用自主研制的科学利器抵近追踪、持续探测 去揭开台风的“秘密”

 

图①：台风追踪探测仪器整体。

图②：下投探空与通信系统。

图③：舰载台风探测雷达。

图④：双模态定点投送器。

图⑤：低雷诺数投送器。

以上均为示意图，由北京理工大学提供

正值台风活跃期，围绕即将开展的追踪探测台风的外场试验，北京理工大学复杂环境科学探测中心科研人员正紧张忙碌着。

“如果顺利，未来几个月，我们研制的台风追踪探测仪器‘成色’就将接受检验。”北京理工大学教授胡纯难掩兴奋：“团队多年的努力，有望得到反馈。”

采集台风数据——

传感器大小如指甲盖，有许多特别的设计

探测中心的陈列间里，摆满了团队研制的创新产品。拿起一个传感器，胡纯兴致勃勃地介绍：“采集台风数据，这是探测仪器的关键零部件之一。”

眼前的临近空间超低气压传感器，大小如指甲盖，与一块小型电路板相连，看上去并没有什么特别。胡纯接着解释：“临近空间距离地面约20千米至100千米，温度、压力极低，为适应极端条件，这个传感器其实有许多特别的设计。”

为何要专门研发仪器采集台风数据？现有的台风探测手段都有各自局限。比如，台风来临时，通过放探空气球，可以收集到一些外围信息，但难以清楚台风内核情况。气象卫星存在收集要素少、不精细等不足，且卫星在台风上方过顶时间有限，无法较长时间追踪观测。地基气象雷达一般只能在岸基探测，也同样存在要素不充足、精度不够高等缺点。

精确描述和预测台风，依赖于长期持续探测和高质量数据。气象科学家判断，要研究台风强度的影响因素，必须采用专用仪器，从内核区对台风进行多要素、长过程、精细化的直接探测。

走进探测中心实验室，随处可见类型多样的仪器部件。科研人员告诉记者，它们主要分为四大核心部件，分别承担精细探测、信息传输、飞行控制和同化模拟功能。

这些仪器如何靠近台风？“上天执行任务，飞艇是这些仪器的‘母舰’。”打开团队外场实验视频，北京理工大学教授、临近空间环境特性及效应全国重点实验室副主任郑德智说，“全部展开后，飞艇最大直径可达20多米，长度则足足有100多米。”

“台风半径可达数百千米、高度可达十几千米，生命期为3到10天，目前只有飞艇可以在这个高度长时间停留。有了它，相当于在台风上空的临近空间布设了一个探测平台。”郑德智说，飞艇下方携带着研发的仪器，通过抵近外测与直接内测相结合的方式，对台风进行抵近追踪持续探测。

通过这套方法，科研人员有望反演分辨率至100米甚至50米级别的数字台风，这将极大提升人类对台风的认识，进而提高台风预报水平。

适应极端环境——

研发从基本工作起步，电脑里装满了各式各样的设计草案

按照设想，科研人员先用雷达追踪台风位置，引导飞艇机动至台风中心上空。随后，飞艇投放探空仪，通过传感器采集到的温度、湿度、风速、气压等数据实时回传至飞艇，再由飞艇传输至地面进行实时分析处理。

记者采访时，胡纯正带领团队验证探空仪的功能。在模拟舱环境内，模拟临空环境低温、低压等特殊环境，再把10个探空仪放置其中，并观测它们记录数据的有效性和精度等。通常，一次实验要持续一周左右。

记者小心翼翼接过一个探空仪，没想到居然非常轻。

“探空仪主体用的是硬质泡沫，金属材料很少。”胡纯说，飞艇载荷限制很严格——整个载荷系统需控制在200公斤以内，单个仪器的重量、体积、功耗被压缩到极致。科研人员尝试了不同种类的外壳材料，最终另辟蹊径，选择了硬质泡沫。

研制台风探测仪器，极端环境是“拦路虎”。比如，飞艇上升过程中，温度变化显著，远超普通工业级芯片耐受范围。为让传感器稳定工作7天以上，团队设计了加热控制系统，为传感器“保暖”。

与飞艇协同作业，也是研制过程必须直面的挑战。团队在结构设计和算法上同时发力，确保了传感器适应飞艇动态姿态，稳定运行。

“在临近空间环境探测台风，之前没人做过，我们许多工作都是从电路板设计、材料选型等基本工作起步。”胡纯说，“瞧，我电脑里装满了各式各样的设计草案。”

以高动态湿度传感器为例。适应台风的恶劣环境，传感器要在穿云过程中快速获得精确的湿度值。为找到理想的材料，2020年，团队联合西安交通大学开展攻坚，有的学生在西安交通大学一待就是半年。

“从第一代开始，仿真、测试再设计，历经近4年反复迭代优化，一次次微调才做出最终产品。”胡纯说。

边研发边外场试验。2022年，经过多轮实测，探测仪器进行了第一次系统集成。2022年底，飞艇在临近空间飞行80天，飞艇可行性得到验证。在江苏盐城，去年底团队首次在运动平台上验证了全套系统性能，为后续高空探测奠定基础。

探测中心里，科研人员或讨论方案，或调试设备，他们正为临近空间环境带载荷的试验冲刺。“经过前面的积累，我对接下来的试验有信心。”郑德智说。

紧密协同攻关——

为了敲定一些试验细节，经常讨论到凌晨

开展临空环境台风探测，有可能深刻揭示台风生成、演化、突变的科学奥秘，推动我国台风精准探测、科学认知与精确预报迈入领先行列。

聆听创新历程，记者感受到，走在行业前列，离不开团队长期积累和前瞻作为。

团队首席科学家、北京理工大学教授张军长期专注飞艇相关技术研发。早期，张军带领团队研制的飞艇主要用于应急通信、对地观测等，当发生地震、洪水等自然灾害，帮助灾区保持信号畅通。为了充分利用飞艇能力，团队尝试探索在气象领域的应用。2017年，他带领团队与中国气象局联合实施艇载探空仪释放试验，这一飞艇技术的重大突破，让开辟台风探测新路线成为可能。

在国家重大科研仪器研制专项等项目支持下，基于飞艇平台，张军带领团队攻关台风探测仪器。适应临近空间环境，科研人员从供电、飞行姿态、速度等方面进行了改装，让飞艇能够充当台风探测平台。

紧密协同攻关是团队持续创新的“奥秘”。郑德智介绍，台风探测仪器核心部件包含飞行控制器系统、艇载气象雷达、浮空气象感知节点等七大关键设备，参与单位既有北京理工大学、北京航空航天大学、中国气象科学研究院等高校院所，也有北京天恒长鹰科技股份有限公司等企业，大家围绕同一个目标，拧成一股绳，高效完成了各自任务。

外场试验，需要协调各方紧密配合。高校牵头重大项目，在工程总体管理和支撑上相对较弱，北京理工大学团队既做科研又承担组织工作，上百人密切配合。“为了敲定一些试验细节，我们经常讨论到凌晨，大家的干劲让我深受感动。”胡纯说。

今年1月，北京理工大学联合多家单位申报，获批了临近空间环境特性及效应全国重点实验室，这是我国在该领域唯一的全国重点实验室。

“不只是服务台风预报，了解临近空间环境也很有价值。”郑德智说，临近空间是卫星、火箭等飞行器的重要活动区域，准确了解这里的环境信息，有助于优化飞行器设计，为我国航空航天事业发展提供数据支撑。“展望未来，团队要做的工作还有更多。”