35800公里外为地球大气做“CT”：静止轨道红外干涉大气三维探测载荷技术｜上海市科学技术奖

2018年台风玛利亚内部温湿度信息探测

群雄逐鹿 拔得头筹

大气在空间分布上是三维的，其温度、湿度和压强会随时间而变化，大气的运动和变化便是天气现象的本质。摸清大气垂直运动的“脉搏”，就能及时预报天气的发生与发展。如果能获取一幅动态大气三维“全息”影像，就能表征天气现象动态演变过程，为数值预报提供强有力的“诊断”依据，及时出具应急响应的“处方”。

然而，在35800公里的地球静止轨道监测如同针尖大小地面上空大气层的变化，谈何容易，可谓差之毫厘、谬以千里！在国际上，静止轨道红外干涉大气三维探测载荷技术的研究起源于20世纪90年代，美国、欧洲和中国先后开展了本项技术研究。由于技术难度大、不成熟等问题，原计划在美国GOES系列、欧洲MTG-S项目上实施的载荷至今尚未在轨实现。而本获奖项目科研团队研制出的两台GIIRS仪器已经在2016年和2021年先后进入静止轨道工作，连续为全球提供高时效大气三维探测数据超过5年，我国已成为全球的唯一数据源。“GIIRS实现了好几个‘世界首次’，在预报服务中发挥了很好的作用！”中国气象局数值预报中心模式研发室副主任、风云四号卫星数值预报应用攻关团队首席专家韩威，给出如上评价。

自主创新 攻坚克难

静止轨道红外干涉大气三维探测载荷技术究竟包含了哪些“法宝”和“绝招”，解决了哪些关键核心技术难题呢？

看得细——大气目标精细光谱探测。实现大气温度和湿度参数的三维垂直结构观测需解析不同高度大气的红外吸收光谱，要求光谱分辨率达到0.625波数，在35800千米距离上进行大气光谱探测，需要建立新的精细光谱测量技术体制。

看得准——低能量的高探测灵敏度。由于对地观测距离超过35800公里，到达轨道上的地球辐射能量值仅为低轨道的数千分之一；同时探测大气要求的高光谱分辨率，使得目标的辐射能量减小1.5个数量级以上，研制出更加灵敏的“视网膜”，即高性能新型红外探测器来提高探测转换效率、降低测量噪声。

看得远——载荷极高指向观测稳定性。针对远距离观测，提出了二维扫描镜扩大仪器的视场，离轴主望远光学系统收集大气能量、动镜式傅立叶干涉仪进行探测、通过机械制冷机冷却面阵探测器和辐射制冷器冷却后光路、高性能探测器进行光电转换的高光谱载荷总体技术方案，并研制了集成化的载荷系统，系统解决了地球静止轨道进行高光谱、高灵敏度、高稳定大气三维探测的三大技术难题。

看得清——复杂空间环境下高稳定探测。由于地球自转与公转带来的载荷温度变化超过210℃与载荷光学系统温度稳定度要求小于0.2℃的矛盾，突破多温区的高稳定度控制技术，达到“身处水深火热，内心平静如水”的状态。

气象灾害 尽收眼底

静止轨道红外干涉大气三维探测载荷技术在台风等灾害天气预报和建党100周年活动等重大气象服务中发挥了重要作用。据相关统计显示，预报台风登陆地点的路径误差每减少1公里可避免直接经济损失约1亿元人民币，仅在2019年，GIIRS对台风“利奇马”的24小时路径预报误差从75公里降到50公里，直接减损效益估计超20亿元。

此外，GIIRS在GRAPES数值预报中的成功应用，促进了全球静止卫星高光谱观测系统发展。在2019年美国召开的联合卫星大会上，美国天气局（NWS）局长指出：静止轨道高光谱探测将是下一步最大的进步；美国国家环境卫星信息资料中心NESDIS主任评价该载荷技术：促进了全球静止轨道卫星大气高光谱探测系统发展和卫星观测同化应用。在学术贡献上，国际和国内气象应用专家还利用GIIRS高频次、高光谱数据，针对NH3、四维风场等探测要素开展研究。

面向国家战略亟需，中国科学院上海技术物理研究所创建了静止轨道大气三维探测全新技术体制，发明了具有完全自主知识产权的高光谱载荷技术，国际上率先实现了高频次的地球静止轨道大气三维结构精细探测，推动了风云四号卫星处于国际领先地位，获得了重大的应用价值和社会效益，得到各方的高度评价。

站在时代的潮头回望历史，我们的科研人员心中仍谨记着周恩来总理1969年1月29日的重要指示：应该搞我们自己的气象卫星。五十多年来，风云系列气象卫星走出了从无到有、从小到大、从弱到强的成功之路。回首风雨，展望未来，上海技术物理研究所科研团队将接续奋进，紧密围绕气象领域和我国大气探测的战略要求，瞄准国际竞争制高点，为我国大气探测技术实现升级换代和逐步超越国际水平作出更多新的贡献！