国防科技大学气象海洋学院：云降水测量仪器的自主创新之路

云和降水是大气系统中最活跃的要素，也是气象观测业务中的基本观测项目。准确获取云降水参数对数值天气预报、人工影响天气、气候变化评估等具有重要意义。

云降水复杂多变，测量要求高，仪器研制难度大。国防科技大学大气探测与大气遥感团队自20世纪90年代起，聚焦云和降水测量仪器自主创新，经过30多年建设发展，先后研制出云幕灯、光学雨强计、地基红外测云仪、降水瞬态微物理特征测量仪、轻量型云粒子探测器、雪花三维成像仪、地基综合测云系统，有效提升了云降水宏微观特征的测量能力，成为气象观测领域的重要科技创新力量。

从手动走向自动

为解决夜间低云影响飞行安全的问题，该校的老一辈科技工作者聚力攻关，研制出当时较为先进的云幕灯。观测员通过遥控开启云幕灯光束照亮云底，并在一定距离处测量光斑的角度来估计云底高。在此基础上，团队进一步研制出光学经纬仪，观测员通过释放气球测定云底高度。本世纪初，为实现云量、云状和云底高的昼夜连续自动观测，团队创新提出非致冷红外焦平面阵列测云方法，突破了大视场红外辐射非均匀性修正、野外实时定标等关键技术，研制了首台具备昼夜全天空观测云量、云状和云底高能力的地基红外测云仪，实现了云宏观参数半自动观测技术到自动观测技术的跨越。

从宏观走向微观

降水的自动测量一直是气象观测领域的热点和难点。20世纪90年代，团队深入开展基于光强闪烁原理的光学雨强计技术研究，发展了我国第一代光学测雨技术。为进一步实现降水微物理参数测量，团队持续攻关，从光学线阵扫描测量技术到面阵列成像式测量技术，不断迭代发展。2013年，团队获批国家自然科学基金科学仪器基础研究专项“降水瞬态微物理特征测量仪”，创新提出降水单帧多曝光成像测量方法，从原理上实现了降水微物理参数测量由“间接测量”向“直接测量”的转变，突破了脉冲同步照明、远心成像、多模集束光纤点光源等关键技术，为降水粒子的大小、形状和速度等微物理参数的准确获取提供了全新手段，实现了从宏观参数测量走向微观参数测量。

从中国走向世界

在云降水测量仪器的研发过程中，团队坚持自主创新，逐渐走出了特色发展之路。先后获得授权专利40余项，获得湖南省技术发明二等奖、中国仪器仪表学会技术发明二等奖、中国光学工程学会“金燧奖”等多个奖项。其中，非致冷红外焦平面测云技术在地基测云领域达到国际领先水平；地基全天空云状自动识别技术被评价为近年来我国地基测云领域的代表性成果；降水瞬态微物理特征测量仪在光学降水测量领域处于国际领先水平。2020年，团队研发的地基红外测云仪和降水瞬态微物理特征测量仪正式入选世界气象组织（WMO）最新版《气象仪器与观测方法指南》，这是我国发展的气象仪器成果首次写入该指南，为推进云降水测量技术发展贡献中国方案。

由常规探索极端

当前，云和降水测量还远不能满足科学认知的需求。极地环境下的云降水结构、云层内部粒子的形态和分布、微观尺度下云降水粒子的演化，这些极端、微观的云降水观测能力存在显著不足，制约云降水物理学的进一步发展。团队以先进光电技术、信息技术与大气科学的交叉融合为途径，将云降水测量仪器研发逐步从地面拓展到高空，由常规观测向极端观测推进。近年来，团队依托国家重点研发计划项目，加快自主创新步伐，突破了轻量型云粒子测量关键技术，提出了基于多目立体视觉的雪花三维成像测量方法，发展了可见光红外像素级融合的极地云层成像测量技术，探索了太赫兹波冰云探测技术，积累了人才和技术优势，为云降水测量技术开发持续贡献力量。