坐“井”观天“透视”大气

　　 8月底的一个晚上，念青唐古拉峰脚下的羊八井上空，几束黄色、绿色的激光束指向天空深处。这不是普通激光笔发出的光，而是集合了多种先进探测的多波段多大气成分主被动综合探测系统（APSOS）正在开展观测。

　　在国家自然科学基金委员会（以下简称基金委）国家重大科研仪器设备研制专项支持下，由中科院大气物理研究所（以下简称大气所）牵头的科学家团队通过长达6年的工作，完成了该系统的研制。不久前，基金委组织仪器测试专家组对APSOS系统进行现场测试。专家组认为，系统各项实测指标均达到设计要求。

　　该项目首席科学家、中科院院士吕达仁告诉《中国科学报》记者：“APSOS是迄今为止最为全面的在垂直方向上对全大气层多要素进行观测的系统，探测能力在未来5至10年内将保持国际同类系统的前沿水平。”

　　积累多年的科学问题

　　“1956年，台风席卷上海，把一个几十吨重的锅炉吹到空中移动了100米再砸到地上。”在回答“为什么要做APSOS系统”时，吕达仁从60多年前的故事开始讲起。

　　现代大气物理学在约一个半世纪前就建立起来。空气的流动形成风，热空气往上走，到一定高度水汽凝结，变成云，最后形成雨、雪等天气。“过去百年，大气科学的进展在很大程度上依赖于对大气层的全球性长期监测，其中包括以自动气象站网为代表的‘地基直接探测’和以卫星为代表的‘天基遥感探测’。”吕达仁说。

　　当前，气候变化、环境变化和人类活动对气候、环境与生态的负面效应影响着人类社会的可持续发展。在大气物理学家看来，对自然过程与人类活动共同作用所导致的地表系统变化、大气过程变化及其驱动过程的定量描述，成为应对上述问题的科学基础。

　　研制一套能在垂直方向上对全大气层多要素进行长期连续观测，且具备高垂直分辨率、高时间分辨率的系统，这个想法在吕达仁和同事的脑海中酝酿多年。2012年，他们如愿以偿。基金委启动了国家重大科研仪器设备研制专项，APSOS是首批资助的9个项目之一，项目总经费9300万元，由大气所牵头承担。

　　“透视”110公里大气层

　　随后6年，大气所联合国内6家科研单位开展APSOS的研制工作。据了解，该项目实现了多个“国内首次”：将太赫兹技术应用于地基大气探测领域，将地基测云雷达由Ka波段上升到W波段，同时无缝隙探测对流层和平流层大气臭氧浓度廓线，实现多套激光雷达共享组合望远镜接收及焦平面空间复用技术等。

　　正是这些高科技手段“打通”了近地面至110公里高度的大气层，使科学家能获得温度、风场、臭氧、二氧化碳、水汽、二氧化氮、二氧化硫、云和气溶胶等多个要素的观测数据。

　　吕达仁介绍：“APSOS将重点关注大气层的两个过渡区域。”第一是对流层顶，位于距地表10公里至20公里处，臭氧层对太阳紫外辐射的吸收使得这一区域的温度随着海拔高度而上升，科学家称之为“逆温”。“了解这一高度的大气有助于理解地表活动和人类活动对大气影响的向上输送过程。”吕达仁表示，“这将为我们日后建立和改进数值预测模型提供依据。”

　　第二个过渡区域则是中间层顶，位于距地面70公里至90公里处，是从中性大气到电离层、大气从均匀分布到非均匀分布的过渡区。科学家将利用激光雷达探测这一区域的大气温度和风场分布，利用太赫兹超导辐射波谱仪来获得这一区域的水汽、臭氧等成分的分布特征。

　　既烦琐又艰苦的高原工作

　　回顾6年时光，吕达仁用“既烦琐又艰苦”来描述。烦琐，体现在APSOS系统的复杂性上。“比如，我们采用了多台激光雷达，世界上很少有一套系统能够同时拥有这么多波长、瞄准这么多探测目标的激光雷达。”他说。

　　针对激光雷达如何实现两米等效口径光学望远镜接收的问题，起初，考虑到国内厂家主要生产口径1米的镜坯，项目组计划采用3台激光雷达共用7个1米口径光学望远镜。经过多次论证，科学家放弃了这个方案。

　　该项目科学家、大气所研究员潘蔚琳解释：“1米的镜坯虽然容易找到，但组合起来调试难度大，任何机械抖动以及由于热胀冷缩效应引起的结构变化都会直接影响激光雷达的整体探测能力，还需要考虑避免光学信号之间的相互串扰。”

　　2014年，研究团队与中科院一家天文仪器公司开展技术攻关，采用4个1.2米口径望远镜的激光雷达接收方案，突破了非共焦组合式光学望远镜技术和多光纤、多波长的空间分光技术，极大提高了激光雷达的工作稳定性。

　　2017年9月，APSOS系统在安徽淮南完成联调后，整体入驻西藏羊八井国际宇宙线观测站。研究团队在高原的艰苦工作也从此开始。“羊八井海拔4300米，本来就缺氧，加上我们的大多数仪器需要值班人员在夜间通宵观测，”去过南极和北极的潘蔚琳表示，“第三极”的工作更具挑战性。

　　青藏高原大气中的许多过程研究将随着APSOS项目的进展不断展开，科学家对此充满期待。