自从20世纪40年代开始将雷达应用到气象探测业务以来，这项技术取得快速发展，特别是近20～30年来，在东亚、西欧、北美、澳大利亚等区域和国家先后建成了较完整的天气雷达探测网，对天气系统的演变发挥了重要的监测预警作用，成为地基气象探测业务系统中最重要的工具之一。作为对灾害天气的监测，及对天气系统的发生发展规律的认识，地面雷达系统的建设基本可以满足某一区域的需求，但由于雷达具备强大测云、测雨功能，使气象学家无法仅满足于此，全球的云雨分布并不仅是在陆地或人类活动较多的区域，更多发生在广大的海洋洋面上。特别是热带洋面上空，是大范围对流降雨系统发展的重要区域，不将云雨结构探测分析清楚，对于天气、气候演变规律的认识，包括对全球天气的实时监测预测，都会存在盲区。特别是云雨形成过程中会释放大量潜热，是驱动大气环流运动的重要能量来源，探测分析广大洋面上和人类活动稀少区域的云雨变化，显然存在迫切需求。
走向海洋，通过船舶和飞机加载雷达后都可以实现对海洋云、雨的观测，但明显的缺陷是探测时空范围有限，难以满足对全球天气气候问题研究的需求。可能的选择是星载雷达，将雷达安装在卫星上，通过主动发射电磁波的方式获取全球云雨的内部结构特征，若能实现，则会改变对全球降雨缺少系统性完整测量的局面。星载测雨雷达正是在这一需求推动下发展的。
1 TRMM 卫星的成功
热带降雨测量任务（TRMM）卫星的起源可追溯到1972年，当时美国国家航空航天局（NASA）的科学家获取到了卫星上第一个微波成像仪器（ESMR）云结构图像，被微波仪器洞穿云层的能力迷住了，可以清晰看到云内降雨轮廓。1976年，ESMR的首席研究员Tom Wilheit博士等首次通过试验对观测数据进行了量化，标志着直接、定量、全球卫星观测太空降雨的开始。同年，Rao等通过ESMR数据，生成了一个全球海洋降雨图集。尽管存在明显缺陷，但比当时任何可用的全球云雨图集都要完整，此时人们相信“与其诅咒黑暗，不如点燃一支蜡烛。”
1984年，NASA的科学家经过多种方案的讨论，提出了新的发展计划（TRMM），即在卫星上安装以ESMR为基础的增加主动遥感的雷达装置，将可以在全球降雨观测定量数据获取方面取得新的跨越，获取更为精准的云、雨探测信息。但由于经费和需求问题，技术上的先进性与可行性都还不足以说服NASA立项投资，相关的科学家在美国及世界各地开展了广泛说服工作，试图证明TRMM计划的价值，并从科学角度做出分析和验证。如诺斯博士（Dr. North）根据他对全球大气研究计划大西洋热带试验（GATE）雷达数据的研究，证明若通过TRMM获取数据中央气象雷达，足以确定用于气候目的的月平均降水量，即尽管从天气预报角度，一颗雷达星由于重复频率低，难以满足对天气系统的有效监测，但从气候分析角度，则有其特殊的应用价值，可以获取全球降雨的时空平均分布信息。
1985年，TRMM计划的积极倡导者读到了日本无线电研究实验室（RRL）（后改为通信研究实验室CRL）的富冈诺博士（Dr. Nobuyoshi Fugono）撰写的论文，阐述了RRL同时使用雷达和微波辐射计对降雨进行遥感观测的成果。有趣的是，RRL的关注点是如何修正受到降雨干扰的无线电信号，而NASA专家关心的则是如何获取那些干扰信号特征，即降雨。NASA的约翰·席恩（John S. Theon）在一次路过东京时与富冈诺博士见了面，并促成了双方在TRMM计划中的合作，在经过双方的多方协调后，TRMM在美、日两国太空计划中得到了最高级别的认可，实现了在发展战略、科技研发和经费支持上的互补。
虽然有美、日科学家的深度参与，随后的进程也不算顺利，要做的事很多，经费并不充裕，有的参与者甚至一度对TRMM的缓慢进展感到不耐烦。但最终还是见到了曙光，1991年，NASA得到了一笔5000万美元的TRMM计划启动资金，正式成立了项目办公室，进展明显加快，1991年4月，硬件研制正式启动。
TRMM卫星为近地轨道卫星，采用三轴定向稳定，轨道倾角为35°，覆盖范围为35°N－35°S。共包括5个科学仪器，除测雨雷达（PR）外，还包括微波成像仪（TRMM Microwave Imager，TMI）、可见光和红外扫描仪（VIRS）、云和地球辐射能量系统（CERES）、闪电成像传感器（LIS）（图1）。按照协议，日本宇航研发局（National Space DevelopmentAgency of Japan, NASDA）负责PR和发射火箭（H-II）的研制，NASA负责其他的仪器。在设计过程中，也曾考虑过PR使用13.8和24.15 GHz的双频方案，但因重量和能源等因素而放弃了。而将PR与TMI信息结合，形成主动与被动微波探测信息的互补，对提升降雨信息定量计算的可靠性确实起到了重要作用。TRMM上安装的TMI，其是在美国国防卫星计划（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）开发的微波成像探测仪（Special Sensor Microwave/ImagerSounder，SSM/I）基础上改进，增加了10.7 GHz通道，并将22.235 GHz频率改为21.3 GHz，同时使用10.7、19.4、21.3、37与85.5 GHz五个微波频段中央气象雷达，除21.3 GHz通道采用垂直极化外，另四个均为水平与垂直双极化通道。TMI的扫描宽度约为760 km。
图1 TRMM仪器分布概念图
1997年11月28日，一切准备就绪，通过H-II运载火箭，将3620 kg重的TRMM卫星从日本种子岛航天中心（Tanegashima Space Center）成功升空，成为世界上首颗空基天气雷达卫星，覆盖范围为35°N－35°S。从这颗卫星设计目标来看，尽管可以提供强对流天气降水系统的垂直立体分布（图2），因存在单颗卫星重复频率低的弱点，但并不像地基天气雷达那样主要用于观测短时强降水系统，其定位是用来开展热带降雨气候学的研究。PR可以从太空对星下观测区域的降雨实现全天候立体探测，避免了地形和建筑物影响，从而获取到了较高分辨率的全球陆地与海洋上空的降雨立体结构信息。且PR经过了精确定标后，与TMI信息结合计算，数据具有较高的可信度和一致性（图3）。
图2 2011年TRMM探测到的飓风艾琳（Irene）（来源：NASA网站）
图3 350 km高度时PR、TMI和VIRS测雨时空范围概念图（来源：JAXA网站）
通过对TRMM资料的研究分析，确实取得了大量成果，如显著降低了对热带降雨的气候学估计的不确定性，给出了热带地区潜热估计的垂直剖面，还通过对降雨时间变率的分析，建立了与MJO（Madden-Julian oscillation）和ENSO（El Niño-Southern Oscillation）变化的相关联系等。此外，也取得了许多包括天气分析在内的研究成果，可以说是超预期完成了预期目标。
为提高卫星的寿命，2001年8月，将卫星运行高度从350 km提升到了400 km，这样做可以降低来自大气的阻力。PR扫描宽度约为215 km，轨道高度提升后为247 km；星下点水平分辨率约4.3 km，轨道提升后约为5 km；垂直分辨率为250 m；探测高度范围为自地表向上至约20 km处。
最初设计寿命为3年的TRMM卫星持续工作了17年。提供了大量云雨和风暴的三维结构信息，于2015年4月15日因燃料耗尽而正式结束使命，6月15日在南印度洋上空关闭并坠入地球大气层。这一成功设计和运行的项目为后来的测雨卫星发展提供了宝贵的技术积累，并加速了随后的发展，如全球降雨测量计划（Global Precipitation Measurement，GPM）测雨卫星，显然是在TRMM成功的基础上研制发展的。
（未完待续）
来源 | 气象科技进展2023年第1期
作者单位 | 中国气象局
编辑 | 冯裕健
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