第259位造就者 韓昌佩

中科院上海技術(shù)物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師

風(fēng)云四號(hào)干涉式大氣垂直探測(cè)儀副主任設(shè)計(jì)師

上海宇航協(xié)會(huì)會(huì)員

大家好。

這是微信的起始頁(yè)面，大家應(yīng)該很熟悉吧？每天都會(huì)被看到無(wú)數(shù)次，但是大家知道左圖和右圖的區(qū)別嗎？

左邊的這幅圖上，可以看到狹長(zhǎng)的紅海，還有緊挨著非洲的馬達(dá)加斯加島。這個(gè)圖有一個(gè)很好聽(tīng)的名字，叫「藍(lán)色彈丸」，這是1973年，NASA的阿波羅17號(hào)在飛向月球的過(guò)程中拍攝的，這是人類第一次也是唯一一次，親手從太空中拍下地球的照片。

右圖是是中國(guó)的上空，在云的下面，依稀還能看到渤海灣，這幅圖是我們新一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)多通道掃描輻射計(jì)拍攝的。2017年9月25日，為了慶祝我們的氣象衛(wèi)星升級(jí)換代，騰訊公司把微信開(kāi)機(jī)畫(huà)面換成了這張照片。

氣象衛(wèi)星一般來(lái)說(shuō)有兩種，一種是靜止軌道，它在距離地球很遠(yuǎn)的地方全天候地盯著大家看；還有一種低軌衛(wèi)星，繞著地球轉(zhuǎn)，90分鐘繞地一圈，12個(gè)小時(shí)對(duì)同一個(gè)地方進(jìn)行一次重訪，它的好處是離得近，看得清楚。

中國(guó)的氣象衛(wèi)星從80年代開(kāi)始發(fā)射，低軌的衛(wèi)星有風(fēng)云一號(hào)和風(fēng)云三號(hào)，風(fēng)云三號(hào)是風(fēng)云一號(hào)的升級(jí)版，風(fēng)云四號(hào)是風(fēng)云二號(hào)的版。

這就是風(fēng)云四號(hào)，它工作在軌道高度（衛(wèi)星運(yùn)行軌道與地球表面的距離）為35800公里的地方。它是一個(gè)三軸穩(wěn)定平臺(tái)，上面三個(gè)翅膀是給衛(wèi)星供電的帆板，下面這兩個(gè)儀器，一個(gè)叫多通道掃描輻射計(jì)，一個(gè)叫大氣垂直探測(cè)儀。比較自豪地說(shuō)，從風(fēng)云一號(hào)到風(fēng)云四號(hào)，四臺(tái)衛(wèi)星上面的光學(xué)儀器，大部分都是我們中科院上海技術(shù)物理研究所研制的。

雖然日本和美國(guó)也都有氣象衛(wèi)星，但實(shí)際上日本最先進(jìn)的儀器是美國(guó)人去幫他研制的。這個(gè)有藍(lán)色小翅膀的衛(wèi)星，是歐洲人研制的，兩顆，一個(gè)叫FCI，一個(gè)叫IRS。FCI相當(dāng)于我們的多通道掃描輻射計(jì)，會(huì)在今年發(fā)射；IRS相當(dāng)于我們的垂直探測(cè)儀，2022年才發(fā)射，相比之下中國(guó)早在2016年就發(fā)射了。

我們的多通道掃描輻射計(jì)是目前全世界最先進(jìn)的光學(xué)儀器。大家可以看到，左圖是風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星拍攝的，右邊是風(fēng)云四號(hào)新一代的輻射計(jì)拍攝的，它們之間最大的區(qū)別在于圖的幅數(shù)不一樣，就是成像譜不一樣。左邊的這個(gè)是5幅圖，右邊的有14幅圖，其中有一幅圖是一個(gè)合成的圖。

它最主要的性能提升體現(xiàn)在，以前我們做一次成像需要半小時(shí)，現(xiàn)在我們只需要15分鐘；同時(shí)，它的空間分辨率從1.2公里的可見(jiàn)光，提升到現(xiàn)在將近500米。這個(gè)升級(jí)換代，我們花了將近二十年的時(shí)間。

這幅圖很漂亮對(duì)吧！

這是可見(jiàn)光波段對(duì)地球的成像，記錄了太陽(yáng)自東邊升起，直到夜幕降臨的風(fēng)云變幻，我們可以看到這個(gè)圖慢慢地由亮到暗，大家還能看到里面有一些臺(tái)風(fēng)眼和一些風(fēng)云圖。

天黑之后怎么辦呢？

為了把整個(gè)大氣環(huán)流的傳輸模型描述得更準(zhǔn)確，我們研發(fā)了這個(gè)劃時(shí)代的儀器——世界上首臺(tái)干涉式大氣垂直探測(cè)儀。它里面有一臺(tái)邁克爾遜干涉儀，這個(gè)干涉儀在一些大學(xué)的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室里也有，但是送到太空中還是第一次。和普通相機(jī)拍照所見(jiàn)即所得不同的是，它通過(guò)干涉式分光的方式，成像后能形成一個(gè)干涉圖，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換，可以得到我們所觀測(cè)的波段的大氣狀況。我們管這個(gè)叫「大氣的指紋」，這里面記載了非常多的物理和氣象信息。

我們的探測(cè)儀上有1650個(gè)探測(cè)通道，同一次拍攝可以得到1650幅不同大氣波段的圖片，因?yàn)椴煌叨鹊拇髿鈱?duì)不同探測(cè)通道的紅外輻射貢獻(xiàn)存在差異，根據(jù)這些反映差異的圖片我們就可以得到大氣在垂直高度上的成分、溫度和濕度的分布。

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的示意動(dòng)圖。我們都知道每上升1公里氣溫會(huì)降低6度，所以大家從圖上可以看到越往高處它的溫度越低。

這個(gè)是我們儀器真正的樣子，金燦燦的，它在距離地球35800公里外的地方，此刻也正在凝望著我們。

說(shuō)它是劃時(shí)代的儀器，大家會(huì)問(wèn)說(shuō)，美國(guó)人怎么不玩呢？實(shí)際上美國(guó)人從90年代開(kāi)始在進(jìn)行這項(xiàng)研究，但是2006年，美國(guó)宇航局（NASA）和美國(guó)財(cái)政部宣布，由于資金和技術(shù)的局限，決定放棄這項(xiàng)研究，當(dāng)時(shí)全世界都傻眼了。

中國(guó)是在2001年開(kāi)始啟動(dòng)研究的，到2006年已經(jīng)小有成就，美國(guó)人的放棄對(duì)我們還是造成了不小的沖擊。2007年，經(jīng)過(guò)整個(gè)項(xiàng)目組的一場(chǎng)集中討論，我們中國(guó)氣象人還是決定咬緊牙去攻克這個(gè)難關(guān)，又經(jīng)過(guò)了「八年抗戰(zhàn)」，這個(gè)儀器才終于上天，所以這里面真的飽含每一個(gè)氣象人的辛酸淚。

比如說(shuō)，我們的手機(jī)，一般只能在5 ℃～30 ℃的環(huán)境下維持正常工作，有的手機(jī)冬天到東北去可能就玩不轉(zhuǎn)了。但是在太空里面，我們要確保儀器在外部溫度-120K～60K（K，熱力學(xué)溫度單位，以絕對(duì)零度作為計(jì)算起點(diǎn)，-273.15℃=0K，每變化1K相當(dāng)于變化1℃），內(nèi)部溫度65K～200K的環(huán)境下依然保持靈敏度且正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

另外，雖說(shuō)這是一顆靜止氣象衛(wèi)星，實(shí)際上從微觀上來(lái)說(shuō)它是在運(yùn)動(dòng)的。為了保證成像質(zhì)量，儀器對(duì)地觀測(cè)的精確度要求非常高，不能有超過(guò)百米級(jí)的晃動(dòng)，這里面我們也是做了很多的研究才克服這個(gè)難題。

我們花費(fèi)這么大的精力做這個(gè)衛(wèi)星，究竟能給人們的生活帶來(lái)什么好處呢？

大家有沒(méi)有覺(jué)得現(xiàn)在天氣預(yù)報(bào)越來(lái)越準(zhǔn)了呢？其實(shí)短期內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)一直是很難的事情，比如說(shuō)兩個(gè)小時(shí)內(nèi)，因?yàn)槿绻l(wèi)星12小時(shí)才能對(duì)一個(gè)地方進(jìn)行重訪，兩個(gè)小時(shí)內(nèi)這個(gè)云圖根本就體現(xiàn)不出來(lái)，怎么辦呢？

目前在我們的產(chǎn)品運(yùn)用里面一個(gè)很重要的方法，叫數(shù)字天氣預(yù)報(bào)，通過(guò)對(duì)載荷數(shù)據(jù)的運(yùn)用，每十年可以讓我們的預(yù)報(bào)周期提前一天，比如十年前只能預(yù)報(bào)六天，我們現(xiàn)在可以預(yù)報(bào)七天。

我們對(duì)于長(zhǎng)期的氣候預(yù)報(bào)也更準(zhǔn)確了。世界級(jí)的大規(guī)模厄爾尼諾現(xiàn)象可以提前三個(gè)月預(yù)報(bào)，比如說(shuō)通過(guò)人工干涉，讓奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式當(dāng)天不下雨，比如說(shuō)對(duì)空氣污染的監(jiān)測(cè)……未來(lái)我們的衛(wèi)星會(huì)越來(lái)越多了，它帶給老百姓的好處也會(huì)越來(lái)越多。

這圖上紅旗飄揚(yáng)的地方就是我們中國(guó)的衛(wèi)星，希望我們中國(guó)的衛(wèi)星在上面越來(lái)越紅。

這是我們的團(tuán)隊(duì)，這是一個(gè)既有很多60后、70后氣象元老，也有80后年輕人的團(tuán)隊(duì)，我很榮幸能夠成為當(dāng)中的一員，工作之余我們都喜歡跑馬拉松，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，科研就像一場(chǎng)馬拉松，只有起點(diǎn)，沒(méi)有終點(diǎn)。

謝謝大家。

今日互動(dòng)話題：

你認(rèn)為這類衛(wèi)星是造福于人類的嗎？

編輯丨Liz

文字丨漫倩

校對(duì)丨其奇、LUSEN