微波濕度計的升級換代，十年來，我國微波濕度計實現(xiàn)了從無到有以及技術(shù)攀升的過程，推動了我國氣象衛(wèi)星微波遙感技術(shù)走向國際領(lǐng)先水平，也為未來“風(fēng)云四號”衛(wèi)星以及其他型號的亞毫米波、太赫茲輻射計研發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

“我國微波濕度計雖然比美、歐起步晚了近20年，但起點卻很高，具體表現(xiàn)為‘三高’：高頻率、高精度、高分辨率?！睆埳齻フf。而這中間無不浸透著該實驗室老中青三代科研人員的心血。

作為我國微波遙感技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)始人之一，中國工程院院士姜景山以戰(zhàn)略發(fā)展的眼光，在2000年布置了微波濕度計的預(yù)先研究和技術(shù)攻關(guān)，并且A星微波濕度計在國際上首次實施垂直極化和水平極化雙通道探測方案，提高了降雨預(yù)報的準(zhǔn)確性。

同時，在A星微波濕度計之前，國內(nèi)星載微波輻射計尚無真空定標(biāo)的先例，王振占帶領(lǐng)的真空定標(biāo)小組“摸著石頭過河”，通過多次摸底試驗，形成了一套規(guī)范的操作方法，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了星載微波輻射計上天前的真空定標(biāo)，為我國其他航天工程型號，如探月工程嫦娥衛(wèi)星、“海洋二號”等微波輻射計的真空定標(biāo)提供了成熟的經(jīng)驗。

從2008年至今，通過全天時、全天候地探測全球大氣水汽含量，“風(fēng)云三號”A、B星的兩臺微波濕度計為預(yù)測預(yù)報臺風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣發(fā)揮了重要作用。事實上，正是由于“風(fēng)云三號”A、B星微波濕度計的出色表現(xiàn)，其科學(xué)數(shù)據(jù)已被同化進(jìn)歐洲中長期數(shù)值預(yù)報模式。隨著第三臺微波濕度計在軌組網(wǎng)運行，我國氣象監(jiān)測水平和天氣預(yù)報能力將進(jìn)一步提升。

談起微波濕度計創(chuàng)新成功的“秘訣”，張升偉告訴記者：“航天儀器要拿產(chǎn)品說話，務(wù)實求真、周到細(xì)致的航天精神就是我們的工作理念?！?/p>

“1×X=Y。在這個函數(shù)公式中，地面上工作是1，上天后的工作是X，如果X=0，所有的工作結(jié)果就是零。因此我們一切地面工作的目標(biāo)就是確?！甔=1’?！蓖跽裾颊f。

十年來，中國科學(xué)院微波遙感技術(shù)重點實驗室已經(jīng)為我國航天任務(wù)培養(yǎng)了一批年輕的科研骨干人才。發(fā)稿前夕，王振占榮獲2013年度“趙九章優(yōu)秀中青年科學(xué)獎”。面對未來，兩位研究員表示，中科院的目標(biāo)是引領(lǐng)創(chuàng)新，而國際航天領(lǐng)域的競爭歸根結(jié)底是人才的競爭，因此人才隊伍的建設(shè)將是未來實驗室發(fā)展重點之一。

兩位研究員還向記者透露，盡管當(dāng)前我國微波濕度計等儀器整體已可以實現(xiàn)創(chuàng)新，但鑒于當(dāng)前我國工業(yè)技術(shù)水平與國外差距較大，一些關(guān)鍵微波部組件，尤其是100GHz以上頻率的部組件國內(nèi)尚無航天級產(chǎn)品。因此，要實現(xiàn)整個國產(chǎn)儀器設(shè)備的創(chuàng)新任重而道遠(yuǎn)，還需要從根本上實現(xiàn)我國高頻率微波元器件的國產(chǎn)化，高精密組裝、測試等生產(chǎn)、工藝水平還需進(jìn)一步提高。