许小峰
气象微波小卫星星座“TROPICS” 精选
2022-6-7 20:19
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在气象卫星装载的各类探测仪器中,微波温湿度计是最成功的载荷之一,已在中国和欧美等国发射的极轨气象卫星上成为标配。据欧洲中期数值天气预报中心(ECMWF)的评估,卫星微波探测获取的全球垂直温湿度廓线资料是减少数值预报模式误差最有价值的信息,按贡献排名,超过了包括传统探空仪的其他任何探测资料的同化效果。

 

通过星载微波遥感探测大气在白天和夜间都可开展工作,且不受天气影响,具有穿透云层和雨区的能力,可获取大气三维温湿和云雨结构,实现全天候的对地观测。这些都体现了微波遥感的优势,使其在天基气象探测领域发挥着独特作用,但在以往极轨卫星上搭载的微波探测器,也存在明显弱点,即对某地的重访时间偏长,不易捕捉到一些多变天气系统的完整信息。为此,通过将装载在大卫星上的微波仪器进行重新设计,改造成功能相对简单的载荷安装到小卫星上,通过多星组建星座方式开展高时空分辨率的探测,成为一种理想的选择。

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20163月,美国航天局(NASA)针对对热带风暴和强对流天气需要进行高时空分辨率探测的需求,确定了“降水结构和风暴强度高时间分辨观测小卫星星座(Time-Resolved Observations of Precipitation structure and storm Intensity with a Constellation of SmallsatsTROPICS)”的研发计划,麻省理工学院(MIT)林肯实验室(Lincoln Laboratory)的科研团队承担了这项任务。

 

星座由63U立方体微波小卫星构成,分别在3个独立的低轨轨道平面上运行,重复刷新周期将小于60分钟,飞行高度为550公里。每颗星体积为10 cm x 10 cm x 36 cm,重约6公斤,体积和重量都大幅压缩,为构建小卫星星座扫清了障碍。目前在大卫星上装载的微波辐射计体积相当于一台洗衣机,而在小卫星上的仅如同一块面包大小了。

 

卫星上的微波辐射计在频率为90205GHz之间的12个微波通道工作,在这些频率通道上可以获取大气不同高度上的强信号,通过频率118.75 GHz氧气吸收带附近的7个通道获取温度廓线信号,通过183 GHz水汽吸收带附近的3个通道获取湿度廓线,而降水结构信息则需要通过90GHz205GHz两个通道结合温湿通道共同获得,205GHz对小冰晶更为敏感。

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2021年9 月 26 日 0435 UTC NOAA-20 ATMS 183.3 GHz 图像(左)和9 月 26 日 0545 UTC探路者 205 GHz 图像(右)对超强台风Mindulle接近峰值强度时的探测


为了确保星座成功发射并得到有效应用,2021630日,NASA首先发射了一颗被称为探路者(Pathfinder)的试验卫星,采用了与组成星座的六颗星完全相同的设计,目的是在星座发射之前对各项技术指标、通信和数据处理系统等展开全面测试,以确保星座发射后运行正常。探路者成功发射后于202188日捕获了第一组全球数据,通过发布的几张微波图像可以看到通过91GHz 通道测到的水汽、115GHz测到的温度和205GHz测到的云中冰晶分布情况。2021828日至29日还获取到了飓风艾达(Ida)在路易斯安那州登陆前后的图像,风暴眼区的雨带和云顶的冰晶结构都能清晰识别。

 

从探路者的成功表现可以预期TROPICS星座发射后的良好应用前景,将会对全球天气监测产生显著影响,如可以同时对各区域发生的热带风暴和强对流天气进行实时跟踪观测,掌握其内部结构变化,还可对全球数值天气预报模式水平的提高发挥作用。预计该小卫星星座将于2022731日完成发射,是今年世界气象卫星发射领域应予以关注的重要事件。

《中国气象报》


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