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构造一双看云识天气的慧眼
发布时间:2019-08-02

作者:田瑞颖 沈春蕾 来源: 中国科学报 发布时间:2019-8-1


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“水相关气象要素探测设备”获第二十届中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖


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水相关气象要素探测设备


本报见习记者 田瑞颖 记者 沈春蕾

“今天夜里到明天白天多云,局部地区有雷阵雨。”如此耳熟能详的天气预报有时会被人调侃为“天气误报”。调侃也并非无凭无据,“夜里几点到明天几点呢、局部地区又是哪里呢、说好的雨为什么没来呢?”

随着人们生产生活的需求日益提高,对天气预报预测准确率和精细化水平的要求也越来越高。此外,我国气象灾害多、频率高且分布广,迫切需要建立综合、立体、连续观测的气象监测系统。

实现这些气象预测目标,离不开相关探测技术和设备的发展。中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所(以下简称安光所)大气光学研究中心的科研团队通过攻关,在水相关气象要素探测设备领域取得技术突破和产业化进展。日前,大气光学研究中心副主任刘东带领团队完成的“水相关气象要素探测设备工程化研发和产业化”项目在合肥通过验收。

刘东向《中国科学报》介绍道,探测设备主要包括激光雷达、全天空云图仪和降水天气现象仪,共同构成一双看云识天气的慧眼,目前正在积极投入应用。

提供两会气象保障

“云腾致雨,露结为霜。”水在地球上以气态、液态、固态三种形态共存,在大气中分别表现为水汽、云、雨雪等相态,并在陆地、海洋和大气中不断循环、转化。

“突发强对流天气监测预警、中短期天气预报到中长期的天气预测都与水相关要素紧密关联,尤其是防汛、抗旱等气象灾害预报服务,以及天气预报预测。”刘东告诉《中国科学报》,“目前,国内尚无公开发表的针对大气中水循环进行研究的全套、科学的探测手段。”

为深入研究水循环的作用机理及其对气候生态环境的影响,刘东带领团队围绕水相关气象要素开展研究,先后攻克水汽—气溶胶激光雷达的自标定技术、水汽混合比反演的气溶胶透过率修正技术、多次高动态曝光图片合成技术、多种天气现象的识别与反演等核心技术。

刘东说:“我们率先提出采用激光雷达、全天空云图仪和降水天气现象仪来分别探测大气水汽廓线、云和降水,为气象站点提供一体化的探测设备。”

通常,水汽激光雷达需要探空气球的数据进行标定,往往采用激光雷达和探空气球同时同地同步进行实验的方法,利用探空气球测量的相对湿度和温度,反演水汽混合比,对激光雷达系统常数进行标定。

刘东指出,探空气球存在很大的局限性。一是飞行路径飘忽不定,探测数据不一定在激光雷达光束照射范围之内,容易造成标定误差。二是探空气球的施放时间和地点受空域限制,不能随时进行,需要提前申报,且不一定能获批。

为解决这一问题,刘东团队研发的大气水汽—气溶胶激光雷达,提出采用水汽激光雷达自标定创新方法进而实现垂直观测,通过发射水汽拉曼散射波长为660纳米的激光,直接对水汽接收通道进行标定。“不需要使用探空气球,地点灵活,且不受地域限制。”

该成果也为2019年全国两会提供了更加实时、快速、准确的气象“护航”。

两会期间,每天凌晨5点多,参与两会气象保障的刘东团队已经准备好了所有观测材料。“探空气球受天空分辨率影响,一般一天放两次,且容易受干扰,如遇到航空管制则无法施放。”刘东解释道,“我们研制的激光雷达可以实现从地面到十几公里高空内,全天24小时的垂直观测。”

虽然现在天气预报已经相对准确了,但还远远不能满足人们日益增长的需求。刘东团队希望实现更加精细化、准确的预测,实现具有自主知识产权的气象探测装备的产业化,带动水相关气象要素整体探测技术的产业升级。

根据需求量身定制

刘东介绍:“我们研发的三种水相关气象要素探测设备可以根据客户需求自由组合、量身定制,这也满足了气象预测服务多元化、定制化的需求。”

目前的系统可以探测到距离地面十几公里的区域,但如果客户不需要这么高区域的探测,只需要探测到距离地面3公里内的边界层,“我们则会根据其需求定制探测产品。”刘东说。

他进一步指出:“当前,我们的探测雷达一秒钟可以发射20个激光脉冲,根据客户探测精细化的实际需求,我们正在研制一秒钟发射5000个脉冲,且每个脉冲能量都很低但电光转换效率很高的探测设备。一方面可以更精准地满足客户需求,另一方面还能降低产品价格。”

生活中,当人们拍照时过度曝光会影响图片清晰度。同理,太阳的强曝光也会造成探测器的饱和,影响图像清晰度。传统的解决方式是增加跟随太阳转动的遮挡设备,以遮住太阳光。但这种方法不仅增加了成本,而且装置未必能遮挡住太阳,依然会造成探测器饱和。

为此,刘东团队研发的全天空云图仪采用了多次高动态曝光图片合成新技术,对太阳采用不同的曝光时间,以减少太阳光达到探测器的光通量,最后合成一幅全天空照片。刘东指出:“使用这种技术,不仅减少了跟踪太阳的遮挡装置,节约了成本,减少了维护,同时也有效保护了探测器。”

此外,太阳光还会产生噪声干扰。为解决此问题,刘东团队研发的降水天气现象仪采用了对射式的测量结构,发射端光源通过凸透镜准直后经过狭缝形成一条平行的光带,并且采用激光调制技术,有效克服了背景光噪声干扰,提高了测量系统的信噪比。

刘东说:“降水天气现象仪对微小雨滴测量具有足够的敏感度和分辨率,采样速率快、数据处理时间短,能有效捕捉所有经过采样区的粒子,解析出粒径、速度、数目,并计算输出相关的降水信息。”

“守得云开见日出”

在前期技术研发的基础上,刘东团队还将技术进一步推向产业,通过技术合作和成果转化,孵化了3家高科技企业。刘东介绍:“目前研发的3款产品分别由3家公司生产和销售,基于此前与相关企业的合作基础,可以让产品的运营更加专业化、精细化,便于客户使用,减少维护成本。”

气象服务覆盖民航、光伏、农业等众多领域。现如今,刘东团队根据不同用户的需求,正在升级改造和研制新设备,并在不同行业领域开展示范应用,以进一步降低研发成本,推进网格化布点,开展精细化观测。

刘东解释道,以光伏行业为例,光伏供电最大的难题之一就是因为天气难以预测而很难有效输送存储的电能。由于主干网有自身设计参数,子干网若想向主干网输入存储需要提前预留,预留多了或少了都会造成浪费,这就依赖于对云的形成过程进行精准预测。

为进一步开展示范应用,2017~2018年,刘东团队联合产业化公司在位于安徽省寿县的国家气候观象台、山东省章丘气象局、北京南郊和甘肃敦煌等几十家单位开展了示范应用,并取得了明显的推广效应,验证了设备的可靠性,推动了系统模块化建设。

6月24日,第29届国际激光雷达会议在安徽合肥举办,由安光所主办。这也是国际激光雷达会议首次在中国举办,国际激光大气研究协会唯一的中国委员一直由安光所研究人员担任,自2017年6月起,刘东担任中国委员。

提起在中国举办国际激光雷达会议,刘东感慨万千:“20年前,在我读书的时候,我的导师就在为国际激光雷达会议在中国举办而努力。20年了,我们共申请了3次,终于成功了!然而这距离1968年的第一届会议也过去了50多年。”

这也说明,我国激光雷达技术的发展经历了漫长的过程,通过几代科研人员的努力,终于“守得云开见日出”。

《中国科学报》 (2019-08-01 第8版 装备制造)