不過，這並非絕地武士的武器，而是科學家用於(yu) 解開大氣奧秘的新手段——中科院大氣物理研究所牽頭自主研製的全球首套全（中性）大氣層多成分、多要素的大型地基綜合探測係統（APSOS）。

給解鎖大氣奧秘添把新鑰匙

雷暴、台風、暴雨，2017年這個(ge) 夏天，頻繁出現的極端天氣正悄然影響著人們(men) 的工作與(yu) 生活。

而過去百年間，對氣候變化的研究，在數值模擬與(yu) 數值預測的基礎上對大氣層結構、成分、過程與(yu) 變化的全球性長期監測越來越倚重。若要解析氣候變化的原因，繼續維持和發展以上的大氣探測係統是重要的基礎。

據APSOS首席科學家、中科院院士呂達仁告訴《中國科學報》，長期以來科學家一直用自動站網、遙感探測等手段進行大氣探測，但目前卻沒有一套科學裝置可以實現在垂直方向上對全（中性）大氣層的主要要素獲取較全麵的高垂直分辨率和高時間分辨率的長期連續觀測資料。

“大氣科學發展包括對空間科學的認識，60年以來世界各國衛星已做了很多工作，但是一個(ge) 定點如此高分辨率同時觀測多個(ge) 大氣要素的目前還沒有。”呂達仁說。而這對更清晰地認識氣候、環境變化所依托的大氣機理至關(guan) 重要。

而由5台激光雷達、1台毫米波測雲(yun) 雷達、1台太赫茲(zi) 超導輻射波譜儀(yi) 和1台組合望遠鏡構成的APSOS，就為(wei) 科學家探究全球氣候變化原理的“工具箱”增添了一個(ge) 長期連續觀測大氣多要素的新工具。

把大氣層“切割”開來

從(cong) 外觀上看，由4塊1.2米直徑的鏡麵拚接而成的組合望遠鏡，盤踞在APSOS係統中央，對不同要素進行探測的方艙則眾(zhong) 星捧月般環繞在它的周圍。這套成放射狀的係統，將采用主、被動遙感結合的方式，對“大氣溫度、濕度變化，大氣汙染，大氣運動”等要素進行深度“切割”。

專(zhuan) 家介紹，從(cong) 方艙發出的激光、微波和太赫茲(zi) 遙感探測信號，與(yu) 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(wei) 電信號。基於(yu) 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，還可以利用多普勒效應獲得大氣溫度和風場信息。

最終，科學家關(guan) 心的大氣要素都會(hui) 呈現在APSOS綜合數據分析和可視化平台上，成為(wei) 可被研究用戶直接應用的產(chan) 品。

中科院大氣物理所助理研究員王一楠介紹稱，已經搭建好基礎框架的可視化平台能夠實現每5秒一個(ge) 數據的同步更新，並將實現對係統運行情況的遠程控製。

“這套係統的目的是在地麵上放多個(ge) 垂直方向的觀測設備，測量從(cong) 地表最高到100公裏高度大氣要素的垂直分布和時間變化。”呂達仁說。

包裹著地球的大氣層按高度可分為(wei) 對流層、平流層、中間層、熱層和逃逸層。熱層的大氣因受太陽輻射，溫度較高，氣體(ti) 分子或原子大量電離，具有導電特性，故又稱為(wei) 電離層。科學家把距離地麵約100公裏~800公裏的熱層以下不帶電的大氣層稱為(wei) 中性大氣層，這也是APSOS係統的工作範圍。

中科院大氣物理所研究員潘蔚琳以氣溶膠探測為(wei) 例介紹稱，在全中性層範圍內(nei) ，激光一秒鍾打30個(ge) 脈衝(chong) 進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。

“當在一個(ge) 方向上有足夠多的要素，足夠高的分辨率時，相當於(yu) 知道了形成大氣過程的物理要素、大氣動力要素。”呂達仁強調，這樣的資料積累對大氣研究至關(guan) 重要。

站得更高 看得更遠

在現場演示會(hui) 上，APSOS係統得到了國內(nei) 同行專(zhuan) 家的一致認可，並將在演示後奔赴海拔4300米的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，海拔高有機會(hui) 探測更多的大氣要素，更能體(ti) 現設備的科學價(jia) 值和資料價(jia) 值。”呂達仁說。

但如此精密的儀(yi) 器在西藏的長時間、穩定運行仍存在著一定的挑戰。

潘蔚琳在氣溶膠方艙內(nei) 向記者介紹設備工作情況時就指出，高原散熱、激光器維護都將是設備在西藏地區運行期間所關(guan) 注的問題。

“最大的問題是激光器，為(wei) 了獲得好信號，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，激光器仍可以保持七八年的使用壽命。

雖然目前激光雷達無法在白天和雷雨天工作，且一套係統隻能實現一個(ge) 點的大氣探測，但它具備的長時間、連續穩定對大氣多要素進行深度探測的優(you) 勢，還是讓專(zhuan) 家對其發展充滿期待。

呂達仁希望，未來有更多這樣的設備，打造更多可以深度解析大氣信息的“探測點”，為(wei) 國內(nei) 外相關(guan) 研究提供更詳實的數據。

“我們(men) 希望在淮南繼續再發展一套，並且我們(men) 的資料會(hui) 向國內(nei) 外科學家發布，歡迎科學家一起做觀測和加強實驗，這是我們(men) 的承諾也是我們(men) 的願望。”呂達仁說。