地球大氣為(wei) 人類生存和發展提供了非常重要的保障，研究該區域中的大氣環境與(yu) 物理和化學過程，對於(yu) 航天、國防、人類生活以及地球生物圈的安全至關(guan) 重要。

　　識風須追風

　　中高層大氣研究關(guan) 注的主要參數包括中性大氣的密度、溫度和風場、電離成分、微流星體(ti) 、輻射場等。

　　“研究中高層大氣的結構和變化特征對於(yu) 理解發生在這個(ge) 區域中的基本物理過程，保障航天器和航天活動的安全具有重要意義(yi) 。”武漢大學教授易帆對《科學時報》記者說，“這些航天器在高層大氣環境中能否正常工作，將直接影響通信中繼、電視轉播、導航定位等。近年來，平流層飛艇由於(yu) 多用途和低能耗被稱為(wei) ‘多功能綠色航空器’，要保證其在節能條件下穩定運行，該高度上大氣風場信息極為(wei) 關(guan) 鍵。因此，這一研究與(yu) 人類生活密切相關(guan) 。”

　　中高層大氣的主要熱源來自太陽的極紫外輻射和X射線對氧分子的加熱以及高能粒子在大氣層中的沉降。太陽活動劇烈時，高能粒子在大氣層中沉降事件增加，這會(hui) 加熱高層大氣並使之密度上升，從(cong) 而增加低軌道飛行器的阻力並降低其軌道。此時如果飛行器不能及時變軌，將大大影響飛行器的使用壽命。對於(yu) 低軌道飛行器來說，中高層大氣的密度、成分溫度和壓力會(hui) 影響到飛行器的軌道定位、軌道衰減速率和在軌壽命。

　　另外中高層大氣也會(hui) 影響到飛行器表麵的溫度和姿態控製，其化學組分——例如原子氧等——也有可能對飛行器造成化學損傷(shang) ，另外，飛行器表麵的輝光現象也與(yu) 大氣成分有關(guan) 。所以，設計飛行器時，必須根據其飛行高度和飛行時間研究中高層大氣對飛行器的影響，確定攜帶軌道修正推助器的質量，以及合適選用的表麵材料和必要的防護措施。

　　儀(yi) 器是利器

　　因為(wei) 中高層大氣離人類住居的地表較遠，通常需采用無線電和光學遙感探測技術才能實現對其參數的測量。由於(yu) 起步較晚，我國中高層大氣激光雷達探測技術曾經十分薄弱。

　　“探測是中高層大氣研究的基礎和出發點，而我國缺乏大型探測設備和自主觀測資料等因素，極大地限製了該學科的發展。”易帆說，“80km至100km高度範圍的金屬成分是流星消融的產(chan) 物，其行為(wei) （結構和變化）反映了大氣和太空的過渡區域中的物理特征。當前人們(men) 對金屬成分的認識還很膚淺，許多問題都無法解釋。”

　　由於(yu) 中高層大氣研究對大型儀(yi) 器的依賴，我國中高層大氣觀測相對其他領域顯得薄弱一些。

　　“對中高層大氣重要參數，其中包括動力學參數（風速、溫度、密度）、化學成分分布和大氣輻射的研究都依賴觀測儀(yi) 器。國際上也存在同樣的問題。這一領域很多一手資料都是近些年才積累起來的。” 中科院空間科學與(yu) 應用研究中心研究員徐寄遙對《科學時報》記者說，“觀測技術本身就是一個(ge) 很大的研究課題。因此儀(yi) 器研製也成為(wei) 中高層大氣研究的重要部分。”

　　近年來，在基金委、教育部和科技部的支持下，我國科技工作者自主研發出多種不同功能的大型激光雷達，將我國的中高層大氣遙感探測和研究推向國際前沿。

　　以武漢大學為(wei) 主的研究團隊經過十多年的艱苦努力，研製出7台大型激光雷達係統，形成了當今亞(ya) 洲功能最強大的中高層大氣激光雷達綜合探測平台。他們(men) 研製的世界第二台鐵波爾茲(zi) 曼中層頂測溫激光雷達係統，在我國首次實現了80km~100 km中層頂大氣溫度的激光雷達測量。

　　該團隊完全采用激光雷達技術，實現了對3km~100km高度範圍大氣溫度的同步遙感探測。這是國際上第二次完全采用激光雷達技術，實現從(cong) 近地麵到100km大氣溫度剖麵的測量。這種激光雷達綜合探測技術可廣泛應用於(yu) 大氣科學研究，對環境變化研究具有重要意義(yi) 。他們(men) 研製出的偏振激光雷達與(yu) 國際上的星載激光雷達進行了細致的比對，獲得了定量的一致，表明他們(men) 完全掌握了偏振激光雷達技術。最近，我國繼韓國之後，研製出世界上第二台全水譜拉曼激光雷達，能測量雲(yun) 中水的相態（液態或氣態），在天氣預報中具有重要意義(yi) 。

　　中國科學技術大學研究團隊先後建立了米/瑞利/鈉熒光雙波長激光雷達係統和車載多普勒測風激光雷達係統。該雷達所達到的技術指標與(yu) 國際上唯一報道的一台車載平流層多普勒測風雷達技術指標相當。

　　2010年2月， 中國科學技術大學車載多普勒測風激光雷達係統通過專(zhuan) 家鑒定，專(zhuan) 家組一致認為(wei) ：該儀(yi) 器首次在國內(nei) 實現了多普勒測風激光雷達對40km高度平流層大氣風場的探測，且具有可重複部署性。

　　由這些激光雷達構成的探測平台使我國的中高層大氣探測能力進入國際前沿。激光雷達觀測導致了一些新現象的發現，也給我國的國防、航天和大氣空間環境研究提供了數據基礎。

　　有術更有效

　　我國學者在過去十年裏自主研製出多台不同功能的大型激光雷達係統，這些雷達係統能觀測該區域多種大氣參數和金屬原子層，建立了在國際上有影響的中高層大氣觀測站。

　　“近十年我國在中高層大氣研究方麵進步很快，發現了一些新現象，在中高層大氣觀測和模擬研究上也取得了有國際影響力的研究成果，總體(ti) 上正逐漸逼近國際先進水平。”徐寄遙說，“這得益於(yu) 我國儀(yi) 器研製的成果和子午工程等的帶動。目前我國在主動光學探測儀(yi) 器，例如測風測溫激光雷達，以及光學幹涉儀(yi) 和全天空氣輝成像儀(yi) 等被動光學儀(yi) 器的研製方麵初步形成規模。”

　　在觀測研究方麵，我國學者利用地球衛星、激光雷達和車載多普勒測風激光雷達等加深了對中高層大氣動力學過程的理解。在中層頂金屬層激光雷達觀測研究，在0km~100 km 高度範圍大氣溫度的激光雷達測量，在車載多普勒測風激光雷達研究，在激光雷達和其他儀(yi) 器的聯合觀測方麵都取得了較有影響力的成果。

　　在模式研究方麵，我國學者揭示了大氣波動非線性傳(chuan) 播行為(wei) 的有效方法，建立了高精度的全非線性動力學模式，對重力波的非線性傳(chuan) 播研究取得一係列成果，已走在國際前列。我國自主建立了完全基於(yu) 大氣探測數據的第一代臨(lin) 近空間大氣動力學模式。該模式與(yu) 國際上公開發表的大氣溫度和密度經驗模式（NRLMSISE-00）以及大氣水平風場經驗模式（HWM）相比，某些區域的精度有明顯提高。