「今天夜裡到明天白天多雲，局部地區有雷陣雨。」如此耳熟能詳的天氣預報有時會被人調侃為「天氣誤報」。調侃也並非無憑無據，「夜裡幾點到明天幾點呢、局部地區又是哪裡呢、說好的雨為什麼沒來呢？」
隨著人們生產生活的需求日益提高，對天氣預報預測準確率和精細化水平的要求也越來越高。此外，我國氣象災害多、頻率高且分布廣，迫切需要建立綜合、立體、連續觀測的氣象監測系統。
實現這些氣象預測目標，離不開相關探測技術和設備的發展。中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所（以下簡稱安光所）大氣光學研究中心的科研團隊通過攻關，在水相關氣象要素探測設備領域取得技術突破和產業化進展。日前，大氣光學研究中心副主任劉東帶領團隊完成的「水相關氣象要素探測設備工程化研發和產業化」項目在合肥通過驗收。
劉東向《中國科學報》介紹道，探測設備主要包括雷射雷達、全天空雲圖儀和降水天氣現象儀，共同構成一雙看雲識天氣的慧眼，目前正在積極投入應用。
提供兩會氣象保障
「雲騰致雨，露結為霜。」水在地球上以氣態、液態、固態三種形態共存，在大氣中分別表現為水汽、雲、雨雪等相態，並在陸地、海洋和大氣中不斷循環、轉化。
「突發強對流天氣監測預警、中短期天氣預報到中長期的天氣預測都與水相關要素緊密關聯，尤其是防汛、抗旱等氣象災害預報服務，以及天氣預報預測。」劉東告訴《中國科學報》，「目前，國內尚無公開發表的針對大氣中水循環進行研究的全套、科學的探測手段。」
為深入研究水循環的作用機理及其對氣候生態環境的影響，劉東帶領團隊圍繞水相關氣象要素開展研究，先後攻克水汽—氣溶膠雷射雷達的自標定技術、水汽混合比反演的氣溶膠透過率修正技術、多次高動態曝光圖片合成技術、多種天氣現象的識別與反演等核心技術。
劉東說：「我們率先提出採用雷射雷達、全天空雲圖儀和降水天氣現象儀來分別探測大氣水汽廓線、雲和降水，為氣象站點提供一體化的探測設備。」
通常，水汽雷射雷達需要探空氣球的數據進行標定，往往採用雷射雷達和探空氣球同時同地同步進行實驗的方法，利用探空氣球測量的相對溼度和溫度，反演水汽混合比，對雷射雷達系統常數進行標定。
劉東指出，探空氣球存在很大的局限性。一是飛行路徑飄忽不定，探測數據不一定在雷射雷達光束照射範圍之內，容易造成標定誤差。二是探空氣球的施放時間和地點受空域限制，不能隨時進行，需要提前申報，且不一定能獲批。
為解決這一問題，劉東團隊研發的大氣水汽—氣溶膠雷射雷達，提出採用水汽雷射雷達自標定創新方法進而實現垂直觀測，通過發射水汽拉曼散射波長為660納米的雷射，直接對水汽接收通道進行標定。「不需要使用探空氣球，地點靈活，且不受地域限制。」
該成果也為2019年全國兩會提供了更加實時、快速、準確的氣象「護航」。
兩會期間，每天凌晨5點多，參與兩會氣象保障的劉東團隊已經準備好了所有觀測材料。「探空氣球受天空解析度影響，一般一天放兩次，且容易受幹擾，如遇到航空管制則無法施放。」劉東解釋道，「我們研製的雷射雷達可以實現從地面到十幾公裡高空內，全天24小時的垂直觀測。」
雖然現在天氣預報已經相對準確了，但還遠遠不能滿足人們日益增長的需求。劉東團隊希望實現更加精細化、準確的預測，實現具有自主智慧財產權的氣象探測裝備的產業化，帶動水相關氣象要素整體探測技術的產業升級。
根據需求量身定製
劉東介紹：「我們研發的三種水相關氣象要素探測設備可以根據客戶需求自由組合、量身定製，這也滿足了氣象預測服務多元化、定製化的需求。」
目前的系統可以探測到距離地面十幾公裡的區域，但如果客戶不需要這麼高區域的探測，只需要探測到距離地面3公裡內的邊界層，「我們則會根據其需求定製探測產品。」劉東說。
他進一步指出：「當前，我們的探測雷達一秒鐘可以發射20個雷射脈衝，根據客戶探測精細化的實際需求，我們正在研製一秒鐘發射5000個脈衝，且每個脈衝能量都很低但電光轉換效率很高的探測設備。一方面可以更精準地滿足客戶需求，另一方面還能降低產品價格。」
生活中，當人們拍照時過度曝光會影響圖片清晰度。同理，太陽的強曝光也會造成探測器的飽和，影響圖像清晰度。傳統的解決方式是增加跟隨太陽轉動的遮擋設備，以遮住太陽光。但這種方法不僅增加了成本，而且裝置未必能遮擋住太陽，依然會造成探測器飽和。
為此，劉東團隊研發的全天空雲圖儀採用了多次高動態曝光圖片合成新技術，對太陽採用不同的曝光時間，以減少太陽光達到探測器的光通量，最後合成一幅全天空照片。劉東指出：「使用這種技術，不僅減少了跟蹤太陽的遮擋裝置，節約了成本，減少了維護，同時也有效保護了探測器。」
此外，太陽光還會產生噪聲幹擾。為解決此問題，劉東團隊研發的降水天氣現象儀採用了對射式的測量結構，發射端光源通過凸透鏡準直後經過狹縫形成一條平行的光帶，並且採用雷射調製技術，有效克服了背景光噪聲幹擾，提高了測量系統的信噪比。
劉東說：「降水天氣現象儀對微小雨滴測量具有足夠的敏感度和解析度，採樣速率快、數據處理時間短，能有效捕捉所有經過採樣區的粒子，解析出粒徑、速度、數目，並計算輸出相關的降水信息。」
「守得雲開見日出」
在前期技術研發的基礎上，劉東團隊還將技術進一步推向產業，通過技術合作和成果轉化，孵化了3家高科技企業。劉東介紹：「目前研發的3款產品分別由3家公司生產和銷售，基於此前與相關企業的合作基礎，可以讓產品的運營更加專業化、精細化，便於客戶使用，減少維護成本。」
氣象服務覆蓋民航、光伏、農業等眾多領域。現如今，劉東團隊根據不同用戶的需求，正在升級改造和研製新設備，並在不同行業領域開展示範應用，以進一步降低研發成本，推進網格化布點，開展精細化觀測。
劉東解釋道，以光伏行業為例，光伏供電最大的難題之一就是因為天氣難以預測而很難有效輸送存儲的電能。由於主幹網有自身設計參數，子幹網若想向主幹網輸入存儲需要提前預留，預留多了或少了都會造成浪費，這就依賴於對雲的形成過程進行精準預測。
為進一步開展示範應用，2017～2018年，劉東團隊聯合產業化公司在位於安徽省壽縣的國家氣候觀象臺、山東省章丘氣象局、北京南郊和甘肅敦煌等幾十家單位開展了示範應用，並取得了明顯的推廣效應，驗證了設備的可靠性，推動了系統模塊化建設。
6月24日，第29屆國際雷射雷達會議在安徽合肥舉辦，由安光所主辦。這也是國際雷射雷達會議首次在中國舉辦，國際雷射大氣研究協會唯一的中國委員一直由安光所研究人員擔任，自2017年6月起，劉東擔任中國委員。
提起在中國舉辦國際雷射雷達會議，劉東感慨萬千：「20年前，在我讀書的時候，我的導師就在為國際雷射雷達會議在中國舉辦而努力。20年了，我們共申請了3次，終於成功了！然而這距離1968年的第一屆會議也過去了50多年。」
這也說明，我國雷射雷達技術的發展經歷了漫長的過程，通過幾代科研人員的努力，終於「守得雲開見日出」。
（原載於《中國科學報》 2019-08-01 第8版 裝備製造)