“追風(fēng)少年”即將啟程

——全球首顆風(fēng)測(cè)繪衛(wèi)星將顯著改善天氣預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度

解落三秋葉，能開(kāi)二月花。風(fēng)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)并不陌生，它無(wú)時(shí)無(wú)刻不在我們身邊，一會(huì)兒像母親的手一樣輕撫我們的臉龐；轉(zhuǎn)眼又像兇神惡煞，瘋狂抽打我們的身軀。總之，風(fēng)喜怒無(wú)常，難以捉摸。

但這種情況即將改變，全球首顆能全面監(jiān)測(cè)風(fēng)的“一舉一動(dòng)”的衛(wèi)星即將發(fā)射升空。據(jù)英國(guó)《自然》雜志網(wǎng)站8月18日?qǐng)?bào)道，經(jīng)過(guò)近20年規(guī)劃，歐洲空間局（ESA）航天器家族的“追風(fēng)少年”——“風(fēng)神”（Aeolus，希臘神話中的風(fēng)神）任務(wù)即將于北京時(shí)間22日從法屬圭亞那庫(kù)魯航天發(fā)射中心升空。氣象學(xué)家認(rèn)為，全球地球觀測(cè)系統(tǒng)最大的空白之一就是缺乏詳細(xì)的風(fēng)測(cè)量數(shù)據(jù)，因此，“風(fēng)神”提供的數(shù)據(jù)將顯著改善天氣預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度。

用紫外激光追蹤風(fēng)速和風(fēng)向

到目前為止，氣象學(xué)家一直是將不同來(lái)源——?dú)庀髿馇蚝惋w機(jī)飛行途中獲得的與風(fēng)有關(guān)的信息拼湊在一起。盡管可以通過(guò)衛(wèi)星測(cè)量云的運(yùn)動(dòng)來(lái)推斷風(fēng)的速度和方向，但迄今一直沒(méi)有衛(wèi)星直接測(cè)量風(fēng)。新的“風(fēng)神”任務(wù)將終結(jié)這一歷史。

耗資約5.5億美元的“風(fēng)神”任務(wù)將使用紫外激光器跟蹤大氣層最下方30公里處的風(fēng)速和風(fēng)向。研究人員在飛機(jī)上使用類似的激光器來(lái)研究特定地區(qū)的風(fēng)況，但“風(fēng)神”將是首個(gè)覆蓋全球的風(fēng)測(cè)繪任務(wù)。

1999年，ESA啟動(dòng)了這項(xiàng)以希臘神話中風(fēng)的守護(hù)者命名的任務(wù)。該任務(wù)項(xiàng)目經(jīng)理安德斯·埃爾弗文說(shuō)：“真是一段漫漫長(zhǎng)路。”荷蘭皇家氣象研究所大氣物理學(xué)家艾德·斯托費(fèi)倫心有戚戚：“我們從1999年開(kāi)始設(shè)計(jì)這顆衛(wèi)星，看到它即將發(fā)射升空，真是令人興奮。”

太空激光器研制是最大挑戰(zhàn)

為何時(shí)隔近20年，這款衛(wèi)星才從腦中的構(gòu)想走到發(fā)射臺(tái)上？根本原因在于，很難建造一臺(tái)每個(gè)脈沖都能產(chǎn)生約10兆瓦功率的太空激光器。據(jù)悉，在研制過(guò)程中，激光發(fā)射最初在系統(tǒng)的光學(xué)儀器上形成了一層薄薄的暗色材料。工程師最終在裝置中添加了少量氧氣（不足一片葉子的光合作用生成的氧氣量），以保護(hù)儀器表面免受污染。

“風(fēng)神”的激光器每秒鐘能發(fā)射激光50次，因此，可用由數(shù)十億個(gè)紫外線光子組成的光束照射地球大氣層。而有幾百個(gè)這樣的光子將彈開(kāi)空氣分子和粒子，并反射回航天器上搭載的1.5米口徑的主望遠(yuǎn)鏡。“風(fēng)神”不僅能測(cè)量反射距離，給出風(fēng)的高度，而且還能測(cè)量當(dāng)分子來(lái)回移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的波長(zhǎng)的微小變化。這種“多普勒頻移”使科學(xué)家能夠計(jì)算出風(fēng)的速度和方向。德國(guó)航空航天中心大氣物理學(xué)家?jiàn)W利弗·瑞特布徹說(shuō)：“這比僅僅測(cè)量返回的信號(hào)更具挑戰(zhàn)性。”

這些信息將使科學(xué)家能夠追蹤大氣中不同海拔高度的不同風(fēng)速，對(duì)于了解處于發(fā)展中的風(fēng)暴至關(guān)重要，而且這些信息不能以任何其他方式在全球范圍內(nèi)獲得。

將改善天氣預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度

“風(fēng)神”提供的數(shù)據(jù)將納入數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中，國(guó)家氣象服務(wù)會(huì)將溫度、壓力和濕度等大氣條件整合起來(lái)，以生成未來(lái)幾天的預(yù)報(bào)。缺少風(fēng)的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤：在一項(xiàng)研究中，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）分析了歐洲2014年3月遭遇的一場(chǎng)暴雨后發(fā)現(xiàn)，如果能早幾天獲得更好的太平洋洋面上與風(fēng)有關(guān)的數(shù)據(jù)，就可以更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)即將到來(lái)的暴雨。

如果“風(fēng)神”任務(wù)按計(jì)劃運(yùn)行，其提供的數(shù)據(jù)可以大幅改善熱帶地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)情況。該地區(qū)的氣象氣球相對(duì)較少，風(fēng)與熱帶地區(qū)其他大氣因素的耦合度也不高，這意味著，當(dāng)已知溫度和壓力等數(shù)據(jù)時(shí)，在此地比在中緯度地區(qū)更難以猜測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向。

此外，“風(fēng)神”提供的數(shù)據(jù)也可以將地球中高緯度地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)精度提高幾個(gè)百分點(diǎn)。ECMWF氣象學(xué)家拉斯·伊薩克森說(shuō)：“這聽(tīng)起來(lái)似乎不是很多，但如果我們能將預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率提高2%，為社會(huì)創(chuàng)造的價(jià)值將高達(dá)數(shù)十億美元。”

不過(guò)，法國(guó)氣象學(xué)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的氣象學(xué)家阿蘭達(dá)·巴斯說(shuō)，“風(fēng)神”的激光無(wú)法透過(guò)厚厚的云層，因此無(wú)法滲透到颶風(fēng)等風(fēng)暴系統(tǒng)。

盡管如此，“風(fēng)神”將能追蹤其他現(xiàn)象，例如撒哈拉沙漠上卷起來(lái)的塵埃，或者不同海拔高度上漂浮的污染物。美國(guó)波爾航太（Ball Aerospace）公司工程師薩拉·塔克從事風(fēng)的激光測(cè)量工作，他說(shuō)：“我確信，‘風(fēng)神’會(huì)獲得一些有趣的發(fā)現(xiàn)。”

如果“風(fēng)神”成功發(fā)射，任務(wù)控制器計(jì)劃在9月開(kāi)啟激光系統(tǒng)，首批數(shù)據(jù)將于2019年1月底到達(dá)，并在4月份之前插入預(yù)報(bào)系統(tǒng)，目標(biāo)是在衛(wèi)星收集風(fēng)力后不遲于3小時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

世界氣象組織綜合全球觀測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人拉斯·皮特-瑞思肖賈德說(shuō)，盡管“風(fēng)神”的使用壽命為3年，但如果相關(guān)技術(shù)得到驗(yàn)證，可能為后續(xù)風(fēng)測(cè)繪衛(wèi)星任務(wù)鋪平道路。

來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)