為探知大氣圈內變化無窮的奧秘，2012年，國家自然科學基金委首批資助的國家重大科研儀器設備研制專項——多波段多大氣成分主被動綜合探測系統（簡稱APSOS）啟動。
該項目近日順利結題。在海拔4300米的西藏羊八井國際宇宙線觀測站，APSOS已進入工作狀態。
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項目 同時觀測多個大氣要素
APSOS的科學目標是獲得從近地面到110千米區間的大氣溫度、濕度、風場、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，實現對大氣垂直結構、運動變化與成分輸送的研究。
過去百年，科研人員主要以計算機與數學方法為支持來進行數值模擬和預測，而無論是模型的建立還是預測方法的研究均離不開對大氣層結構、成分、過程與變化的全球性長期監測。這些數據來自各國建立的氣象臺站及遙感探測包括雷達、衛星等。那么，APSOS又有何獨特之處？
“我們的核心科學目標是獲得控制大氣運動過程的重要因子，理解其中的相互關系和耦合過程，用定量規律描述它，形成一個數字模式。”中科院大氣物理研究所研究員、中國科學院院士呂達仁在接受科技日報記者采訪時表示。
如何獲取這些影響因子的相關數據？“科研人員發展了很多觀測技術和手段，世界各國的衛星也做了很多工作，提供了很多數據，但是在一個定點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觀測資料，對更清晰地認識氣候、環境變化所依托的大氣機理至關重要。”
APSOS項目正是要彌補這方面的不足，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和液態懸浮顆粒物，其實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境變化中扮演著重要角色。大家最關心的PM2.5與人類健康息息相關；氣溶膠也對氣候變化、大氣物理過程、環境科學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注的焦點；二氧化氮和二氧化硫也與環境污染密不可分。
發射激光 精準“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系統就是圍繞中性大氣層來進行探測的。”呂達仁說，“因為這個區域的研究可打通大氣物理和空間物理研究內容，能更深刻探析人類活動與大氣運動、氣候變化等之間的關系。”
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。它由5臺激光雷達、1臺毫米波測云雷達、1臺太赫茲超導輻射波譜儀和1臺組合望遠鏡構成的大型儀器設備組成。從空中俯瞰，以組合望遠鏡所在建筑物為中心，裝有設備的集裝箱方艙分布四周，整個系統成“米”字形。
其中，激光雷達作為主動式光學遙感探測設備，具有高時空分辨率和高探測精度等優點，其工作原理是發射激光到大氣中，激光光束與大氣不同物質發生相互作用，散射回來的光信號由光學望遠鏡接收，再被光電探測器轉化為電信號。基于不同的激光雷達原理，通過處理接收到的信號就能得到不同探測物質的含量，通過多普勒效應獲得大氣溫度和風場。而系統中的毫米波測云雷達則以靈敏探測高卷云見長。
另外，多臺激光雷達共用一臺光學望遠鏡，采用4塊1.2米直徑的鏡面拼接，使其等效口徑達到2米，大幅提高了激光雷達的接收能力，使其成為國際領先水平的大氣探測激光雷達接收望遠鏡。
系統中唯一的被動遙感設備是一臺超導輻射波譜儀，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利用的最后一個電磁波段，具有很強的大氣穿透能力，能夠探測到更遙遠的目標。
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通過發射激光，每秒打出數十個脈沖，就像一把把“劍”把大氣按每幾十米進行“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心的PM2.5。
高海拔安置 最大化體現設備科學價值
為什么將系統安置在西藏？“西藏是中國對全球氣候變化研究的重點，海拔高更有利于激光雷達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果的機會更多，更能體現設備的科學價值和資料價值。”呂達仁說。
據了解，已經搭建好基礎框架的可視化平臺能夠實現數據的同步更新，并將實現對系統運行情況的遠程監控。但如此精密的儀器在西藏的長時間、穩定運行仍存在著一定的挑戰。
“最大的問題是激光器在高原的運行，為了獲得高質量的信號，激光器都是最高配置，對技術要求比較高。”潘蔚琳說。不過，她表示，維護得當的情況下，激光器仍可以保持數年的使用壽命。
雖然目前激光雷達無法在白天和雷雨天工作，但它具備的長時間、連續穩定對大氣多要素進行精細探測的優勢，還是讓專家對其發展充滿期待。
“APSOS系統建成后，不但能夠大幅提升我國在大氣環境探測方面的綜合國力和技術水平，還能夠為大氣環境監測、氣象災害預報和空間安全保障等提供有價值的觀測數據，有助于對大氣中新過程、新現象的發現和理解。”呂達仁說。
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