【遥感应用】NASA CPEX试验应对天气基本问题

2017年5月18日

　　5月25日，美国国家航空航天局（NASA）资助的一项野外科学活动在佛罗里达州进行，这对提高气象学家回答有关天气一些最基本问题的能力产生积极影响，如：降雨地点、降雨时间和雨量等问题。

　　这项名为“对流过程实验（CPEX）”的活动，是基于搭载NASA设计和开发的5个互补性研究仪器的NASA DC-8机载实验室进行工作。这架飞机还将搭载一些称为dropsondes的小型传感器，这些传感器在从飞机上坠落时进行测量。这些仪器组合在一起工作时，将收集在飞机下方，在新对流云形成、云生长和云衰减期间，空气中的风、温度和湿度的详细数据——对流云是由佛罗里达周围的亚热带海域温暖潮湿空气形成。

　　美国盐湖城犹他大学CPEX首席专家Ed Zipser指出，对流简单地说是一柱或一团热空气上升。这种上升空气可能成为暴风雨的种子，在热带和亚热带地区，包括美国南部，对流是降水形成的最常见方式。对流云可以联合起来形成一场大暴雨，甚至可以变成飓风。

　　虽然对流是一个基本大气过程，但是已经证明对流形成的初始阶段很难预测。加州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室（JPL）Bjorn Lambrigtsen是CPEX科学小组成员，他解释了原因：热带的对流很快就会暴发。一场雷雨突然冒了出来，1小时左右的时间里就消失了。它们不是很大，通常不到10公里宽。即使恰好在正确的时间地点进行观测，卫星还是不能观测到一个如此小的特征。要了解雷暴形成和生长的原因，研究人员需要进行实地观测。他们需要飞到风暴所在的地方，仔细观测其环境，同时测量风暴的所有重要特征。

　　Zipser对云顶高于喷气式飞机的深对流区域特别感兴趣。他说，如果你看看夏威夷的度假海报，你会看到一片布满小棉球的天空。那些云只有几公里深，这些云可能会形成阵雨。热带地区的对流层达到14到15公里深，深对流云层的上半部分布满了冰粒，而不是液滴。如果这些云层更有组织地变化，形成一个大系统，在陆地上移动，你就可以预见一次大范围的，差不多一天时间的强降雨。科研人员需要知道深对流形成的时间和原因。

一个月，一架飞机，五种仪器

　　CPEX团队计划在6月份进行10至16次飞行任务，总共飞行时间约为100个小时。他们希望记录对流风暴从新生到衰退的整个演变过程。无论在墨西哥湾、加勒比海还是大西洋西部，它们将向天气似乎最有希望的方向飞行。最有趣的数据应该是当飞机能够穿透深度而适中的对流，而不会受到闪电的威胁，从风暴或风暴系统中收集数据。

　　NASA的5种仪器首次作为同一组合进行飞行：

　　？DAWN（多普勒气溶胶风激光雷达），是NASA地球科学工具箱中新增的一项工具，用来测量飞机下方的水平风廓线。该仪器由弗吉尼亚州汉普顿NASA兰利研究中心开发研制和操作。Lambrigtsen提及，与只从丢掷地点收集数据的dropsondes相比，DAWN在飞行路径上收集了一系列连续数据。Lambrigtsen表示，这是了解热带对流的最重要的测量方法之一，在类似的传感器和DAWN出现前，这种观测是不可能的。

　　？APR-2第二代机载降水雷达，采用与美国国家气象局（NAS）地面雷达相同的双偏振、双—多普勒技术，对风暴降水和垂直运动进行测量。该雷达由JPL研发和运行，对云中的雨或冰粒子进行测量，揭示云结构。

　　？JPL的3个微波辐射计测量了Lambrigtsen所称的“对流的面包和黄油”问题，即：温度、水汽和云中的液体量：

　　HAMSR，高海拔MMIC（单片微波集成电路）探测辐射计；

　　MTHP，微波温度和湿度分析器；

　　MASC，微波大气探测仪，搭载于立方体卫星。这个实验仪器将测试在立方体卫星微小卫星上开展微型微波辐射计工作的可能。JPL科学家将评估MASC在CPEX科学活动的使用性能，推动该太空仪器发展路径。

　　DC-8飞机和机组人员驻扎在加州帕姆代尔NASA阿姆斯特朗飞行研究中心。

更好的认识，改进的模型

　　自20世纪60年代开始进行这一研究生涯的Ed Zipser和其他人都知道，从实地研究中获得良好数据可以增进对大气的了解，提高天气和气候模型的准确性。他指出，研究人员从上世纪70年代就知道，一次成功预报的关键是能够了解和诊断对流的作用问题。研究人员已经取得了很大进步，但没有任何1种对流模型处理方法是完美的。他们需要进行更好的观测与认知。CPEX提供了一个可以对对流及其演变问题进行更多了解的难得机会。

　　原文题目：NASA's CPEX Tackles a Weather Fundamental

　　资料来源：https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-cpex-tackles-a-weather-fundamental

　　（王化编译，殷永元审核）