1月5日上午，一架搭载着30余个大气观测仪器的空中国王B-3587飞机从北京起飞，飞过周边地区的工厂，带着大气污染排放的一手数据于19时30分左右停落。
用飞机测量大气污染情况，是国家重点研发计划“大气污染成因与控制技术研究”中“飞机示范平台测量模块整合与演示”课题内容。此次飞行，是自2019年课题开展以来，经历的上百次试验之一。获取的数据将汇总至项目组，通过算法得出工厂在大气中排放污染物的具体数值、传播路径、影响范围等，为大气污染精准防治提供支撑。
“飞机在精准测量大气污染物上有独特优势，但此前国内在大气污染飞机航测的先进平台建设以及专用仪器组合方面还是空白。”课题负责人、北京市人工影响天气中心高级工程师赵德龙介绍，他的团队就是要改造出这样的飞机平台，为大气污染防治“穿云破雾”。
这支以北京市人工影响天气中心为班底的项目团队，日常承担云降水物理和大气成分飞机观测平台建设等研究任务，探究大气污染秘密、揭示云降水奥秘，研究大气环境污染与云物理相互影响关系。这样的基础为承担这一科学技术部的项目任务奠定了基础。
“注意，轮档和电线都准备好了吧？”1月5日19时30分，B-3587飞机刚落地，赵德龙和团队成员便马上启动UPS电源，紧接着召集地面待命的团队成员一起将近十吨重的B-3587飞机手动推入停机场，再迅速给飞机内所有设备充上电，所有操作在十分钟内完成。当记者看到飞机时，工作人员正在进行数据整理和仪器检修等工作。
在长近20米、高4米的飞机机翼和机体上，都装上了大气观测设备，包括气溶胶探头、高分辨率气溶胶质谱仪、被动遥感G波段微波辐射计、机载Ka波段云雷达（KPR）、快速云滴探头（FCDP）等31套仪器。机翼下方形似弹头的云雷达，可以通过回波探测飞机上下5千米的云层结构，实现航测数据从线变面。机身后端凸出的几个短柱，分别是液水、温度、积冰、露点探头。“挥发性有机化合物汽车排放、工业气体污染物，0.01微米到十几微米的粒子，还有雾-霾、云滴雨滴、冰雹降雪等，从气溶胶到云凝结核冰核，再到降雪降水全部都能测。”赵德龙说，最初，170公斤重的大气组分仪器如何安放，气溶胶探头、舱内气溶胶设备如何改装到飞机机体且保持正常运转，这些都是困扰团队的难题。大气环境、大气化学、云物理、遥感学……改飞机涉及多个学科领域。加装在机翼下的挂架大阻力大，探测仪器从密闭舱内伸出探头，沉重的仪器让飞机难以保持平衡。通过边学边研并及时与专业改装公司沟通解决这些问题，如今飞机已能安全稳定开展试验任务，变身为可以“单兵作战”执行多项任务的“特种兵”。
“工欲善其事，必先利其器。搭建我国自己的大气污染飞机航测平台，就可以通过试验定量分析污染物排放量，知道污染物在空气中传播了多少，传播渠道是什么样，通过通量算法得出数据，可以为工厂减排、政府决策等提供科学支撑。”赵德龙说。装载了仪器，并不意味着平台就建好了，这中间还有很多需要解决的软硬件和关键技术问题。比如飞机搭载的仪器大部分没有经过适航技术研发与改造，很少搭载新一代测量设备；飞行空域限制了飞行方案，致使航测局限于污染物三维分布而较少关注排放和传输等过程；测量方法、质量控制、数据分析方面仍有所欠缺。面对这些难题，如何“穿云破雾”，正是试验团队努力的方向。试验团队研发飞行平台软硬件技术，设计、改进和制造集成架、设计大型仪器机用框架、布置颗粒物进样系统气路等，实现飞机上各模块之间的数据衔接、传输，与地面指挥系统双向链传输。此外，还自主开发飞机科研数据集成软件，可以在15分钟内将飞机上的所有数据都迅速浏览一遍；形成大气污染航空测量技术规范，为我国大气污染机载测量和应用示范提供标准；用新开发的质量平衡算法，结合大气航测资料计算源排放量和传输通量，并展开卫星反演验证，制定大气环境航测及星地同步遥感可行性方案。
“试验最大的创新，就是完成对搭载先进仪器飞机的改造，并建成整合飞机、仪器数据的综合系统。建成这个平台，填补了国内全要素大气污染航空测量领域的空白。”赵德龙说。如今，上百次的航测试验和精准数据证明，一个实现高时间分辨率、多参数、多物种的原位和遥感测量结合的全方位航测平台已经成型。建好平台，还要通过试验进行完善，形成一套示范飞行方案。每年执行几十次航测，与轰鸣的飞机和海量的数据相伴，成为团队的日常。“在天上，我们经常是哪里危险就往哪里钻，为了获取更多准确、多元的数据，飞机经常在低高度上下穿梭。”赵德龙说，团队经常要根据情况临时调整航测计划，确保采集数据科学合理。
搭帐篷睡在飞机旁等待执行试验，“喜提”冬冷夏热的集装箱房，和设备零件挤在一个屋，度过每个没有电的夜晚……团队成员早已习惯。“在飞行前一天，我们要递交飞行计划，让值班成员到现场将需要24小时运行的设备提前打开。”赵德龙说。起飞前，团队要根据卫星、地面雷达模型预报等查看天气趋势、污染情况，判断是否适合飞行，将气象信息全部确定，递交给飞行基地、空管等十几个部门协调，并与机长提前对接。
起飞当天早上6点，团队成员小心挤过只容通过一人的狭窄过道打开电源，几十台仪器同时启动，巨大的轰鸣声瞬间填满整个机舱。将仪器调整到最佳状态后，采样设备在地面便开始运行，随后B-3587飞向高空。一天下来，在飞机上的两名团队成员既是科研人员又当操作员，饿了只能塞两口面包应付一下。飞机降落后，成员们在十分钟内完成了停机、充电等任务，赵德龙和大家拿酒精擦拭起这些宝贝仪器，并拿罩子罩好。
赵德龙和团队成员期待课题结束后，还可以继续“穿云破雾”，揭开大气污染背后的秘密。
来源丨 中国气象局气象宣传与科普中心（中国气象报社）
编辑 | 中国气象局气象宣传与科普中心（中国气象报社）全媒体记者 杨胜蓝
