大气

地球大气为人类生存和发展提供了非常重要的保障，研究该区域中的大气环境与物理和化学过程，对于航天、国防、人类生活以及地球生物圈的安全至关重要。 　　武汉大学研制的拉曼激光和钠荧光激光雷达的发射单元　　 　　中国科学技术大学研制的车载多普勒测风激光雷达系统 　　识风须追风 　　中高层大气研究关注的主要参数包括中性大气的密度、温度和风场、电离成分、微流星体、辐射场等。 　　“研究中高层大气的结构和变化特征对于理解发生在这个区域中的基本物理过程，保障航天器和航天活动的安全具有重要意义。”武汉大学教授易帆对《科学时报》记者说，“这些航天器在高层大气环境中能否正常工作，将直接影响通信中继、电视转播、导航定位等。近年来，平流层飞艇由于多用途和低能耗被称为‘多功能绿色航空器’，要保证其在节能条件下稳定运行，该高度上大气风场信息极为关键。因此，这一研究与人类生活密切相关。” 　　中高层大气的主要热源来自太阳的极紫外辐射和X射线对氧分子的加热以及高能粒子在大气层中的沉降。太阳活动剧烈时，高能粒子在大气层中沉降事件增加，这会加热高层大气并使之密度上升，从而增加低轨道飞行器的阻力并降低其轨道。此时如果飞行器不能及时变轨，将大大影响飞行器的使用寿命。对于低轨道飞行器来说，中高层大气的密度、成分温度和压力会影响到飞行器的轨道定位、轨道衰减速率和在轨寿命。 　　另外中高层大气也会影响到飞行器表面的温度和姿态控制，其化学组分——例如原子氧等——也有可能对飞行器造成化学损伤，另外，飞行器表面的辉光现象也与大气成分有关。所以，设计飞行器时，必须根据其飞行高度和飞行时间研究中高层大气对飞行器的影响，确定携带轨道修正推助器的质量，以及合适选用的表面材料和必要的防护措施。 　　仪器是利器 　　因为中高层大气离人类住居的地表较远，通常需采用无线电和光学遥感探测技术才能实现对其参数的测量。由于起步较晚，我国中高层大气激光雷达探测技术曾经十分薄弱。 　　“探测是中高层大气研究的基础和出发点，而我国缺乏大型探测设备和自主观测资料等因素，极大地限制了该学科的发展。”易帆说，“80km至100km高度范围的金属成分是流星消融的产物，其行为(结构和变化)反映了大气和太空的过渡区域中的物理特征。当前人们对金属成分的认识还很肤浅，许多问题都无法解释。” 　　由于中高层大气研究对大型仪器的依赖，我国中高层大气观测相对其他领域显得薄弱一些。 　　“对中高层大气重要参数，其中包括动力学参数(风速、温度、密度)、化学成分分布和大气辐射的研究都依赖观测仪器。国际上也存在同样的问题。这一领域很多一手资料都是近些年才积累起来的。” 中科院空间科学与应用研究中心研究员徐寄遥对《科学时报》记者说，“观测技术本身就是一个很大的研究课题。因此仪器研制也成为中高层大气研究的重要部分。” 　　近年来，在基金委、教育部和科技部的支持下，我国科技工作者自主研发出多种不同功能的大型激光雷达，将我国的中高层大气遥感探测和研究推向国际前沿。 　　以武汉大学为主的研究团队经过十多年的艰苦努力，研制出7台大型激光雷达系统，形成了当今亚洲功能最强大的中高层大气激光雷达综合探测平台。他们研制的世界第二台铁波尔兹曼中层顶测温激光雷达系统，在我国首次实现了80km~100 km中层顶大气温度的激光雷达测量。 　　该团队完全采用激光雷达技术，实现了对3km~100km高度范围大气温度的同步遥感探测。这是国际上第二次完全采用激光雷达技术，实现从近地面到100km大气温度剖面的测量。这种激光雷达综合探测技术可广泛应用于大气科学研究，对环境变化研究具有重要意义。他们研制出的偏振激光雷达与国际上的星载激光雷达进行了细致的比对，获得了定量的一致，表明他们完全掌握了偏振激光雷达技术。最近，我国继韩国之后，研制出世界上第二台全水谱拉曼激光雷达，能测量云中水的相态(液态或气态)，在天气预报中具有重要意义。 　　中国科学技术大学研究团队先后建立了米/瑞利/钠荧光双波长激光雷达系统和车载多普勒测风激光雷达系统。该雷达所达到的技术指标与国际上唯一报道的一台车载平流层多普勒测风雷达技术指标相当。 　　2010年2月， 中国科学技术大学车载多普勒测风激光雷达系统通过专家鉴定，专家组一致认为：该仪器首次在国内实现了多普勒测风激光雷达对40km高度平流层大气风场的探测，且具有可重复部署性。 　　由这些激光雷达构成的探测平台使我国的中高层大气探测能力进入国际前沿。激光雷达观测导致了一些新现象的发现，也给我国的国防、航天和大气空间环境研究提供了数据基础。 　　有术更有效 　　我国学者在过去十年里自主研制出多台不同功能的大型激光雷达系统，这些雷达系统能观测该区域多种大气参数和金属原子层，建立了在国际上有影响的中高层大气观测站。 　　“近十年我国在中高层大气研究方面进步很快，发现了一些新现象，在中高层大气观测和模拟研究上也取得了有国际影响力的研究成果，总体上正逐渐逼近国际先进水平。”徐寄遥说，“这得益于我国仪器研制的成果和子午工程等的带动。目前我国在主动光学探测仪器，例如测风测温激光雷达，以及光学干涉仪和全天空气辉成像仪等被动光学仪器的研制方面初步形成规模。” 　　在观测研究方面，我国学者利用地球卫星、激光雷达和车载多普勒测风激光雷达等加深了对中高层大气动力学过程的理解。在中层顶金属层激光雷达观测研究，在0km~100 km 高度范围大气温度的激光雷达测量，在车载多普勒测风激光雷达研究，在激光雷达和其他仪器的联合观测方面都取得了较有影响力的成果。 　　在模式研究方面，我国学者揭示了大气波动非线性传播行为的有效方法，建立了高精度的全非线性动力学模式，对重力波的非线性传播研究取得一系列成果，已走在国际前列。我国自主建立了完全基于大气探测数据的第一代临近空间大气动力学模式。该模式与国际上公开发表的大气温度和密度经验模式(NRLMSISE-00)以及大气水平风场经验模式(HWM)相比，某些区域的精度有明显提高。

暑期的贵阳热闹非凡，人们纷纷来到避暑之都乘凉纳爽，在川流不息的街头，有一辆头顶天线，外形独特的“小白车”引人注目。“小白车 黑科技”“这个小白车我们看到好几次了，打羽毛球的和跳舞的时候都看到过。”在贵阳生活的廖阿姨说。阿姨口中的小白车，实际上是贵州首个可同步实现170余种大气参数观测，为全省大气环境管理、突发环境事件处置以及相关科学研究等提供数据和理论支撑的“大气环境溯源研究移动实验室”。一个名副其实的“黑科技”大气监测装置。群山连绵，溯源困难，是贵州省大气污染研究的痛点，尤其近年来PM2.5、臭氧污染、“蓝天也是幸福”成了百姓关注的热门话题，打好大气污染防治攻坚战是全社会共同责任。在贵州高原山地复杂气象条件和人为排放源的作用下，大气环境质量成分十分复杂，深入开展大气环境溯源研究，科学精准提出污染防治措施成了亟待解决的关键问题。自2020年以来，贵州省内有部分高校、研究院所采用传统人工离线采样分析对贵州省部分城市大气环境进行了初步研究，但传统大气环境样品采样分析手段不仅耗时长，人力、物力、财力投入大，不能实现关联高分辨率同步观测，与大气环境瞬息万变复合污染的特征不相适应。在贵州省生态环境厅安排指导下，省环境科学研究设计院历时2年，斥资1270万元，建成了具备大气颗粒物、大气臭氧及其前体物在线监测与源解析功能的“大气环境溯源研究移动实验室”。“宝藏”设备 内藏乾坤一瞬间，电脑屏幕上呈现出一系列数据翔实的表格——实验室舱内，工作人员轻点鼠标，周围170余个大气环境参数监测报告、溯源成因分析报告便一键生成。“移动实验室集结了质子转移飞行时间质谱、等离子体质谱、离子色谱、激光雷达等20余台大气环境监测精密仪器和辅助设施，分别对大气环境颗粒物的多类组分、挥发性有机污染物成分以及常规环境质量指标进行动态监测，可同步实现亚秒级时间分辨率和亿万分之一浓度分辨率的指标分析。”贵州省环境科学研究设计院大气与应对气候变化研究所所长黄代宽介绍。据了解，贵州大气环境溯源研究移动实验室集成了在线ICP-MS、WAGA-IC、PTR-TOF-MS、GC-FID/MS等20余台大气环境监测精密仪器。可同步开展常规大气环境质量6参数，气象5参数、117种挥发性有机物、24种无机元素、12种可溶性离子、有机碳/无机碳等170个参数指标的观测。可获取亚秒级至小时级时间分辨率以及从ppt至ppm级别浓度分辨率的参数指标数据。此外，实验室重点围绕臭氧和细颗粒物，集成了高时间分辨率质子转移飞行时间质谱（PTR-TOF-MS）、高时间分辨率全自动气相色谱质谱（GC-MS）、在线挥发性有机物气相色谱火焰离子仪（GC-FID）、在线挥发性有机物气相色谱火质谱（GC-MS）、臭氧激光雷达、颗粒物无机元素在线等离子体质谱（ICP-MS）、大气水溶性组分阴阳离子分析仪（WAGA-IC）、大气有机碳元素碳分析仪（OC/EC）、大气环境质量6参数、气象5参数等9套关键设备及其辅助装备，同步实现170余种大气参数观测，开发集成了智慧化的数据解析展示平台，具有较为全面的臭氧和细颗粒物动态精准溯源判别功能。通过移动或固定点连续监测、地面监测与地基垂直测、常规监测与高技术手段监测相结合，实现了空气质量多参数、高时间分辨率的立体监测，以此极大提高了工作效率和研究的全面性，是实现贵州省大气污染防控“问题精准、时间精准、区域精准、对象精准、措施精准”的利器。走进实验室，系统还配备了综合面板、数据分析、数据管理、运维管理、智能简报、走航观测等功能为一体的“大气环境溯源研究移动实验室数字平台”，通过大数据、物联网和大气环境的融合运用，实时精准辅助完成臭氧和细颗粒物污染成因分析和来源。在实现海量监测数据的快速深度挖掘和成果产出的同时，还满足了地域广、城市多、污染源情况的综合作业要求，可以将多个兴趣点大气污染溯源排查研究相串联，进行灵活的调度，为大气环境环境管理、应急救援处置、相关科学研究提供精准支撑。“结合各地大气环境现状和管理需求，近期我们会到各市（州）中心城市开展具体研究工作，运用移动实验室，打破时间、空间限制，摸清各地大气环境污染成因和污染源，这将为贵州省持续深入打好大气污染防治攻坚战提供数据和理论支撑。”黄代宽说。据悉，在8月即将举行的2023年澳门国际环保合作发展论坛及展览，以及首届贵州科技节上，“贵州大气环境溯源研究移动实验室”将作为贵州省环保“黑科技”代表进行展示，充分展现生态环境保护的“贵州智慧、贵州方案、贵州实践”。

暑期的贵阳热闹非凡，人们纷纷来到避暑之都乘凉纳爽，在川流不息的街头，有一辆头顶天线，外形独特的“小白车”引人注目。　　“小白车 黑科技”　　“这个小白车我们看到好几次了，打羽毛球的和跳舞的时候都看到过。”在贵阳生活的廖阿姨说。　　阿姨口中的小白车，实际上是贵州首个可同步实现170余种大气参数观测，为全省大气环境管理、突发环境事件处置以及相关科学研究等提供数据和理论支撑的“大气环境溯源研究移动实验室”。一个名副其实的“黑科技”大气监测装置。　　群山连绵，溯源困难，是贵州省大气污染研究的痛点，尤其近年来PM2.5、臭氧污染、“蓝天也是幸福”成了百姓关注的热门话题，打好大气污染防治攻坚战是全社会共同责任。　　在贵州高原山地复杂气象条件和人为排放源的作用下，大气环境质量成分十分复杂，深入开展大气环境溯源研究，科学精准提出污染防治措施成了亟待解决的关键问题。　　自2020年以来，贵州省内有分高校、研究院所采用传统人工离线采样分析对贵州省部分城市大气环境进行了初步研究，但传统大气环境样品采样分析手段不仅耗时长，人力、物力、财力投入大，不能实现关联高分辨率同步观测，与大气环境瞬息万变复合污染的特征不相适应。　　在贵州省生态环境厅安排指导下，省环境科学研究设计院历时2年，斥资1270万元，建成了具备大气颗粒物、大气臭氧及其前体物在线监测与源解析功能的“大气环境溯源研究移动实验室”。　　“宝藏”设备 内藏乾坤　　一瞬间，电脑屏幕上呈现出一系列数据翔实的表格——　　实验室舱内，工作人员轻点鼠标，周围170余个大气环境参数监测报告、溯源成因分析报告便一键生成。　　“移动实验室集结了质子转移飞行时间质谱、等离子体质谱、离子色谱、激光雷达等20余台大气环境监测精密仪器和辅助设施，分别对大气环境颗粒物的多类组分、挥发性有机污染物成分以及常规环境质量指标进行动态监测，可同步实现亚秒级时间分辨率和亿万分之一浓度分辨率的指标分析。”贵州省环境科学研究设计院大气与应对气候变化研究所所长黄代宽介绍。　　据了解，贵州大气环境溯源研究移动实验室集成了在线ICP-MS、WAGA-IC、PTR-TOF-MS、GC-FID/MS等20余台大气环境监测精密仪器。可同步开展常规大气环境质量6参数，气象5参数、117种挥发性有机物、24种无机元素、12种可溶性离子、有机碳/无机碳等170个参数指标的观测。可获取亚秒级至小时级时间分辨率以及从ppt至ppm级别浓度分辨率的参数指标数据。　　此外，实验室重点围绕臭氧和细颗粒物，集成了高时间分辨率质子转移飞行时间质谱(PTR-TOF-MS)、高时间分辨率全自动气相色谱质谱(GC-MS)、在线挥发性有机物气相色谱火焰离子仪(GC-FID)、在线挥发性有机物气相色谱火质谱(GC-MS)、臭氧激光雷达、颗粒物无机元素在线等离子体质谱(ICP-MS)、大气水溶性组分阴阳离子分析仪(WAGA-IC)、大气有机碳元素碳分析仪(OC/EC)、大气环境质量6参数、气象5参数等9套关键设备及其辅助装备，同步实现170余种大气参数观测，开发集成了智慧化的数据解析展示平台，具有较为全面的臭氧和细颗粒物动态精准溯源判别功能。　　通过移动或固定点连续监测、地面监测与地基垂直测、常规监测与高技术手段监测相结合，实现了空气质量多参数、高时间分辨率的立体监测，以此极大提高了工作效率和研究的全面性，是实现贵州省大气污染防控“问题精准、时间精准、区域精准、对象精准、措施精准”的利器。　　走进实验室，系统还配备了综合面板、数据分析、数据管理、运维管理、智能简报、走航观测等功能为一体的“大气环境溯源研究移动实验室数字平台”，通过大数据、物联网和大气环境的融合运用，实时精准辅助完成臭氧和细颗粒物污染成因分析和来源。　　在实现海量监测数据的快速深度挖掘和成果产出的同时，还满足了地域广、城市多、污染源情况的综合作业要求，可以将多个兴趣点大气污染溯源排查研究相串联，进行灵活的调度，为大气环境环境管理、应急救援处置、相关科学研究提供精准支撑。　　“结合各地大气环境现状和管理需求，近期我们会到各市(州)中心城市开展具体研究工作，运用移动实验室，打破时间、空间限制，摸清各地大气环境污染成因和污染源，这将为贵州省持续深入打好大气污染防治攻坚战提供数据和理论支撑。”黄代宽说。　　据悉，在8月即将举行的2023年澳门国际环保合作发展论坛及展览，以及首届贵州科技节上，“贵州大气环境溯源研究移动实验室”将作为贵州省环保“黑科技”代表进行展示，充分展现生态环境保护的“贵州智慧、贵州方案、贵州实践”。