大氣顆粒物激光雷達技術助力氣象和環境探測

大氣顆粒物激光雷達技術助力氣象和環境探測把激光發射到空中，通過雷達對反射波的分析，可以更容易得到霧霾時大氣顆粒物的數據，而北京剛使用的“多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達”，就是合作的產物。5月初，我國北方地區遭遇了今年以來的強沙塵天氣，位于北京南郊、健德橋、門頭溝的激光雷達記錄了沙塵輸送的完整過程，這三臺激光雷達均來自中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所(以下簡稱安徽光機所)。
“激光雷達技術在科研領域不是新生事物，用來做大氣研究已經有幾十年的歷史，逐步成為氣象環保部門的技術利器。”合肥物質科學研究院副院長劉建國告訴筆者。
十多年來，安徽光機所所長劉文清院士不僅對激光雷達研發團隊給予了技術指導及項目支持，還為激光雷達的產業化搭建了合作平臺，建立了雙贏的合作機制。

觀測沙塵輸送路徑
5月4-5日，北京的天空被沙塵籠罩，市區多地空氣污染指數爆表。
溯其原因，自5月3日起，源于內蒙古西部沙漠的大范圍沙塵往東南方向移動，5月4日凌晨到達了河北北部和北京上空。氣象觀測數據顯示，此次沙塵天氣覆蓋范圍極廣，遍布10余省(市、區)，影響面積達163萬平方公里。
安徽光機所激光雷達在北京市南郊、健德橋、門頭溝三處站點觀測到本次北京地區上空沙塵輸送的完整過程：5月4日凌晨3時，北京西北方向的門頭溝從地面到高空2千米的垂直高度出現沙塵，3點半沙塵輸送至北京市區的建德橋，凌晨4時沙塵抵達北京南郊的中國氣象局大氣探測綜合實驗基地。
劉建國指出：“根據這些時間節點，可以估算出沙塵1個小時左右穿越了北京地區上空。”
在北京南郊中國氣象局大氣探測綜合實驗基地的拉曼—米散射激光雷達觀測到：5月4日的沙塵一直持續到5日早晨8時左右，因北京大風天氣開始消散，地面出現浮塵，5日中午12時左右沙塵*消散。門頭溝、健德橋的顆粒物激光雷達也觀測到這一過程。這里的拉曼—米散射激光雷達、顆粒物激光雷達分別由安徽光機所大氣光學中心、環境光學中心研發。
大氣光學中心副主任劉東研究員向筆者介紹道：“拉曼—米散射激光雷達主要用于大氣氣溶膠顆粒物和云的垂直廓線探測。利用雙波長探測可以反演氣溶膠粒子的大小特征(PM2.5、PM10)，偏振探測識別大氣中的非球形粒子(沙塵，卷云粒子)，607nm波長的氮氣拉曼散射用于氣溶膠消光系數的反演，減少激光雷達比的假設，提高了氣溶膠顆粒物光學和微物理參數的反演精度，有利于深入研究大氣灰霾的生消過程。”
環境光學中心副主任張天舒研究員介紹了大氣顆粒物激光雷達，這是安徽光機所環境光學中心研發的系列化激光雷達灰霾立體探測設備之一，該系列產品還包括臭氧激光雷達和水汽激光雷達，能夠連續探測灰霾、沙塵、光化學污染的時空演化過程。

服務環境氣象
大氣光學中心研制的系列激光雷達(氣溶膠、氣象參數、污染氣體、溫室氣體和湍流等垂直廓線探測激光雷達)分別于1991年參與了菲律賓皮雅圖火山灰的聯合探測、2001年參與亞洲沙塵暴(AD-NET)合作項目的聯合探測一直延續至今，2013年參與華北霧霾大爆發的探測，2014年參與APEC會議期間的保障任務，2016年參與河北邢臺“973”項目大型綜合觀測實驗……
目前，拉曼—米散射激光雷達正在中國氣象局大氣探測綜合實驗基地(南郊站點)進行探測實驗，為激光雷達在氣象部門業務化應用研究提供基礎數據。
不難發現，這些激光雷達系列產品將成為環境氣象領域的重要立體探測設備。
早在30年前，安徽光機所老一輩科學家(龔知本院士、胡歡陵研究員、周軍研究員、王英儉研究員)就開始建立激光雷達團隊，專業從事激光雷達大氣探測技術攻關，培養了一批又一批專業技術人員，在全國各地為國家氣象、環保等事業做貢獻。
“在氣象和環境探測領域，激光雷達可有效彌補當前大氣綜合觀測以地面測量為主的監測體系的不足，從而為大氣復合污染研究提供更好的技術手段。”劉東說，“當前影響模式預報準確性的一個重要原因是缺乏垂直和立體觀測數據，激光雷達正好彌補了這一不足之處。但是如何學習和使用激光雷達數據仍然是需要解決的技術問題。”
目前，安徽光機所正與氣象和環保部門進行這方面的研究，通過改進模式的參數化和同化方案，有望提高短時臨近，尤其是災害天氣的預報度。
劉東團隊發現，模式預報要求的數據是24小時連續的觀測數據，但是激光雷達屬于精密光學儀器，價格昂貴，如何保證穩定運行和探測精度是制約其業務化應用的關鍵瓶頸。
對此，安徽光機所組織研發團隊進行技術攻關，突破了關鍵器件的國產化。劉東表示：“我們從購買整個器件，到僅僅購買關鍵元件，再到自主進行性能測試和DIY封裝，取得了主動權，大幅度提高了自動化和智能化程度；在應對野外觀測實驗的具體需求上，我們進行了激光雷達一體化設計的工程化研發，提升了激光雷達設備在野外使用和無人值守的能力，便于氣象和環保部門業務化使用。”
另外，傳統環境監測設備大多數是在地面采樣，但大氣污染發生在整個對流層，污染物的積累、生成、傳輸、消散的過程從地面到數公里的高空動態、快速的變化。僅僅靠地面數據，環保部門說不清污染從何而來，到何處去，輸送量有多少更是無從知曉。
張天舒告訴筆者，“為了解決這個問題，安徽光機所利用激光大氣遙感方法，研發了激光雷達設備，能在1分鐘內探測從近地面到10km高空的污染垂直結構。用這樣的設備監測污染過程，就能清楚地記錄下對流層內，污染發生、發展、傳輸的細節，回答環保氣象部門的疑問。”

推動產業發展
5月，安光所環境光學中心產業化合作平臺——無錫中科光電技術有限公司，在河南省安陽市通過大氣顆粒物激光雷達也觀測到另一股沙塵輸送過程。觀測結果顯示，沙塵輸送到河南省境內，無論在濃度還是在持續時間上，都遠低于北京地區的沙塵。該公司是安徽光機所大氣顆粒物和臭氧激光雷達設備的產業化公司，雙方共同完成了大氣顆粒物和臭氧激光雷達設備的工程化和產業化。
張天舒介紹道：“2011年，大氣顆粒物和臭氧激光雷達產品開始深度產業化研發的過程，我們的研發團隊主要在產品的可靠性、易用性、產品一致性、可維護性、生產周期、使用壽命等方面下功夫。”
一臺科研儀器和產業化商品之間存在著多大的差距呢？張天舒用這樣一個例子來解釋：對于可靠性這個指標，科研儀器*連續工作半年，可以認為可靠性非常棒；但是對于商業化的產品，這意味著一年要維修兩次，或者說200%的年故障率。對于企業這是不可承受的負擔，這樣的產品賣出去反而使企業賠錢、賠聲譽，造成不良影響。
科研人員在與企業合作的過程中，逐漸領會到了工程化和產業化不容易，上述每一項指標的細微提升都需要大量的設計、實驗和反復修改論證。在這個過程中，要不斷解決科學問題、工程問題、管理問題與合作機制問題。
五六年來，安徽光機所張天舒團隊和無錫中科光電技術有限公司探索出了一條成功的合作道路：“我們通過合作使大氣顆粒物和臭氧激光雷達成功實現產業化，*不斷攀升，國外廠商在國內市場幾乎沒有立足之地。”張天舒自豪地說。
張天舒進一步說道：“如今，在京津冀地區安徽光機所有自己的科研型雷達網，并且實現大氣顆粒物和臭氧激光雷達產品大量銷售、應用，在珠三角、長三角等區域已經形成數十臺規模的環保氣象業務部門的觀測網絡，有關部門正在考慮如何把激光雷達聯網觀測進一步標準化，使各個區域中的激光雷達網作為整體發揮更大的作用，為美麗中國的‘常態藍’做出新的貢獻。”