為探知大氣圈內(nèi)變化無窮的奧秘，2012年，國家自然科學(xué)基金委首批資助的國家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)——多波段多大氣成分主被動綜合探測系統(tǒng)（簡稱APSOS）啟動。
該項(xiàng)目近日順利結(jié)題。在海拔4300米的西藏羊八井國際宇宙線觀測站，APSOS已進(jìn)入工作狀態(tài)。
夜晚，一束束綠色、黃色的激光射向天空，仿佛一支超級“激光筆”，探照大氣中溫室氣體和污染氣體的時空變化。
APSOS項(xiàng)目 同時觀測多個大氣要素
APSOS的科學(xué)目標(biāo)是獲得從近地面到110千米區(qū)間的大氣溫度、濕度、風(fēng)場、大氣溫室氣體與污染氣體、云和氣溶膠的高垂直分辨率觀測資料，實(shí)現(xiàn)對大氣垂直結(jié)構(gòu)、運(yùn)動變化與成分輸送的研究。
過去百年，科研人員主要以計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)方法為支持來進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測，而無論是模型的建立還是預(yù)測方法的研究均離不開對大氣層結(jié)構(gòu)、成分、過程與變化的全球性長期監(jiān)測。這些數(shù)據(jù)來自各國建立的氣象臺站及遙感探測包括雷達(dá)、衛(wèi)星等。那么，APSOS又有何獨(dú)特之處？
“我們的核心科學(xué)目標(biāo)是獲得控制大氣運(yùn)動過程的重要因子，理解其中的相互關(guān)系和耦合過程，用定量規(guī)律描述它，形成一個數(shù)字模式。”中科院大氣物理研究所研究員、中國科學(xué)院院士呂達(dá)仁在接受科技日報(bào)記者采訪時表示。
如何獲取這些影響因子的相關(guān)數(shù)據(jù)？“科研人員發(fā)展了很多觀測技術(shù)和手段，世界各國的衛(wèi)星也做了很多工作，提供了很多數(shù)據(jù)，但是在一個定點(diǎn)如此高分辨率地同時觀測多個大氣要素的目前還沒有。”呂達(dá)仁說，“與此同時，在垂直方向上對全大氣層的主要要素獲取較高時間和空間分辨率的長期連續(xù)觀測資料，對更清晰地認(rèn)識氣候、環(huán)境變化所依托的大氣機(jī)理至關(guān)重要。”
APSOS項(xiàng)目正是要彌補(bǔ)這方面的不足，同步獲取全大氣層多成分和多要素資料。這些要素包括溫度、風(fēng)場、臭氧、二氧化碳、水汽、二氧化氮、二氧化硫、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)我們平時所說的霧霾和沙塵都屬于氣溶膠的一種）。
這些要素都在氣候和環(huán)境變化中扮演著重要角色。大家最關(guān)心的PM2.5與人類健康息息相關(guān)；氣溶膠也對氣候變化、大氣物理過程、環(huán)境科學(xué)和光的大氣傳輸都有十分重要的影響；二氧化碳的排放則是世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)；二氧化氮和二氧化硫也與環(huán)境污染密不可分。
發(fā)射激光 精準(zhǔn)“切割”中性大氣層
地球被一層很厚的大氣層包圍著。大氣層按高度分為對流層（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），在此之上為熱層（上界約為800公里）和逃逸層。熱層的大氣因受太陽輻射，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進(jìn)行探測的。”呂達(dá)仁說，“因?yàn)檫@個區(qū)域的研究可打通大氣物理和空間物理研究內(nèi)容，能更深刻探析人類活動與大氣運(yùn)動、氣候變化等之間的關(guān)系。”
APSOS也是全球首套中性大氣層多成分、多要素的大型地基主被動綜合探測系統(tǒng)。它由5臺激光雷達(dá)、1臺毫米波測云雷達(dá)、1臺太赫茲超導(dǎo)輻射波譜儀和1臺組合望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的大型儀器設(shè)備組成。從空中俯瞰，以組合望遠(yuǎn)鏡所在建筑物為中心，裝有設(shè)備的集裝箱方艙分布四周，整個系統(tǒng)成“米”字形。
其中，激光雷達(dá)作為主動式光學(xué)遙感探測設(shè)備，具有高時空分辨率和高探測精度等優(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，散射回來的光信號由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收，再被光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號?；诓煌募す饫走_(dá)原理，通過處理接收到的信號就能得到不同探測物質(zhì)的含量，通過多普勒效應(yīng)獲得大氣溫度和風(fēng)場。而系統(tǒng)中的毫米波測云雷達(dá)則以靈敏探測高卷云見長。
另外，多臺激光雷達(dá)共用一臺光學(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，使其成為國際領(lǐng)先水平的大氣探測激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡。
系統(tǒng)中唯一的被動遙感設(shè)備是一臺超導(dǎo)輻射波譜儀，工作于太赫茲波段，用于探測中間層大氣中的水汽、臭氧等溫室氣體的含量。太赫茲波段是目前可開發(fā)利用的最后一個電磁波段，具有很強(qiáng)的大氣穿透能力，能夠探測到更遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。
中科院大氣物理研究所研究員潘蔚琳說，在中性大氣層范圍，APSOS通過發(fā)射激光，每秒打出數(shù)十個脈沖，就像一把把“劍”把大氣按每幾十米進(jìn)行“切割”，由此精確獲取大氣成分信息，其中包括近年來人們最關(guān)心的PM2.5。
高海拔安置 最大化體現(xiàn)設(shè)備科學(xué)價值
為什么將系統(tǒng)安置在西藏？“西藏是中國對全球氣候變化研究的重點(diǎn)，海拔高更有利于激光雷達(dá)和太赫茲波譜儀的探測，使得同時獲取多個大氣要素探測結(jié)果的機(jī)會更多，更能體現(xiàn)設(shè)備的科學(xué)價值和資料價值。”呂達(dá)仁說。
據(jù)了解，已經(jīng)搭建好基礎(chǔ)框架的可視化平臺能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的同步更新，并將實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控。但如此精密的儀器在西藏的長時間、穩(wěn)定運(yùn)行仍存在著一定的挑戰(zhàn)。
“最大的問題是激光器在高原的運(yùn)行，為了獲得高質(zhì)量的信號，激光器都是最高配置，對技術(shù)要求比較高。”潘蔚琳說。不過，她表示，維護(hù)得當(dāng)?shù)那闆r下，激光器仍可以保持?jǐn)?shù)年的使用壽命。
雖然目前激光雷達(dá)無法在白天和雷雨天工作，但它具備的長時間、連續(xù)穩(wěn)定對大氣多要素進(jìn)行精細(xì)探測的優(yōu)勢，還是讓專家對其發(fā)展充滿期待。
“APSOS系統(tǒng)建成后，不但能夠大幅提升我國在大氣環(huán)境探測方面的綜合國力和技術(shù)水平，還能夠?yàn)榇髿猸h(huán)境監(jiān)測、氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)和空間安全保障等提供有價值的觀測數(shù)據(jù)，有助于對大氣中新過程、新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和理解。”呂達(dá)仁說。
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