超级“激光笔”探照大气变化
——解读多波段多大气成分主被动综合探测系统APSOS
来源:中国气象报社   发布时间:2017-09-18
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  中国气象报记者 申敏夏 通讯员 周权

  全球变暖、海冰减少、极端天气频发、空气污染加剧……气候变化、环境变化和人类活动对气候、环境及生态的负面作用,正成为影响人类社会可持续发展的重大问题,积极应对气候变化成为全球共识。

  那么,气候究竟发生了怎样的变化?

  为探知大气圈内无穷变化的奥秘,2012年,国家自然科学基金委首批资助的国家重大科研仪器设备研制专项——多波段多大气成分主被动综合探测系统(简称APSOS)正式启动。

  近日,该系统在安徽淮南大气科学研究院进行现场演示。夜晚,一束束绿色、黄色的激光射向天空,仿佛一支超级“激光笔”,探照大气中温室气体和污染气体的时空变化。调试完成后,该系统将被运往海拔4300米的西藏羊八井国际宇宙线观测站,长期开展青藏高原大气观测研究。

  研究中性大气层

  可揭秘气候环境变化

  过去,大气科学的进展分别基于基础物理规律与数学方法,以计算机与数值方法为技术手段的数值模拟与数值预测,在很大程度上依靠对大气层结构、成分、过程与变化的全球性长期监测,其中包括以自动气象站网为代表的直接探测和以雷达、卫星为代表的遥感探测。

  然而,地球系统科学研究除了依靠已有的卫星观测与地基站网观测外,还存在着一个重要方面的迫切需求,即能够实现在垂直方向上、针对中性大气层的主要要素,获取较全面的高垂直分辨率和高时间分辨率的连续观测资料。

  大气层按高度可分为对流层(距地约10千米至20千米)、平流层(距地约20千米至50千米)、中间层(距地约50千米至85千米)、热层(距地约100千米至800千米)和逃逸层,热层以下不带电的大气层被称为中性大气层。“实现中性大气层多要素连续观测将有可能对气候、环境变化所依托的大气机理有更为清晰的理解和认识。”APSOS项目首席科学家、中国科学院院士吕达仁说。

  APSOS身负重任

  将打通中性大气层

  APSOS就是围绕中性大气层来进行探测的,它由中国科学院大气物理研究所牵头,联合国内其他6家科研单位自主研制,也是全球首套中性大气层多成分、多要素的大型地基综合探测系统。

  该所研究员潘蔚琳说,在中性大气层范围,APSOS通过发射激光,每秒打出30个脉冲,就像一把把“剑”把大气按每几十米进行“切割”,由此精确获取大气气溶胶信息,其中包括近年来人们最关心的PM2.5。

  APSOS利用世界领先水平的激光、微波和太赫兹遥感探测技术,不但能够获得大气温度、湿度、风场和云层分布等多种气象要素,而且能够实时监测温室气体和污染气体的时空变化,以实现对大气垂直结构、运动变化与成分输送的研究。

  “APSOS系统建成后,不但能够大幅提升我国在大气环境探测方面的综合国力和技术水平,还能够为大气环境监测、气象灾害预报和空间安全保障等提供有价值的观测数据,有助于对大气中新过程、新现象的发现和理解。”吕达仁说。

  主被动遥感相结合

  实现大气要素高精度测量

  APSOS包括5台激光雷达、1台毫米波测云雷达、1台太赫兹超导辐射波谱仪和1台组合望远镜。从空中俯瞰,以组合望远镜所在建筑物为中心,装有设备的集装箱方舱与其相连,整个系统成“米”字型。

  将多台观测设备放置在同一台站,对天顶方向同一区域的大气进行同步观测,获得同一垂直气柱内的大气多要素的同时变化特征,通过对观测数据的分析处理,能获悉该区域大气的分布特征。潘蔚琳说:“以高时空分辨率来‘捕捉’一些瞬变过程,用以理解和认识大气的运动过程;以长期观测资料来理解全大气层对太阳活动和地表人类活动的响应。”

  其中,激光雷达作为主动式光学遥感探测设备,通过向大气中发射激光,激光光束与大气不同物质发生相互作用,散射回来的光信号由4块1.2米直径镜面拼接的光学望远镜接收,再被光电探测器转化为电信号,具有高时空分辨率和高探测精度等优点。被动遥感设备是一台超导辐射波谱仪,用于探测中间层大气中的水汽、臭氧等温室气体的含量。具有很强的大气穿透能力,能够探测到更遥远的目标。

  “APSOS系统采用主、被动遥感相结合的方式,涵盖从紫外到红外、从太赫兹到毫米波的多波段探测技术,其总体构想在国际上尚属首次,整套系统的核心技术单元均采用国际前沿技术,实现对多大气成分和多大气要素的高精度测量。”潘蔚琳说。

(来源:《中国气象报》2017年9月18日 责任编辑:唐淼)

  

  

  

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