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超级激光“笔”,书写高原新篇章——APSOS整装待发

2017-09-11 11:31:31

中国科学院9月10日报道,9月9日,由中国科学院大气物理研究牵头研制的“多波段多大气成分主被动综合探测系统”(APSOS)现场演示与专家咨询会议在安徽淮南新锦江大酒店举行。在现场演示会上,APSOS系统得到中国同行专家一致认可,最终将落户于西藏羊八井台站。APSOS将发挥效用,提升中国在大气环境探测方面的综合国力和技术水平。

多波段多大气成分主被动综合探测系统(Atmospheric Profiling Synthetic Observation System,简称APSOS)是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之一。

项目于2012年正式启动,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(中国科学院武汉物理与数学研究所、中国科学技术大学、中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国科学院紫金山天文台、武汉大学和安徽四创电子股份有限公司),自主研制成功全球首套全(中性)大气层(从近地面至110公里高度)多成分、多要素的大型地基综合探测系统。

APSOS整装待发

利用世界领先水平的激光、微波和太赫兹遥感探测技术,APSOS系统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。

9月9日的现场演示会议由项目首席科学家中国科学院大气物理研究所吕达仁院士主持,出席会议的有国内大气探测相关领域的多位知名专家学者:中科院地质所万卫星院士、中国工程物理研究院张传飞研究员、国家天文台杨世模研究员、中科院青藏所马耀明研究员、中科院高能所卢红研究员、中科院空间中心杨国韬研究员、北京大学毛节泰教授、兰州大学黄建平教授、南京大学谈哲敏教授、南京信息工程大学王振会教授和中国科学技术大学傅云飞教授等人。

揭秘气候环境变化

进入21世纪以来,气候变化、环境变化和人类活动对气候、环境与生态的负面影响正在影响人类社会的可持续发展,同样也是近年来科学界关注的重大前沿问题。

过去百年,大气科学的进展分别建基于基础物理规律与数学方法的支持,以计算机与数值方法为支持的数值模拟与数值预测,在更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,包括直接探测(自动站网)和遥感探测(雷达、卫星),继续维持和发展以上的大气探测系统是大气科学和地球系统科学的关键基础。

计算机模拟大气层

当前地球系统科学的研究在有关大气圈方面,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对全(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长期连续观测资料。实现全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。

我们知道,地球是被一层很厚的大气层包围着。大气层按高度上分为对流层(距地约10~20公里)、平流层(距地约20~50公里)、中间层(距地约50~85公里)、热层(距地约100~800公里)和逃逸层。热层的大气因受太阳辐射,温度较高,气体分子或原子大量电离,能导电,故又称为电离层。我们把热层以下这些不带电的大气层称为中性大气层,APSOS系统就是围绕中性大气层来进行探测的。

“大气科学发展包括对空间科学的认识,60年以来世界各国卫星已做了很多工作,但是一个定点如此高分辨率同时观测多个大气要素的目前还没有。”吕达仁说。而这对更清晰地认识气候、环境变化所依托的大气机理至关重要。

APSOS项目的特色在于对全(中性)大气层多成分和多要素资料的同步获取,这些包括了温度、风场、臭氧、二氧化碳、水汽、NO2、SO2、CO2、云和气溶胶(气溶胶指的是大气中的固态和液态悬浮颗粒物,其实我们平时所说的雾霾和沙尘都属于气溶胶的一种),这些都在气候和环境变化中都扮演着重要角色。例如,大家最关心的PM2.5是指那些直径小于或等于2.5微米的颗粒物,也称为可入肺颗粒物。气溶胶对气候变化、大气物理过程、环境科学和光的大气传输都有十分重要的影响。还有,二氧化碳的排放也是当今世界各国关注的焦点,近几十年来,人类活动导致了大气中包含二氧化碳的温室气体急剧增加,对全球气候产生了重要影响。除此之外,NO2和SO2也与环境污染问题息息相关。大气臭氧层为人类和动植物提供了天然的防紫外辐射屏障,而南极春季臭氧洞和青藏高原夏季臭氧低谷等现象都是通过大气探测的途径发现的。中层大气(20~100公里高度)温度和风场对出入大气层的高速飞行器和航天器等都有重要影响。云在产生降水和地球能量辐射传输过程中扮演着重要的角色。

打通地球全大气层

那么,如何能够精确地探测如此多的大气成分和大气要素呢?这已经成为国际大气科学领域的研究重点之一,也正是APSOS这个重大科学仪器研制项目锁定的目标。

过去几十年以来,大气探测技术在多方面已经有了长足的发展,国内外科学技术界通过不同的前沿技术实现了对大气层的探测,并据此产生了不少重要的科学成果。研制APSOS系统的科学目标是为了获得同一垂直气柱内的大气多要素的同时变化特征(通俗来讲,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,通过对观测数据的分析处理来获取该区域大气的分布特征);以高时空分辨率来“捕捉”一些瞬变过程,来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,例如,全球变暖中的低层大气变暖和高层大气变冷现象。

APSOS系统由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一台组合望远镜构成的大型仪器设备,其核心单元有:

激光雷达作为主动式光学遥感探测设备,具有高时空分辨率和高探测精度等优点,其工作原理是发射激光到大气中,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光学望远镜接收,再被光电探测器转化为电信号。基于不同的激光雷达原理,通过处理接收到的信号就能得到不同探测物质的含量,通过多普勒效应获得大气温度和风场。另外,多台激光雷达共用一台光学望远镜,采用4块1.2米直径的镜面拼接,使其等效口径达到2米,大幅提高了激光雷达的接收能力,使其成为国际领先水平的大气探测激光雷达接收望远镜。

吕达仁院士作为特邀专家参加了7月23-25日举办的第三节激光雷达成像探测技术及应用研讨会

系统还包括我国首台地基W波段测云雷达,该雷达工作于毫米波波段,而大气中的云雾粒子在这个波段的散射特性很强。其工作原理是向天空发射3毫米波长的电磁波,遇到目标物后的返回信号经过处理,可探测到20公里以下的非降水云分布。

4月13日,中国科学院大气物理所在合肥组织召开中科院大气所W波段测云雷达项目验收会

系统中唯一的被动遥感设备是一台超导辐射波谱仪,工作于太赫兹波段,用于探测中间层大气中的水汽、臭氧等温室气体的含量。太赫兹波段目前可开发利用的最后一个电磁波段,具有很强的大气穿透能力,能够探测到更遥远的目标。

综上,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。

最终,科学家关心的大气要素都会呈现在APSOS综合数据分析和可视化平台上,成为可被研究用户直接应用的产品。

中科院大气物理所助理研究员王一楠介绍称,已经搭建好基础框架的可视化平台能够实现每5秒一个数据的同步更新,并将实现对系统运行情况的远程控制。

“这套系统的目的是在地面上放多个垂直方向的观测设备,测量从地表最高到100公里高度大气要素的垂直分布和时间变化。”吕达仁说。

中科院大气物理所研究员潘蔚琳以气溶胶探测为例介绍称,在全中性层范围内,激光一秒钟打30个脉冲进而形成大气距离分辨率,把大气每三十米切割成块,以获得精确的大气气溶胶信息。

“当在一个方向上有足够多的要素,足够高的分辨率时,相当于知道了形成大气过程的物理要素、大气动力要素。”吕达仁强调,这样的资料积累对大气研究至关重要。

该系统目前已在安徽淮南大气科学研究院完成内地的联调工作,即将在海拔4300米的西藏羊八井国际宇宙线观测站全面建成并长期开展青藏高原大气观测研究。

西藏羊八井国际宇宙线观测站

“西藏是中国对全球气候变化研究的重点,海拔高有机会探测更多的大气要素,更能体现设备的科学价值和资料价值。”吕达仁说。

但如此精密的仪器在西藏的长时间、稳定运行仍存在着一定的挑战。

潘蔚琳在气溶胶方舱内向科学网记者介绍设备工作情况时就指出,高原散热、激光器维护都将是设备在西藏地区运行期间所关注的问题。

“最大的问题是激光器,为了获得好信号,激光器都是最高配置,对技术要求比较高。”潘蔚琳说。不过,她表示维护得当的情况下,激光器仍可以保持七八年的使用寿命。

虽然目前激光雷达无法在白天和雷雨天工作,且一套系统只能实现一个点的大气探测,但它具备的长时间、连续稳定对大气多要素进行深度探测的优势,还是让专家对其发展充满期待。

吕达仁希望,未来有更多这样的设备,打造更多可以深度解析大气信息的“探测点”,为国内外相关研究提供更详实的数据。

“我们希望在淮南继续再发展一套,并且我们的资料会向国内外科学家发布,欢迎科学家一起做观测和加强实验,这是我们的承诺也是我们的愿望。”吕达仁说。

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。同时,还可为我国自主研发星载大气探测设备提供必要的技术积累。

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来源:中国科学院 | 责任编辑:荀越
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