給大氣做CT：風云四號如何精準捕捉臺風路徑？ ——悅見工程師

作者：張悅、藍悅?cè)募s4600字，閱讀大約需要12分鐘

在今天的“康妮”帶來暴雨之前，今年給“上海寧”們帶來了“小小”震撼的臺風，非中秋節(jié)前的第13號臺風“貝碧嘉”莫屬了。當臺風路徑預(yù)測與播報頻繁刷屏，你是否想過，是誰拍下了臺風的“影像”？這些“影像”又如何能夠繼續(xù)預(yù)測路徑？

在萬里高空之上，有一組名為風云系列的氣象衛(wèi)星，他們用全世界獨一無二的地球靜止軌道紅外探測技術(shù)，守護著我國的氣象安全。

這項技術(shù)，

正誕生自上海。

中國科學院上海技術(shù)物理研究所（以下簡稱“技物所”）研究員、風云四號氣象衛(wèi)星干涉式大氣垂直探測儀（GIIRS）研制團隊成員王戰(zhàn)虎說：風云四號為極端氣候現(xiàn)象預(yù)測立下的“汗馬功勞”，早已不是第一次。早在2018年，第8號超強臺風“瑪莉亞”來臨時，未滿“兩歲”的風云四號就曾立下大功。當時，“瑪莉亞”登陸福建沿海地區(qū)，據(jù)氣象部門的同仁介紹，為了應(yīng)對臺風“瑪利亞”，氣象局首次啟動GIIRS的加密觀測，成功實現(xiàn)了15分鐘一次對臺風目標區(qū)的快速觀測，有效發(fā)揮了數(shù)值化天氣預(yù)報的作用，提高了對臺風路徑和中心降雨情況等的預(yù)測準確度。對于臺風等極端氣象災(zāi)害來說，提升一公里的預(yù)測準確度，便可以挽回數(shù)以億計的經(jīng)濟損失，更不用提人民群眾的生命健康。

對于風云四號氣象衛(wèi)星能有這么大的貢獻，王戰(zhàn)虎深感欣慰。“很有成就感，有一種自己參與了保家衛(wèi)國的感覺?！蓖鯌?zhàn)虎笑著說。

在這個輕松的笑容背后，是找不到紅外信號時的苦澀與焦灼，是研制過程中如履薄冰的緊繃，是像送別“女兒”一樣看著衛(wèi)星發(fā)射時流下的飽含歡欣與不舍的淚水……

尋找紅外“燈塔”：風云四號如何精準預(yù)測臺風路徑？

“干涉式大氣垂直探測儀是一臺工作在太空能給地球大氣做“CT”的探測儀器， 這臺儀器最大的特點是它能對大氣進行精準的三維探測，”王戰(zhàn)虎說道，“我們就像給大氣做了一個CT，通過層層斷層掃描，精準捕捉不同高度的溫度、濕度等信息。”通過這種新型的探測方式，儀器可以為氣象部門提供了更精確、更詳細的的數(shù)據(jù)支持，特別是在臺風路徑的預(yù)測中發(fā)揮了重要作用。

這項技術(shù)的實現(xiàn)并非一帆風順。儀器的核心部分紅外干涉儀是實現(xiàn)三維探測的關(guān)鍵，它的任務(wù)就是捕獲大氣層的紅外干涉信號。但一開始這個信號并不容易找到?；叵肫鹉嵌纹D難的時光，王戰(zhàn)虎坦言：“光尋找這個紅外信號，我們就花了很長的時間，就像在黑暗的大海上航行，找不到一個燈塔。”

對于初入這一領(lǐng)域的研究人員，紅外信號猶如海市蜃樓般難以捕捉。信號肉眼不可見，只能通過設(shè)備轉(zhuǎn)化成電信號，并通過示波器顯示出來。那段時間，團隊日夜奮戰(zhàn)在實驗室里，直到最后一點點逼近目標。他們沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可參考，國內(nèi)外的文獻也極為有限。在最初的幾年里，干涉儀研發(fā)團隊只能通過不斷的試錯和摸索來尋找方向。

“但燈塔是有的，在科學上面是成立的?！蓖鯌?zhàn)虎說這話時，語氣堅定。盡管開始的時候還看不到目標，但他們始終相信，只要理論成立，結(jié)果終會浮現(xiàn)。這份執(zhí)著支撐著他和團隊，“有一天晚上，我夢見我找到了干涉圖，夢到自己終于做出來了。醒來后，我告訴自己，一定要夢想成真?！?/p>

王戰(zhàn)虎清楚地記得，2005年10月的某個深夜，他和團隊終于在示波器上看到了期待已久的紅外信號曲線。當那條微弱的信號線出現(xiàn)在屏幕上時，所有人都激動不已。“那一刻，我們找到了那個‘燈塔’！這是近五年的努力，換來的結(jié)果。雖然剛開始信號很弱，但通過不斷調(diào)整，我們逐漸把它調(diào)得更清晰?！蓖鯌?zhàn)虎說道。

找到紅外干涉信號只是萬里長征的第一步。要想讓這臺儀器發(fā)揮作用，還必須保證極高的精度。紅外干涉信號的捕捉只能在一個極小的區(qū)域內(nèi)完成，任何偏差都會導致信號丟失?！蔽⒚椎钠睿盘柧蜎]了。”而微米不過是毫米的千分之一。

在設(shè)備調(diào)試過程中，團隊遇到了無數(shù)小挫折，任何一個小失誤都有可能造成大問題。王戰(zhàn)虎曾遇到過一個小螺絲的松動，導致整套設(shè)備調(diào)試失敗的情況?！拔覀儽仨毞浅Ｖ匾暶恳粋€細節(jié)，因為任何一個小失誤都有可能拖慢整個進度?！边@時，團隊必須細致分析問題的原因，舉一反三，避免類似的錯誤再次發(fā)生。

這種高精度的要求讓每次實驗都如履薄冰，每次調(diào)試，都是在微米之間的戰(zhàn)斗。“失敗是常態(tài)，重要的是從中吸取教訓，避免重蹈覆轍。我們經(jīng)常說，吃過的虧不能再吃第二次，”王戰(zhàn)虎笑著說，“科研需要堅持，更需要從每次失敗中成長。”“在科研的道路上，我們工程師要有夢想，要為之努力，要堅持不懈?！蓖鯌?zhàn)虎說。

這份執(zhí)著，終于幫助他們將紅外干涉儀推向了成功。王戰(zhàn)虎和他的團隊，用他們的“燈塔”照亮了未來的天氣預(yù)報。如今，這臺儀器可以為氣象部門提供高精度、高頻次的三維大氣觀測數(shù)據(jù)，為氣象預(yù)報提供了有力支持，有效提高了預(yù)報的準確度和時效性。

遠嫁的“女兒”：

風云四號背后的十五年堅持

2016年12月11日凌晨，風云四號A星在西昌發(fā)射升空。山腰間的空氣冰冷而清冽，但王戰(zhàn)虎心里熱血沸騰。站在人群中，他抬頭望著夜空中升起的火箭，心中五味雜陳。“就像嫁女兒，”他眼角泛起淚光，“畢竟是自己親手參與研發(fā)的衛(wèi)星，現(xiàn)在它要飛向36,000公里外的太空，不會再回來?！蓖鯌?zhàn)虎從2001年開始參與風云四號的研制，十五年的時光傾注在這顆衛(wèi)星上，像是培養(yǎng)一個孩子一樣，小心翼翼地照顧它、完善它。對他來說，這不僅是一次衛(wèi)星發(fā)射，更是一場和“女兒”的告別——一場遠嫁后的牽掛與不舍?！爱敾鸺c火升空的那一刻，真的是熱淚盈眶。既希望它能為國家貢獻力量，又擔心它能否‘在外面’順利‘生活’。就像把孩子送出家門，總有萬分牽掛?！彼χf。

作為全球第一顆具有靜止軌道大氣三維探測能力的衛(wèi)星，風云四號A星承擔著重要的使命。然而，距離地球36,000公里的靜止軌道與太陽同步軌道相比要遠約40倍，要保證觀測的精度和穩(wěn)定性，技術(shù)上的難度不可小覷。

靜止軌道的優(yōu)勢在于可以長時間盯住某一區(qū)域進行觀測，具有高時效的優(yōu)勢，但這意味著它必須面對極端的溫差變化。“衛(wèi)星在陽光照射下溫度非常高，到了陰影區(qū)，溫度又驟降，整個溫差可能達到上百度。”王戰(zhàn)虎解釋道，“為了保證它能持續(xù)、穩(wěn)定地工作，我們必須在不同部件上使用精確的熱控技術(shù)，確保它們在極端環(huán)境中仍能維持精準的探測。”正是這些精細的設(shè)計與不懈的攻關(guān)，才讓風云四號能夠在太空中執(zhí)行長時間的監(jiān)測任務(wù)。

然而，科研并非一帆風順。在過去的十五年中，王戰(zhàn)虎常常不得不犧牲個人生活，把大部分時間都奉獻給了實驗室。為了確保每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)不出紕漏，他時常加班到深夜，甚至錯過了與家人團聚的重要時刻。談起這一點，他無奈又歉疚地笑了笑：“有時候感覺時間都是‘偷’出來的。去年女兒過生日時，我只能匆匆回家吃了頓飯，陪她吹了蠟燭，晚上8點就又趕回單位繼續(xù)工作?！?/p>

這種“偷感”讓他對女兒滿是愧疚，但他深知，肩上背負的責任無法放下。當被問到是否曾想過放棄，是否也有過“躺平”的時刻。王戰(zhàn)虎講了一個冷笑話：“有過想躺一躺的時候，那是真的躺在床上睡一會兒。不是心態(tài)上的擺爛?？蒲杏胸熑卧谏?，我們必須把這份責任承擔到底?！?/p>

在科研的道路上，也經(jīng)歷過無數(shù)次挫折，但每一次，當他看到那一點點的希望，他就無法放手。他形容這種“上頭”的感覺“就像打游戲打到關(guān)鍵時刻，只想把眼前的關(guān)卡攻克。如果停了，再回頭可能又要從頭來過?！?/p>

對王戰(zhàn)虎來說，十五年的堅守、克服無數(shù)挑戰(zhàn)和犧牲個人生活，都是為了看著這顆“衛(wèi)星女兒”在太空中穩(wěn)穩(wěn)“站住腳”。在王戰(zhàn)虎心中，牽掛永遠不會消失。它將在36,000公里外的太空，守護著地球，為國家貢獻自己的力量，而王戰(zhàn)虎及團隊則將繼續(xù)為下一項國家任務(wù)貢獻力量。

中國科學院里的“工程師”：

大工程是大科研的“一體兩面”

2000年前后，美國、歐洲、中國三方幾乎同時起步地球靜止軌道的干涉式大氣三維探測技術(shù)的探索，但美國的研究工作因為技術(shù)難度大中途夭折了，而歐洲的地球靜止軌道干涉探測衛(wèi)星發(fā)射時間也多次延后，目前只有中國真正將其工程化應(yīng)用，并“接二連三”地上天投入使用?！拔覀儑乙耘e國體制的方式，對這一項目進行有組織的科研攻關(guān)，投入大量的人力、財力、資源，組建團隊、引進人才、建設(shè)實驗室，這些都給了我們非常大的支持?！蓖鯌?zhàn)虎說道，也正是這樣的體制機制，為我們團隊的基礎(chǔ)科研與工程化探索提供了保障。

大工程離不開大科研，王戰(zhàn)虎習慣稱呼自己為中國科學院里的“工程師”。“科學理論讓我們得以向上拓展，而工程技術(shù)則支撐我們向下落地實現(xiàn)。在我們衛(wèi)星載荷的實際研發(fā)中，科學與工程往往分不了家。在我們這，是要全鏈路去走的?！蓖鯌?zhàn)虎形象地說道。

許多時候工程上出現(xiàn)問題，也需要去尋找科學理論來提供解決方案，但如果把科學家和工程師區(qū)分得太清楚，那么就很容易造成割裂，“其他的人對你的工程系統(tǒng)有時候不是很了解，所以你必須對自己做的系統(tǒng)多了解，盡量能夠把控全方位，這樣才有助于我們整個系統(tǒng)的實現(xiàn)?！?/p>

在大學畢業(yè)時，王戰(zhàn)虎就來到了技物所工作，而在工作中，他逐漸意識到自己在知識上“不夠用”，于是果斷選擇在技物所繼續(xù)讀研、讀博，畢業(yè)后又繼續(xù)從事相關(guān)工作。讓自己學的多一點、再多一點，這既是為了鏈路上的溝通清晰，更是為了一份肩扛國家責的使命與緊迫。

“做綜合性載荷的工程師，知識面真的需要寬一點，責任心也一定要強，任何一個馬虎都可能產(chǎn)生重大的責任事故與損失?！蓖鯌?zhàn)虎說道，“我們經(jīng)常提到‘如履薄冰’，事實上做國家項目就是這樣，像在冰上滑，一直得非常小心、非常認真，否則就容易跌倒?！?/p>

王戰(zhàn)虎深知，做科研一定是一個學無止境的過程?！叭说闹R就好比一個圓圈，圓圈里面是已知的，圓圈外面是未知的。你知道得越多，圓圈也就越大，你不知道的也就越多?？蒲械牡缆酚肋h沒有盡頭?！边@種不斷學習、不斷拓展知識領(lǐng)域的精神，支撐著他走在國家項目的前沿，也激勵著他在肩負責任的同時，始終保持對知識的渴求與敬畏。

風云四號氣象衛(wèi)星2016年發(fā)射第一顆，2021年發(fā)射第二顆，預(yù)計明年將會發(fā)射第三顆……時間在收緊，任務(wù)在逼近。隨著國家需求、時代呼喚，中國會有越來越多的風云系列衛(wèi)星上天，對于王戰(zhàn)虎與他的團隊而言，忙碌是常態(tài)，越來越忙碌則是趨勢——隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、大模型等新方式新方法的不斷涌現(xiàn)，在氣象方面對于數(shù)據(jù)的精度、深度、廣度以及實時性，都有著越來越大的需求，“創(chuàng)新是沒有標準化的，我們不會原地踏步，完全重復(fù)已經(jīng)做過的東西，而是不斷在改進與提高?！蓖鯌?zhàn)虎說道。

“我在看巴黎奧運會的時候感觸很深，奧運精神和科研很像：更快、更高、更強，我們對儀器的要求則是更快、更高、更準?！蓖鯌?zhàn)虎笑著說道，如果奧運精神是奮力沖破人類體能上的極限，那么他所做的科研，便是突破自己的認知極限，不斷創(chuàng)造新的記錄。

2023年，王戰(zhàn)虎獲評上海市杰出工程師，在他看來，這份稱號不是他個人的榮譽，只是自己有幸代表了團隊獲得?！俺晒俏覀儓F隊與研究所每一個人合力貢獻出的，這既是對我們的激勵，同時也是對之后工作的一個鞭策。”

大國重器，離不開團隊的通力協(xié)作。在技物所，他們有一個叫做“干涉儀family”的微信小群，此前王戰(zhàn)虎的導師、團隊的主心骨，華建文研究員還未退休時，就像一個大家長，而團隊里的大家則相互關(guān)心、相互幫助彼此的學習生活，“做好這一件事情是我們共同的責任?！?/p>

二十多年來，接力棒代代傳承，如今更年輕的一輩已勇立潮頭。王戰(zhàn)虎介紹道，目前，團隊中有超過1/3的成員是“90后”，很快，又會有更年輕的“00后”加入進來……江山代有人才出，王戰(zhàn)虎期待著這些年輕工程師們能夠用更創(chuàng)新的思維，為紅外干涉儀事業(yè)注入源源不斷的新動能。