中國(guó)科學(xué)院9月10日?qǐng)?bào)道，9月9日，由中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究牽頭研制的“多波段多大氣成分主被動(dòng)綜合探測(cè)系統(tǒng)”（APSOS）現(xiàn)場(chǎng)演示與專(zhuān)家咨詢會(huì)議在安徽淮南新錦江大酒店舉行。在現(xiàn)場(chǎng)演示會(huì)上，APSOS系統(tǒng)得到中國(guó)同行專(zhuān)家一致認(rèn)可，最終將落戶于西藏羊八井臺(tái)站。APSOS將發(fā)揮效用，提升中國(guó)在大氣環(huán)境探測(cè)方面的綜合國(guó)力和技術(shù)水平。
多波段多大氣成分主被動(dòng)綜合探測(cè)系統(tǒng)（Atmospheric Profiling Synthetic Observation System，簡(jiǎn)稱APSOS）是國(guó)家自然科學(xué)基金委首批資助的國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專(zhuān)項(xiàng)之一。
項(xiàng)目于2012年正式啟動(dòng)，由中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)其他6家科研單位（中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)、武漢大學(xué)和安徽四創(chuàng)電子股份有限公司），自主研制成功全球首套全（中性）大氣層（從近地面至110公里高度）多成分、多要素的大型地基綜合探測(cè)系統(tǒng)。
APSOS整裝待發(fā)
利用世界領(lǐng)先水平的激光、微波和太赫茲遙感探測(cè)技術(shù)，APSOS系統(tǒng)不但能夠獲得大氣溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)和云層分布等多種氣象要素，而且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溫室氣體和污染氣體的時(shí)空變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣垂直結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)變化與成分輸送的研究。
9月9日的現(xiàn)場(chǎng)演示會(huì)議由項(xiàng)目首席科學(xué)家中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所呂達(dá)仁院士主持，出席會(huì)議的有國(guó)內(nèi)大氣探測(cè)相關(guān)領(lǐng)域的多位知名專(zhuān)家學(xué)者：中科院地質(zhì)所萬(wàn)衛(wèi)星院士、中國(guó)工程物理研究院張傳飛研究員、國(guó)家天文臺(tái)楊世模研究員、中科院青藏所馬耀明研究員、中科院高能所盧紅研究員、中科院空間中心楊國(guó)韜研究員、北京大學(xué)毛節(jié)泰教授、蘭州大學(xué)黃建平教授、南京大學(xué)談?wù)苊艚淌凇⒛暇┬畔⒐こ檀髮W(xué)王振會(huì)教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)傅云飛教授等人。
揭秘氣候環(huán)境變化
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，氣候變化、環(huán)境變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)氣候、環(huán)境與生態(tài)的負(fù)面影響正在影響人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，同樣也是近年來(lái)科學(xué)界關(guān)注的重大前沿問(wèn)題。
過(guò)去百年，大氣科學(xué)的進(jìn)展分別建基于基礎(chǔ)物理規(guī)律與數(shù)學(xué)方法的支持，以計(jì)算機(jī)與數(shù)值方法為支持的數(shù)值模擬與數(shù)值預(yù)測(cè)，在更大程度上依靠對(duì)大氣層結(jié)構(gòu)、成分、過(guò)程與變化的全球性長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，包括直接探測(cè)（自動(dòng)站網(wǎng)）和遙感探測(cè)（雷達(dá)、衛(wèi)星），繼續(xù)維持和發(fā)展以上的大氣探測(cè)系統(tǒng)是大氣科學(xué)和地球系統(tǒng)科學(xué)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。
計(jì)算機(jī)模擬大氣層
當(dāng)前地球系統(tǒng)科學(xué)的研究在有關(guān)大氣圈方面，除了依靠已有的衛(wèi)星觀測(cè)與地基站網(wǎng)觀測(cè)外，還存在著一個(gè)重要方面的迫切需求，即能夠?qū)崿F(xiàn)在垂直方向上對(duì)全（中性）大氣層的主要要素獲取較全面的高垂直分辨率和高時(shí)間分辨率的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)資料。實(shí)現(xiàn)全大氣層多要素連續(xù)觀測(cè)將有可能對(duì)氣候、環(huán)境變化所依托的大氣機(jī)理有更為清晰的理解和認(rèn)識(shí)。
我們知道，地球是被一層很厚的大氣層包圍著。大氣層按高度上分為對(duì)流層（距地約10~20公里）、平流層（距地約20~50公里）、中間層（距地約50~85公里）、熱層（距地約100~800公里）和逃逸層。熱層的大氣因受太陽(yáng)輻射，溫度較高，氣體分子或原子大量電離，能導(dǎo)電，故又稱為電離層。我們把熱層以下這些不帶電的大氣層稱為中性大氣層，APSOS系統(tǒng)就是圍繞中性大氣層來(lái)進(jìn)行探測(cè)的。
“大氣科學(xué)發(fā)展包括對(duì)空間科學(xué)的認(rèn)識(shí)，60年以來(lái)世界各國(guó)衛(wèi)星已做了很多工作，但是一個(gè)定點(diǎn)如此高分辨率同時(shí)觀測(cè)多個(gè)大氣要素的目前還沒(méi)有?！眳芜_(dá)仁說(shuō)。而這對(duì)更清晰地認(rèn)識(shí)氣候、環(huán)境變化所依托的大氣機(jī)理至關(guān)重要。
APSOS項(xiàng)目的特色在于對(duì)全（中性）大氣層多成分和多要素資料的同步獲取，這些包括了溫度、風(fēng)場(chǎng)、臭氧、二氧化碳、水汽、NO2、SO2、CO2、云和氣溶膠（氣溶膠指的是大氣中的固態(tài)和液態(tài)懸浮顆粒物，其實(shí)我們平時(shí)所說(shuō)的霧霾和沙塵都屬于氣溶膠的一種），這些都在氣候和環(huán)境變化中都扮演著重要角色。例如，大家最關(guān)心的PM2.5是指那些直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。氣溶膠對(duì)氣候變化、大氣物理過(guò)程、環(huán)境科學(xué)和光的大氣傳輸都有十分重要的影響。還有，二氧化碳的排放也是當(dāng)今世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，近幾十年來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致了大氣中包含二氧化碳的溫室氣體急劇增加，對(duì)全球氣候產(chǎn)生了重要影響。除此之外，NO2和SO2也與環(huán)境污染問(wèn)題息息相關(guān)。大氣臭氧層為人類(lèi)和動(dòng)植物提供了天然的防紫外輻射屏障，而南極春季臭氧洞和青藏高原夏季臭氧低谷等現(xiàn)象都是通過(guò)大氣探測(cè)的途徑發(fā)現(xiàn)的。中層大氣（20~100公里高度）溫度和風(fēng)場(chǎng)對(duì)出入大氣層的高速飛行器和航天器等都有重要影響。云在產(chǎn)生降水和地球能量輻射傳輸過(guò)程中扮演著重要的角色。
打通地球全大氣層
那么，如何能夠精確地探測(cè)如此多的大氣成分和大氣要素呢？這已經(jīng)成為國(guó)際大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一，也正是APSOS這個(gè)重大科學(xué)儀器研制項(xiàng)目鎖定的目標(biāo)。
過(guò)去幾十年以來(lái)，大氣探測(cè)技術(shù)在多方面已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外科學(xué)技術(shù)界通過(guò)不同的前沿技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣層的探測(cè)，并據(jù)此產(chǎn)生了不少重要的科學(xué)成果。研制APSOS系統(tǒng)的科學(xué)目標(biāo)是為了獲得同一垂直氣柱內(nèi)的大氣多要素的同時(shí)變化特征（通俗來(lái)講，將多臺(tái)觀測(cè)設(shè)備放置在同一臺(tái)站，對(duì)天頂方向同一區(qū)域的大氣進(jìn)行同步觀測(cè)，通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理來(lái)獲取該區(qū)域大氣的分布特征）；以高時(shí)空分辨率來(lái)“捕捉”一些瞬變過(guò)程，來(lái)理解和認(rèn)識(shí)大氣的運(yùn)動(dòng)過(guò)程；以長(zhǎng)期觀測(cè)資料來(lái)理解全大氣層對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)和地表人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)，例如，全球變暖中的低層大氣變暖和高層大氣變冷現(xiàn)象。
APSOS系統(tǒng)由5臺(tái)激光雷達(dá)、1臺(tái)毫米波測(cè)云雷達(dá)、1臺(tái)太赫茲超導(dǎo)輻射波譜儀和一臺(tái)組合望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的大型儀器設(shè)備，其核心單元有：
激光雷達(dá)作為主動(dòng)式光學(xué)遙感探測(cè)設(shè)備，具有高時(shí)空分辨率和高探測(cè)精度等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理是發(fā)射激光到大氣中，激光光束與大氣不同物質(zhì)發(fā)生相互作用，散射回來(lái)的光信號(hào)由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收，再被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)?；诓煌募す饫走_(dá)原理，通過(guò)處理接收到的信號(hào)就能得到不同探測(cè)物質(zhì)的含量，通過(guò)多普勒效應(yīng)獲得大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)。另外，多臺(tái)激光雷達(dá)共用一臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，采用4塊1.2米直徑的鏡面拼接，使其等效口徑達(dá)到2米，大幅提高了激光雷達(dá)的接收能力，使其成為國(guó)際領(lǐng)先水平的大氣探測(cè)激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡。
呂達(dá)仁院士作為特邀專(zhuān)家參加了7月23-25日舉辦的第三節(jié)激光雷達(dá)成像探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研討會(huì)
系統(tǒng)還包括我國(guó)首臺(tái)地基W波段測(cè)云雷達(dá)，該雷達(dá)工作于毫米波波段，而大氣中的云霧粒子在這個(gè)波段的散射特性很強(qiáng)。其工作原理是向天空發(fā)射3毫米波長(zhǎng)的電磁波，遇到目標(biāo)物后的返回信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，可探測(cè)到20公里以下的非降水云分布。
4月13日，中國(guó)科學(xué)院大氣物理所在合肥組織召開(kāi)中科院大氣所W波段測(cè)云雷達(dá)項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)
系統(tǒng)中唯一的被動(dòng)遙感設(shè)備是一臺(tái)超導(dǎo)輻射波譜儀，工作于太赫茲波段，用于探測(cè)中間層大氣中的水汽、臭氧等溫室氣體的含量。太赫茲波段目前可開(kāi)發(fā)利用的最后一個(gè)電磁波段，具有很強(qiáng)的大氣穿透能力，能夠探測(cè)到更遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。
綜上，APSOS系統(tǒng)采用主、被動(dòng)遙感相結(jié)合的方式，涵蓋從紫外到紅外、從太赫茲到毫米波的多波段探測(cè)技術(shù)，其總體構(gòu)想在國(guó)際上尚屬首次，整套系統(tǒng)的核心技術(shù)單元均采用國(guó)際前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多大氣成分和多大氣要素的高精度測(cè)量。
最終，科學(xué)家關(guān)心的大氣要素都會(huì)呈現(xiàn)在APSOS綜合數(shù)據(jù)分析和可視化平臺(tái)上，成為可被研究用戶直接應(yīng)用的產(chǎn)品。
中科院大氣物理所助理研究員王一楠介紹稱，已經(jīng)搭建好基礎(chǔ)框架的可視化平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)每5秒一個(gè)數(shù)據(jù)的同步更新，并將實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程控制。
“這套系統(tǒng)的目的是在地面上放多個(gè)垂直方向的觀測(cè)設(shè)備，測(cè)量從地表最高到100公里高度大氣要素的垂直分布和時(shí)間變化?！眳芜_(dá)仁說(shuō)。
中科院大氣物理所研究員潘蔚琳以氣溶膠探測(cè)為例介紹稱，在全中性層范圍內(nèi)，激光一秒鐘打30個(gè)脈沖進(jìn)而形成大氣距離分辨率，把大氣每三十米切割成塊，以獲得精確的大氣氣溶膠信息。
“當(dāng)在一個(gè)方向上有足夠多的要素，足夠高的分辨率時(shí)，相當(dāng)于知道了形成大氣過(guò)程的物理要素、大氣動(dòng)力要素?！眳芜_(dá)仁強(qiáng)調(diào)，這樣的資料積累對(duì)大氣研究至關(guān)重要。
該系統(tǒng)目前已在安徽淮南大氣科學(xué)研究院完成內(nèi)陸的聯(lián)調(diào)工作，即將在海拔4300米的西藏羊八井國(guó)際宇宙線觀測(cè)站全面建成并長(zhǎng)期開(kāi)展青藏高原大氣觀測(cè)研究。
西藏羊八井國(guó)際宇宙線觀測(cè)站
“西藏是中國(guó)對(duì)全球氣候變化研究的重點(diǎn)，海拔高有機(jī)會(huì)探測(cè)更多的大氣要素，更能體現(xiàn)設(shè)備的科學(xué)價(jià)值和資料價(jià)值?！眳芜_(dá)仁說(shuō)。
但如此精密的儀器在西藏的長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定運(yùn)行仍存在著一定的挑戰(zhàn)。
潘蔚琳在氣溶膠方艙內(nèi)向科學(xué)網(wǎng)記者介紹設(shè)備工作情況時(shí)就指出，高原散熱、激光器維護(hù)都將是設(shè)備在西藏地區(qū)運(yùn)行期間所關(guān)注的問(wèn)題。
“最大的問(wèn)題是激光器，為了獲得好信號(hào)，激光器都是最高配置，對(duì)技術(shù)要求比較高?！迸宋盗照f(shuō)。不過(guò)，她表示維護(hù)得當(dāng)?shù)那闆r下，激光器仍可以保持七八年的使用壽命。
雖然目前激光雷達(dá)無(wú)法在白天和雷雨天工作，且一套系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)的大氣探測(cè)，但它具備的長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)穩(wěn)定對(duì)大氣多要素進(jìn)行深度探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，還是讓專(zhuān)家對(duì)其發(fā)展充滿期待。
呂達(dá)仁希望，未來(lái)有更多這樣的設(shè)備，打造更多可以深度解析大氣信息的“探測(cè)點(diǎn)”，為國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究提供更詳實(shí)的數(shù)據(jù)。
“我們希望在淮南繼續(xù)再發(fā)展一套，并且我們的資料會(huì)向國(guó)內(nèi)外科學(xué)家發(fā)布，歡迎科學(xué)家一起做觀測(cè)和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，這是我們的承諾也是我們的愿望?！眳芜_(dá)仁說(shuō)。
APSOS系統(tǒng)建成后，不但能夠大幅提升我國(guó)在大氣環(huán)境探測(cè)方面的綜合國(guó)力和技術(shù)水平，還能夠?yàn)榇髿猸h(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)和空間安全保障等提供有價(jià)值的觀測(cè)數(shù)據(jù)，有助于對(duì)大氣中新過(guò)程、新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和理解。同時(shí)，還可為我國(guó)自主研發(fā)星載大氣探測(cè)設(shè)備提供必要的技術(shù)積累。
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