“追风少年”即将启程 —全球首颗风测绘卫星将显著改善天气预报精准度

风测绘卫星“风神”效果图 图片来源：ESA

解落三秋叶，能开二月花。风对于我们来说并不陌生，它无时无刻不在我们身边，一会儿像母亲的手一样轻抚我们的脸庞;转眼又像凶神恶煞，疯狂抽打我们的身躯。总之，风喜怒无常，难以捉摸。

但这种情况即将改变，全球首颗能全面监测风的“一举一动”的卫星即将发射升空。据英国《自然》杂志网站8月18日报道，经过近20年规划，欧洲空间局(ESA)航天器家族的“追风少年”——“风神”(Aeolus，希腊神话中的风神)任务即将于北京时间22日从法属圭亚那库鲁航天发射中心升空。气象学家认为，全球地球观测系统最大的空白之一就是缺乏详细的风测量数据，因此，“风神”提供的数据将显著改善天气预报的精准度。

用紫外激光追踪风速和风向

到目前为止，气象学家一直是将不同来源——气象气球和飞机飞行途中获得的与风有关的信息拼凑在一起。尽管可以通过卫星测量云的运动来推断风的速度和方向，但迄今一直没有卫星直接测量风。新的“风神”任务将终结这一历史。

耗资约5.5亿美元的“风神”任务将使用紫外激光器跟踪大气层最下方30公里处的风速和风向。研究人员在飞机上使用类似的激光器来研究特定地区的风况，但“风神”将是首个覆盖全球的风测绘任务。

1999年，ESA启动了这项以希腊神话中风的守护者命名的任务。该任务项目经理安德斯·埃尔弗文说：“真是一段漫漫长路。”荷兰皇家气象研究所大气物理学家艾德·斯托费伦心有戚戚：“我们从1999年开始设计这颗卫星，看到它即将发射升空，真是令人兴奋。”

太空激光器研制是最大挑战

为何时隔近20年，这款卫星才从脑中的构想走到发射台上?根本原因在于，很难建造一台每个脉冲都能产生约10兆瓦功率的太空激光器。据悉，在研制过程中，激光发射最初在系统的光学仪器上形成了一层薄薄的暗色材料。工程师最终在装置中添加了少量氧气(不足一片叶子的光合作用生成的氧气量)，以保护仪器表面免受污染。

“风神”的激光器每秒钟能发射激光50次，因此，可用由数十亿个紫外线光子组成的光束照射地球大气层。而有几百个这样的光子将弹开空气分子和粒子，并反射回航天器上搭载的1.5米口径的主望远镜。“风神”不仅能测量反射距离，给出风的高度，而且还能测量当分子来回移动时产生的波长的微小变化。这种“多普勒频移”使科学家能够计算出风的速度和方向。德国航空航天中心大气物理学家奥利弗·瑞特布彻说：“这比仅仅测量返回的信号更具挑战性。”

这些信息将使科学家能够追踪大气中不同海拔高度的不同风速，对于了解处于发展中的风暴至关重要，而且这些信息不能以任何其他方式在全球范围内获得。

将改善天气预报精准度

“风神”提供的数据将纳入数值天气预报。在数值天气预报中，国家气象服务会将温度、压力和湿度等大气条件整合起来，以生成未来几天的预报。缺少风的数据可能导致严重错误：在一项研究中，欧洲中期天气预报中心(ECMWF)分析了欧洲2014年3月遭遇的一场暴雨后发现，如果能早几天获得更好的太平洋洋面上与风有关的数据，就可以更精准地预测即将到来的暴雨。

如果“风神”任务按计划运行，其提供的数据可以大幅改善热带地区的天气预报情况。该地区的气象气球相对较少，风与热带地区其他大气因素的耦合度也不高，这意味着，当已知温度和压力等数据时，在此地比在中纬度地区更难以猜测风速和风向。

此外，“风神”提供的数据也可以将地球中高纬度地区的天气预报精度提高几个百分点。ECMWF气象学家拉斯·伊萨克森说：“这听起来似乎不是很多，但如果我们能将预测准确率提高2%，为社会创造的价值将高达数十亿美元。”

不过，法国气象学预报机构的气象学家阿兰达·巴斯说，“风神”的激光无法透过厚厚的云层，因此无法渗透到飓风等风暴系统。

尽管如此，“风神”将能追踪其他现象，例如撒哈拉沙漠上卷起来的尘埃，或者不同海拔高度上漂浮的污染物。美国波尔航太(Ball Aerospace)公司工程师萨拉·塔克从事风的激光测量工作，他说：“我确信，‘风神’会获得一些有趣的发现。”

如果“风神”成功发射，任务控制器计划在9月开启激光系统，首批数据将于2019年1月底到达，并在4月份之前插入预报系统，目标是在卫星收集风力后不迟于3小时进行测量。

世界气象组织综合全球观测系统负责人拉斯·皮特-瑞思肖贾德说，尽管“风神”的使用寿命为3年，但如果相关技术得到验证，可能为后续风测绘卫星任务铺平道路。(记者 刘霞)