中國科學(xué)院9月10日報道，9月9日，由中國科學(xué)院大氣物理研究牽頭研制的“多波段多大氣成分主被動綜合探測系統(tǒng)”（APSOS）現(xiàn)場演示與專家咨詢會議在安徽淮南新錦江大酒店舉行。在現(xiàn)場演示會上，APSOS系統(tǒng)得到中國同行專家一致認(rèn)可，最終將落戶于西藏羊八井臺站。APSOS將發(fā)揮效用，提升中國在大氣環(huán)境探測方面的綜合國力和技術(shù)水平。

多波段多大氣成分主被動綜合探測系統(tǒng)（Atmospheric Profiling Synthetic Observation System，簡稱APSOS）是國家自然科學(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)之一。

項(xiàng)目于2012年正式啟動，由中國科學(xué)院大氣物理研究所牽頭，聯(lián)合國內(nèi)其他6家科研單位（中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國科學(xué)院紫金山天文臺、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技術(shù)，APSOS系統(tǒng)不但能夠獲得大氣溫度、濕度、風(fēng)場和云層分布等多種氣象要素，而且能夠?qū)崟r監(jiān)測溫室氣體和污染氣體的時空變化，以實(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。

9月9日的現(xiàn)場演示會議由項(xiàng)目首席科學(xué)家中國科學(xué)院大氣物理研究所呂達(dá)仁院士主持，出席會議的有國內(nèi)大氣探測相關(guān)領(lǐng)域的多位知名專家學(xué)者：中科院地質(zhì)所萬衛(wèi)星院士、中國工程物理研究院張傳飛研究員、國家天文臺楊世模研究員、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?、南京信息工程大學(xué)王振會教授和中國科學(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，氣候變化、環(huán)境變化和人類活動對氣候、環(huán)境與生態(tài)的負(fù)面影響正在影響人類社會的可持續(xù)發(fā)展，同樣也是近年來科學(xué)界關(guān)注的重大前沿問題。

過去百年，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，在更大程度上依靠對大氣層結(jié)構(gòu)、成分、過程與變化的全球性長期監(jiān)測，包括直接探測（自動站網(wǎng)）和遙感探測（雷達(dá)、衛(wèi)星），繼續(xù)維持和發(fā)展以上的大氣探測系統(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)星觀測與地基站網(wǎng)觀測外，還存在著一個重要方面的迫切需求，即能夠?qū)崿F(xiàn)在垂直方向上對全（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間分辨率的長期連續(xù)觀測資料。實(shí)現(xiàn)全大氣層多要素連續(xù)觀測將有可能對氣候、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。

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。

“大氣科學(xué)發(fā)展包括對空間科學(xué)的認(rèn)識，60年以來世界各國衛(wèi)星已做了很多工作，但是一個定點(diǎn)如此高分辨率同時觀測多個大氣要素的目前還沒有。”呂達(dá)仁說。而這對更清晰地認(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)目的特色在于對全（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、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)我們平時所說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。還有，二氧化碳的排放也是當(dāng)今世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)，近幾十年來，人類活動導(dǎo)致了大氣中包含二氧化碳的溫室氣體急劇增加，對全球氣候產(chǎn)生了重要影響。除此之外，NO2和SO2也與環(huán)境污染問題息息相關(guān)。大氣臭氧層為人類和動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)象都是通過大氣探測的途徑發(fā)現(xiàn)的。中層大氣（20~100公里高度）溫度和風(fēng)場對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如此多的大氣成分和大氣要素呢？這已經(jīng)成為國際大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一，也正是APSOS這個重大科學(xué)儀器研制項(xiàng)目鎖定的目標(biāo)。

過去幾十年以來，大氣探測技術(shù)在多方面已經(jīng)有了長足的發(fā)展，國內(nèi)外科學(xué)技術(shù)界通過不同的前沿技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對大氣層的探測，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變化特征（通俗來講，將多臺觀測設(shè)備放置在同一臺站，對天頂方向同一區(qū)域的大氣進(jìn)行同步觀測，通過對觀測數(shù)據(jù)的分析處理來獲取該區(qū)域大氣的分布特征）；以高時空分辨率來“捕捉”一些瞬變過程，來理解和認(rèn)識大氣的運(yùn)動過程；以長期觀測資料來理解全大氣層對太陽活動和地表人類活動的響應(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)輻射波譜儀和一臺組合望遠(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。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。

呂達(dá)仁院士作為特邀專家參加了7月23-25日舉辦的第三節(jié)激光雷達(dá)成像探測技術(shù)及應(yīng)用研討會

系統(tǒng)還包括我國首臺地基W波段測云雷達(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毫米波長的電磁波，遇到目標(biāo)物后的返回信號經(jīng)過處理，可探測到20公里以下的非降水云分布。

4月13日，中國科學(xué)院大氣物理所在合肥組織召開中科院大氣所W波段測云雷達(dá)項(xiàng)目驗(yàn)收會

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)。

綜上，APSOS系統(tǒng)采用主、被動遙感相結(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技術(shù)，其總體構(gòu)想在國際上尚屬首次，整套系統(tǒng)的核心技術(shù)單元均采用國際前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對多大氣成分和多大氣要素的高精度測量。

最終，科學(xué)家關(guān)心的大氣要素都會呈現(xiàn)在APSOS綜合數(shù)據(jù)分析和可視化平臺上，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)框架的可視化平臺能夠?qū)崿F(xiàn)每5秒一個數(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)程控制。

“這套系統(tǒng)的目的是在地面上放多個垂直方向的觀測設(shè)備，測量從地表最高到100公里高度大氣要素的垂直分布和時間變化。”呂達(dá)仁說。

中科院大氣物理所研究員潘蔚琳以氣溶膠探測為例介紹稱，在全中性層范圍內(nèi)，激光一秒鐘打30個脈沖進(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)在一個方向上有足夠多的要素，足夠高的分辨率時，相當(dāng)于知道了形成大氣過程的物理要素、大氣動力要素。”呂達(dá)仁強(qiáng)調(diào)，這樣的資料積累對大氣研究至關(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)地的聯(lián)調(diào)工作，即將在海拔4300米的西藏羊八井國際宇宙線觀測站全面建成并長期開展青藏高原大氣觀測研究。

西藏羊八井國際宇宙線觀測站

“西藏是中國對全球氣候變化研究的重點(diǎn)，海拔高有機(jī)會探測更多的大氣要素，更能體現(xiàn)設(shè)備的科學(xué)價值和資料價值。”呂達(dá)仁說。

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)。

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)注的問題。

“最大的問題是激光器，為了獲得好信號，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，激光器仍可以保持七八年的使用壽命。

雖然目前激光雷達(dá)無法在白天和雷雨天工作，且一套系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)一個點(diǎn)的大氣探測，但它具備的長時間、連續(xù)穩(wěn)定對大氣多要素進(jìn)行深度探測的優(yōu)勢，還是讓專家對其發(fā)展充滿期待。

呂達(dá)仁希望，未來有更多這樣的設(shè)備，打造更多可以深度解析大氣信息的“探測點(diǎn)”，為國內(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，并且我們的資料會向國內(nèi)外科學(xué)家發(fā)布，歡迎科學(xué)家一起做觀測和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，這是我們的承諾也是我們的愿望。”呂達(dá)仁說。

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。同時，還可為我國自主研發(fā)星載大氣探測設(shè)備提供必要的技術(shù)積累。