全球首顆風測繪衛星即將發射 有望改善天氣預報精確度

解落三秋葉，能開二月花。風對於我們來說並不陌生，它無時無刻不在我們身邊，一會兒像母親的手一樣輕撫我們的臉龐；轉眼又像凶神惡煞，瘋狂抽打著我們的身軀。總之，風喜怒無常，難以捉摸，我們對於它也知之甚少。

但這種情況即將改變，全球首顆能全面監測風的「一舉一動」的衛星即將發射升空。據英國《自然》雜誌網站8月18日報道，經過近20年規劃，歐洲空間局航天器家族的「追風少年」——「風神」（Aeolus，希臘神話中的風神）任務將於21日從法屬蓋亞那的海濱城市庫魯發射升空。氣象學家認為，鑒於缺乏詳細的風測量數據是全球地球觀測系統最大的空白之一，「風神」提供的數據將顯著改善天氣預報的精準度。

圖片說明：歐洲「風神」衛星提供的數據將改善熱帶地區的風預測情況。圖片來源：《自然》雜誌

使用激光追蹤風

到目前為止，氣象學家一直將不同來源——氣象氣球和飛機飛行途中獲得的與風有關的信息拼湊在一起。儘管科學家可以通過衛星測量雲的運動來推斷風的速度和方向，但迄今一直沒有衛星直接測量風，新的「風神」任務將終結這一歷史。

耗資約5.5億美元的「風神」任務將使用紫外激光器跟蹤大氣層最下方30公里處的風速和風向。研究人員在飛機上使用類似的激光器來研究特定地區的風的情況，但「風神」將是首個覆蓋全球的風測繪任務。

1999年，ESA開始這項以希臘神話中風的守護者命名的任務，該任務項目經理安德斯·埃爾弗文說：「真是一段慢慢長路。」

荷蘭皇家氣象研究所的大氣物理學家艾德·斯托費倫也深有戚戚焉：「我們從1999年開始設計這顆衛星，看到它即將發射升空，真是令人興奮。」

太空激光器研製成最大挑戰

為何時隔約二十年後，這款衛星才從人們的大腦走到發射台上？根本原因在於很難建造一台每個脈衝都能產生約10兆瓦所需功率的太空激光器。據悉，在研製過程中，激光發射最初在系統的光學儀器上形成了一層薄薄的暗色材料。工程師最終在裝置中添加了少量氧氣（數量不足一片葉子的光合作用生成的氧氣數量），以保護儀器表面免受污染。

「風神」的激光器每秒鐘能發射極光五十次，因此，可用由數十億個紫外線光子組成的光束照射地球的大氣層。幾百個這樣的光子將彈開空氣分子和粒子並將反射回航天器上搭載的1.5米口徑的主望遠鏡。「風神」將不僅測量到反射的距離—給出風的高度，而且還將測量當分子來回移動時產生的波長的微小變化。

這種「多普勒頻移」使科學家能夠計算出風的速度和方向。德國航空航天中心的大氣物理學家奧利弗·瑞特布徹說道：「這比僅僅測量回來的信號更具挑戰性。」 瑞特布徹引導飛機飛行以對「風神」上的相關技術進行測試。這些信息將使科學家能夠追蹤大氣中不同海拔高度的不同風速，而這一信息對於了解處於發展中的風暴至關重要，而且，這一信息不能以任何其他方式在全球範圍內獲得。

將改善天氣預報精準度

「風神」提供的數據將納入數值天氣預報，在數值天氣預報中，國家氣象服務會將溫度、壓力和濕度等大氣條件整合起來，以生成未來幾天的預報。沒有風的數據可能導致嚴重錯誤：在一項研究中，ECMWF分析了歐洲2014年3月遭遇的一場暴雨發現，如果他們早幾天獲得太平洋洋面上更好的與風有關的數據，那麼，他們可以更精準地預測即將到來的暴雨。

如果「風神」任務按計劃運行，其提供的數據可以大幅改善熱帶地區的天氣預報情況，部分原因在於，該地區的氣象氣球相對較少。風與熱帶地區其他大氣因素的耦合度也不高，這意味著，當已知溫度和壓力等數據時，在此地比在中緯度地區更難以猜測風速和方向。

此外，「風神」提供的數據也可以將地球中高緯度地區的天氣預報精度提高几個百分點。 歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的氣象學家拉斯·伊薩克森說：「這聽起來似乎不是很多，但如果我們能將預測準確率提高2％，將為社會創造的價值將高達數十億美元。比如，更好的預測可以讓人們更好地為風暴做好準備。

不過，法國氣象學預報機構的氣象學家阿蘭達·巴斯說，「風神」的激光無法透過厚厚的雲層，因此，無法滲透到颶風等風暴系統。

但儘管如此，「風神」將能追蹤其他現象，例如撒哈拉沙漠上捲起來的塵埃，或者不同海拔高度上漂浮的污染物。美國波爾航太（Ball Aerospace）公司工程師薩拉·塔克從事風的激光測量工作，他說：「我確信，『風神』會獲得一些有趣的發現。」

如果「風神」成功發射，任務控制器計劃在9月開啟激光系統，首批數據將於2019年1月底到達，並在4月份之前插入預報系統，目標是在衛星收集風力後不遲於三小時進行測量。

世界氣象組織綜合全球觀測系統負責人拉斯·皮特-瑞思肖賈德說，儘管該航天器的使用壽命為三年，但是，如果「風神」的技術得到證實，它可能有助於為未來的風測繪衛星鋪平道路，研究人員希望繼續為其開發後續任務。

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