大氣探測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

大氣探測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1大氣探測(cè)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求基于先進(jìn)的宇宙探測(cè)技術(shù)和現(xiàn)代電子技術(shù)和信息技術(shù)的理論和方法，其基礎(chǔ)是全球科學(xué)、特別是大氣物理和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展。20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)際上基于衛(wèi)星、飛機(jī)、氣球和地面各類(lèi)平臺(tái)的探測(cè)技術(shù)迅猛發(fā)展,形成了從全球、區(qū)域?qū)用?到中小尺度、微尺度層面的立體探測(cè),對(duì)大氣中各種物理和化學(xué)過(guò)程的理解和定量聯(lián)系的建立并增進(jìn)對(duì)大氣科學(xué)各個(gè)分支的認(rèn)識(shí)發(fā)揮了重要作用。極端天氣與環(huán)境的探測(cè)技術(shù)的突破性進(jìn)展也為防災(zāi)減災(zāi),以及大氣環(huán)境質(zhì)量的了解和改善提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)和條件,這里包括利用激光雷達(dá)對(duì)復(fù)雜地表面陸氣邊界與大氣邊界層結(jié)構(gòu)的多尺度同時(shí)探測(cè),利用氣溶膠激光雷達(dá)、太陽(yáng)光度計(jì)、輻射組表等對(duì)氣溶膠粒子和大氣化學(xué)成分的同步探測(cè),利用多參數(shù)雷達(dá)和高時(shí)空精度雷電定位系統(tǒng)開(kāi)展的強(qiáng)風(fēng)暴云中降水元、三維動(dòng)力結(jié)構(gòu)、電過(guò)程的同時(shí)探測(cè)等等。除了大氣科學(xué)本身的發(fā)展需求外,大氣探測(cè)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力還源自日益增長(zhǎng)的人類(lèi)對(duì)大氣狀況和要素的了解需求,同時(shí)人類(lèi)在大氣中的空間活動(dòng)范圍也不斷增大,對(duì)其空間環(huán)境的了解十分迫切,這些需求都大大推動(dòng)了大氣探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。為適應(yīng)現(xiàn)代大氣科學(xué)研究的需要,也為監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)天氣氣候、了解大氣變化與空氣質(zhì)量,滿(mǎn)足國(guó)防、航空、航天、通信、國(guó)家決策、防災(zāi)減災(zāi)、改善大氣環(huán)境質(zhì)量等國(guó)家需求,幾十年來(lái)中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所(簡(jiǎn)稱(chēng)大氣所)瞄準(zhǔn)國(guó)際技術(shù)前沿,在大氣探測(cè)高技術(shù)及相關(guān)研究領(lǐng)域取得了許多重要的研究成果,并形成了以位于河北香河的大氣探測(cè)綜合試驗(yàn)站、河北興隆的大氣本底觀測(cè)站、北京市區(qū)的大氣所實(shí)驗(yàn)樓頂三個(gè)不同背景場(chǎng)條件的綜合試驗(yàn)探測(cè)基地?？紤]到本專(zhuān)刊同時(shí)有專(zhuān)門(mén)的文章對(duì)大氣環(huán)境和衛(wèi)星遙感的方法、理論和結(jié)果進(jìn)行回顧,本文將重點(diǎn)對(duì)大氣所近五年來(lái)在地基大氣探測(cè)高技術(shù)領(lǐng)域及相關(guān)的研究進(jìn)展進(jìn)行概述與回顧,并重點(diǎn)介紹強(qiáng)對(duì)流和降水探測(cè)技術(shù)、雷電和大氣電學(xué)探測(cè)技術(shù)、云特性探測(cè)技術(shù)、臭氧和氣溶膠等大氣成分探測(cè)技術(shù)、地基GPS觀測(cè)反演大氣和海洋參數(shù)、大氣與環(huán)境探測(cè)平臺(tái)6個(gè)方面的進(jìn)展與成果。2提高潛勢(shì)預(yù)報(bào)和臨床意識(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)不僅常產(chǎn)生迅猛的降水、破壞性大風(fēng)和冰雹等嚴(yán)重的天氣災(zāi)害,而且還伴有強(qiáng)烈的雷電,其潛勢(shì)預(yù)報(bào)和臨近預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的提高,依賴(lài)于對(duì)其中各種物理過(guò)程及其相互作用關(guān)系的充分認(rèn)識(shí)。集雙偏振和多普勒功能于一體的多參數(shù)雷達(dá)同時(shí)具有實(shí)時(shí)識(shí)別云和降水粒子相態(tài)變化以及觀測(cè)其風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的能力,為強(qiáng)對(duì)流天氣中的動(dòng)力場(chǎng)、微物理結(jié)構(gòu)和降水的同步觀測(cè)提供了良好的技術(shù)條件,是國(guó)際上氣象雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。2.1基于雙偏振雷達(dá)的云雨探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)多普勒天氣雷達(dá)是目前我國(guó)氣象部門(mén)探測(cè)降水、監(jiān)測(cè)和預(yù)警強(qiáng)對(duì)流天氣的主要工具,雙偏振探測(cè)技術(shù)則是國(guó)際上下一代天氣雷達(dá)的主要功能之一,多普勒與雙偏振技術(shù)的結(jié)合代表了氣象雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。與常規(guī)天氣雷達(dá)相比,雙偏振雷達(dá)增加了雙偏振反射率差等參數(shù)的測(cè)量,通過(guò)發(fā)射/接收水平和垂直偏振波,可獲得降水目標(biāo)的水平偏振反射率和垂直偏振反射率之差,即差分反射率,可反映降水粒子在水平和垂直方向尺度大小的差異,用于降水粒子形狀和相態(tài)特征的識(shí)別。在降水粒子中,大滴多是扁橢球體,而冰相粒子的形狀各異,其空間取向通常是隨機(jī)的。由于這兩種粒子在形狀和空間取向上的不同,用差分反射率可以區(qū)分它們。聯(lián)合使用反射率因子和差分反射率反演降水強(qiáng)度,不僅可以對(duì)降水粒子的形狀、相態(tài)、雨滴和冰雹進(jìn)行識(shí)別,而且降水強(qiáng)度的測(cè)量精度也可得到明顯改善。為了更好地研究云雨結(jié)構(gòu)及其形成和發(fā)展機(jī)制,我們跟蹤國(guó)際氣象雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,在中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大科研裝備研制改造項(xiàng)目的支持下,在雙波長(zhǎng)雷達(dá)輻射計(jì)的基礎(chǔ)上,通過(guò)升級(jí)天饋、伺服控制、收發(fā)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng),研制了X波段雙偏振多普勒、雙波長(zhǎng)微波主被動(dòng)聯(lián)合遙感系統(tǒng)。該系統(tǒng)將雙偏振、雙波長(zhǎng)、主被動(dòng)合為一個(gè)集成系統(tǒng),再配以多波長(zhǎng)輻射計(jì)遙感水汽、降水和非降水云,是國(guó)際國(guó)內(nèi)唯一具有短厘米波-毫米波、雙偏振雷達(dá)-輻射計(jì)合一的技術(shù)系統(tǒng);系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的雙偏振多普勒功能、毫米波探測(cè)能力及系統(tǒng)綜合探測(cè)能力可實(shí)現(xiàn)對(duì)云雨粒子場(chǎng)和速度場(chǎng)的同時(shí)探測(cè)。圖1為所研制的X波段雙偏振多普勒雷達(dá)系統(tǒng)框圖,表1給出了其主要參數(shù)。本雷達(dá)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)天氣雷達(dá)中首次實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)、雙偏振共用一個(gè)天饋系統(tǒng),采用高速高功率偏振開(kāi)關(guān),脈間變換分時(shí)工作方式(單發(fā)單收)實(shí)現(xiàn)雙偏振功能,所采用的一些關(guān)鍵技術(shù)為我國(guó)氣象雷達(dá)的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ),具有很大的推廣價(jià)值。我們研制的雙偏振多普勒雷達(dá)作為一部研究型雷達(dá),固定安裝于大氣所實(shí)驗(yàn)樓頂,用于北京地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣和降水的高時(shí)空分辨率監(jiān)測(cè),不但能探測(cè)云的流場(chǎng)特征,還能探測(cè)降水粒子的相態(tài)、形狀和空間取向。在2007年夏季強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)期間利用該雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn),圖2(見(jiàn)文后彩圖)為2007年7月3日對(duì)一次強(qiáng)降雨過(guò)程的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果。從已取得的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果看,該雷達(dá)不僅具有測(cè)量氣象目標(biāo)的強(qiáng)度、速度和譜寬信息的新一代多普勒天氣雷達(dá)功能,而且還具有確定粒子形狀、相態(tài)、尺度譜、排列取向等微物理場(chǎng)信息的多種偏振功能,可更精確地定量遙感探測(cè)降水分布。除上述固定多參數(shù)氣象雷達(dá)外,大氣所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(LACS)還研制了“車(chē)載X波段全相參多普勒偏振氣象雷達(dá)系統(tǒng)”,雷達(dá)采用雙通道發(fā)射和接收體制,并與微波輻射計(jì)有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)波雙路發(fā)射和雙路接收、單路發(fā)射和雙路接收、單路發(fā)射和單路接收加微波輻射計(jì)工作,以及微波輻射計(jì)單獨(dú)工作四種功能。由于是車(chē)載雷達(dá),機(jī)動(dòng)性能好,便于外場(chǎng)觀測(cè)使用,在冰雹、強(qiáng)降水、大風(fēng)、雷擊等局地災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警、災(zāi)害防御、航空飛行保障服務(wù)和人工影響天氣等許多方面具有巨大的應(yīng)用潛力。2.2降水強(qiáng)度與雷達(dá)反射率因子的關(guān)系雷達(dá)資料在降水探測(cè)及強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警方面有重要的應(yīng)用前景,為了獲得雷達(dá)降雨測(cè)值誤差的定量值,張凌等曾對(duì)降雨的小尺度不均勻性以及對(duì)雷達(dá)降雨測(cè)量誤差的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,降雨的小尺度不均勻性非常顯著,甚至在1km的雷達(dá)分辨尺寸內(nèi),反射率不均勻度可達(dá)到10dB以上,由此產(chǎn)生的雨強(qiáng)平滑誤差不可忽略。劉紅燕等利用2004年北京雨滴譜資料分析降水強(qiáng)度和雷達(dá)反射率因子的關(guān)系。馮桂力等利用地面多普勒雷達(dá)資料和雷電定位資料,并結(jié)合TRMM衛(wèi)星的LIS、PR、TMI產(chǎn)品分析典型強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)包括雹暴和颮線的降水結(jié)構(gòu)及其閃電活動(dòng)特征,發(fā)現(xiàn)典型雹暴的降水結(jié)構(gòu)特征是:大于30dBZ的強(qiáng)回波單體多集中于系統(tǒng)的前緣,系統(tǒng)后部伴有穩(wěn)定性的層狀云降水區(qū),其對(duì)流降水的貢獻(xiàn)率分別占到85%和97%,閃電主要出現(xiàn)在強(qiáng)回波區(qū)(>30dBZ)及其周?chē)?颮線和雹暴的閃電頻數(shù)可達(dá)近200次/min,且降雹天氣過(guò)程的正地閃比例較高。3現(xiàn)代雷暴和待探技術(shù)研究的技術(shù)基礎(chǔ)大氣所的雷電探測(cè)和雷電物理研究始于建所之初,早在1965年,我國(guó)大氣科學(xué)開(kāi)創(chuàng)者之一的顧震潮先生就曾對(duì)雷電活動(dòng)的單站定位問(wèn)題進(jìn)行了闡述,之后在雷暴和雷電探測(cè)方面開(kāi)展了許多開(kāi)創(chuàng)性的工作。由于雷電的發(fā)生十分迅速,且有很大的時(shí)空隨機(jī)性,因此借助高速大容量數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)技術(shù),對(duì)其電磁輻射場(chǎng)的快速探測(cè)和定位成為現(xiàn)代雷電研究的重要技術(shù)基礎(chǔ);利用在一定時(shí)間和空間尺度上可以控制的人工引發(fā)雷電技術(shù),對(duì)雷電放電電流的直接測(cè)量和近距離電磁場(chǎng)的同步觀測(cè)則提供了認(rèn)識(shí)雷電機(jī)理和改進(jìn)防雷技術(shù)的重要手段。3.1近距離的磁場(chǎng)測(cè)量雷電放電過(guò)程中由于其瞬間產(chǎn)生的大電流將在空間激發(fā)頻段很寬的電磁輻射,不同頻段的電磁信號(hào)與雷電放電過(guò)程中不同的物理過(guò)程有一定的相關(guān)性。為適應(yīng)對(duì)雷電不同距離、不同頻段電磁輻射或電磁場(chǎng)變化的探測(cè),我們自行研制了一套雷電綜合探測(cè)系統(tǒng),包括雷電慢電場(chǎng)變化儀、快電場(chǎng)變化儀、VHF輻射脈沖探測(cè)儀、雷暴地面電場(chǎng)儀、短基線雷電VHF輻射定位儀各1套。圖3為安裝于大氣所實(shí)驗(yàn)樓頂?shù)睦纂娍臁⒙妶?chǎng)變化儀的室外傳感器照片,其控制電路和數(shù)據(jù)的高速大容量采集與記錄位于室內(nèi)。該綜合探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從直流到200MHz頻段內(nèi)對(duì)雷電信號(hào)的綜合探測(cè),基于這些傳感器的多站高精度GPS時(shí)間同步觀測(cè)和定位分析軟件,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電輻射脈沖源的三維定位和跟蹤。近距離的雷電電磁場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備有較強(qiáng)的破壞作用,是雷電防護(hù)設(shè)計(jì)所必須了解的重要參量。為了探測(cè)幾十米距離上強(qiáng)烈的雷電磁場(chǎng)變化,楊靜等發(fā)展了專(zhuān)門(mén)用于近距離雷電觀測(cè)的磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),并在高壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)和標(biāo)定,自制的磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)采用高、低兩種增益天線,能夠較好地對(duì)外來(lái)雷電磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng),高增益天線的增益為低增益天線的三倍。當(dāng)采用低增益天線時(shí),能測(cè)得閃電通道最大電流為84.4kA。利用近距離磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),結(jié)合專(zhuān)用分壓器對(duì)水平導(dǎo)體中感應(yīng)電壓的測(cè)量,他們?cè)敿?xì)分析雷電的發(fā)展過(guò)程、放電參數(shù)以及雷電在水平導(dǎo)體上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓特征。利用1000fps(framespersecond)的高速攝像系統(tǒng)和自行研制的快、慢電場(chǎng)變化儀,郄秀書(shū)等和孔祥貞等對(duì)所觀測(cè)到的由同一先導(dǎo)的四個(gè)不同分支引發(fā)的多回?fù)舻亻W和正地閃先導(dǎo)進(jìn)行詳細(xì)研究,這種罕見(jiàn)的多接地點(diǎn)回?fù)艉蛷?qiáng)烈的正地閃對(duì)雷電的防護(hù)提出了更高的要求。強(qiáng)烈的對(duì)流層雷電可以在雷暴云與電離層之間誘發(fā)瞬態(tài)放電現(xiàn)象,被稱(chēng)為中高層大氣放電現(xiàn)象,包括紅閃(或紅色精靈,RedSprite)、藍(lán)色噴流(BlueJet)、Elves(EmissionsofLightandVLFperturbationduetoEMPSources)和巨型噴流(giganticjets)四種類(lèi)型,由美國(guó)科學(xué)家于1989年首次發(fā)現(xiàn)。2007年夏季,我們?cè)谏綎|東部沿海首次拍攝到了發(fā)生于大約300km距離遠(yuǎn)處的雷暴云上部的17次紅閃,研究發(fā)現(xiàn)所有紅閃均成簇出現(xiàn),并呈現(xiàn)柱狀、帶有天使?fàn)畛岚虻闹鶢?、胡蘿卜狀和跳舞狀等多種形態(tài)[圖4(見(jiàn)文后彩圖)],其持續(xù)時(shí)間為20～80ms。紅閃多出現(xiàn)于雷暴系統(tǒng)的減弱階段,常由正地閃所激發(fā),與母體雷電的時(shí)間差平均為7.1ms。3.2人工引發(fā)放電系統(tǒng)的發(fā)展人工引雷技術(shù)是在適宜的雷暴條件下通過(guò)向雷暴云體發(fā)射拖帶金屬導(dǎo)線的專(zhuān)用火箭以將雷電人為地引發(fā)到地面的專(zhuān)門(mén)技術(shù),從而使本來(lái)隨機(jī)發(fā)生的自然雷電在時(shí)間和空間可以控制的狀態(tài)下進(jìn)行,便于集中各種測(cè)量手段在很近距離內(nèi)對(duì)雷電進(jìn)行同步觀測(cè),為雷電物理、雷電監(jiān)測(cè)及防護(hù)等問(wèn)題的研究開(kāi)辟了一條有效途徑。2005年以來(lái),我們與中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所合作進(jìn)行的山東濱州人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)中,在人工引發(fā)雷電底部直接測(cè)量到了國(guó)內(nèi)第一個(gè)1μs時(shí)間分辨率的雷電電流完整波形以及60m和550m處的同步電磁場(chǎng)波形,為我國(guó)的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)和電流波形標(biāo)準(zhǔn)的建立提供了寶貴的基礎(chǔ)資料。圖5為60m和550m距離遠(yuǎn)處的兩次人工引發(fā)雷電的靜態(tài)照片,圖中的亮條紋由同一次閃電放電中的10次大電流回?fù)暨^(guò)程所引起,大風(fēng)導(dǎo)致了放電通道的水平移動(dòng)。2005～2007年共成功引發(fā)雷電8次,包含大電流回?fù)暨^(guò)程27次,測(cè)量到的回?fù)糇畲箅娏鬟_(dá)45.0kA?；?fù)粢鸬奈⒚肓考?jí)輻射場(chǎng)變化隨水平距離r(單位:m)的增加回?fù)糨椛鋱?chǎng)以r-1.119衰減。4全重云機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)天空云量、云型是非常重要而又難以定量獲取的參數(shù)。準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取云的信息,不僅對(duì)于天氣氣候?qū)W研究有重要意義,而且對(duì)于氣象預(yù)報(bào)、人工影響天氣以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事等諸多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前氣象站對(duì)云量的觀測(cè)還主要是以人工觀測(cè)為主,觀測(cè)次數(shù)有限,而且容易引進(jìn)人為誤差。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)云的精確、自動(dòng)觀測(cè),我們自2001年起開(kāi)展了地基全天空自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)工作。經(jīng)過(guò)幾年的研究,已成功研制一套可見(jiàn)光全天空成像儀自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(AllSkyImager,ASI)。此后,依據(jù)云在白天或夜晚具有相同紅外輻射特性(8～14μm)的性質(zhì),又研制成功了掃描式全天空熱紅外云像儀,實(shí)現(xiàn)了云量的全天候觀測(cè)。4.1全低視頻實(shí)像儀全天空成像儀(ASI)在實(shí)現(xiàn)功能上主要分兩個(gè)部分:一是成像控制部分,實(shí)現(xiàn)對(duì)天空狀況的拍攝和圖像數(shù)據(jù)獲取;另一部分為遮擋太陽(yáng)控制部分,實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)直射入射光的遮擋,保護(hù)電荷耦合單元(CCD)不被灼傷。儀器及全天空照片如圖6所示。該套系統(tǒng)圖像拍攝頻次最高為每30秒1張,可提供分辨率為2272×1704的24bit全天空彩色圖像。全天空成像儀的太陽(yáng)跟蹤和遮擋部分,采用一個(gè)圓形中密度濾光片作為遮擋片,帶有遮擋片的半圓桿由程序控制隨著機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)(上半部分)以及遮擋桿的上抬下走動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)跟蹤和遮擋太陽(yáng)。整套系統(tǒng)完全由程序控制,每日日出時(shí)刻開(kāi)始觀測(cè),日落時(shí)刻停止。為使全天空成像儀能夠適用于野外觀測(cè),該系統(tǒng)內(nèi)放置一個(gè)熱敏元件,將數(shù)字相機(jī)環(huán)境溫度控制在0～40℃之間。表2列出了全天空成像儀的主要性能。從2003年開(kāi)始,該系統(tǒng)曾先后在中國(guó)內(nèi)蒙古、新疆、西藏、北京、河北香河等地投入野外觀測(cè),并在香河站(39.75°N,116.96°E)和大氣所實(shí)驗(yàn)樓頂(40°N,116.7°E)長(zhǎng)期進(jìn)行全天空云與大氣的實(shí)時(shí)觀測(cè)試驗(yàn)。4.2熱紅外亮溫的測(cè)量和測(cè)量?jī)x器從地面向天空任一方向觀測(cè),在熱紅外波段(8～12μm)均可感測(cè)到來(lái)自該方向的熱輻射(以輻射率或亮溫表示)。由于云是熱紅外波段的強(qiáng)發(fā)射體,而且在白天和夜間具有相同的紅外輻射特性,厚度不大的云在熱紅外波段就可以看作黑體,根據(jù)天空紅外輻射強(qiáng)度的分布可以進(jìn)行云宏觀參數(shù)的反演。近年來(lái),我們利用地基熱紅外輻射觀測(cè),結(jié)合輻射傳輸模式和地面氣象資料,進(jìn)行地基遙感反演云宏觀參數(shù)的研究。首先利用輻射傳輸方程進(jìn)行一系列數(shù)值模擬研究,系統(tǒng)研究地基觀測(cè)天空熱紅外輻射對(duì)于近地氣溶膠層和不同云底高度的敏感性,以及不同強(qiáng)度(以地面能見(jiàn)度表示)和不同類(lèi)型氣溶膠情況下,晴空和各種云所形成的天空紅外亮溫隨天頂角的變化。在此基礎(chǔ)上,自主研制發(fā)展了用于地基觀測(cè)的掃描式全天空熱紅外云像儀(SIRS)及相應(yīng)的軟件,并進(jìn)行了全天候準(zhǔn)連續(xù)觀測(cè)。我們所研制的SIRS是一個(gè)易攜帶安裝、適合進(jìn)行全天候自動(dòng)觀測(cè)的儀器。主要用于測(cè)量天空任意方向8～12μm波段的熱紅外亮溫,測(cè)得的數(shù)據(jù)可以用于判斷該觀測(cè)方向天空是否有云,以及初步判定中低云云底的高度。對(duì)全天空進(jìn)行掃描測(cè)量,可以得到全天空云的分布情況。表3給出了主要的技術(shù)參數(shù)。SIRS由室內(nèi)和室外兩部分組成,圖7為室外部分,主要由一個(gè)熱紅外感應(yīng)頭、一個(gè)控制箱和一個(gè)雙軸(方位、仰角)步進(jìn)馬達(dá)姿控平臺(tái)系統(tǒng),以及一個(gè)地面氣象溫濕度傳感器組成。熱紅外感應(yīng)頭內(nèi)除裝有一個(gè)熱紅外亮溫傳感器外,還有溫度測(cè)量電路和控制電路,用于監(jiān)測(cè)傳感器內(nèi)部溫度和觀測(cè)控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取？刂葡鋬?nèi)裝有總控制電路、數(shù)據(jù)接收和控制接口電路以及電源電路等。總控制電路板上的微處理器用于數(shù)據(jù)獲取和步進(jìn)馬達(dá)系統(tǒng)的控制。通過(guò)控制程序驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)工作,帶動(dòng)熱紅外感應(yīng)頭進(jìn)行掃描探測(cè),與此同時(shí),觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線傳輸至微機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示及后續(xù)處理。此外,在觀測(cè)儀器的外部還裝有降雨監(jiān)測(cè)器,在全自動(dòng)觀測(cè)狀態(tài)時(shí),如果降雨監(jiān)測(cè)器探測(cè)到降雨,控制器將置于停機(jī)狀態(tài),熱紅外感應(yīng)頭垂直對(duì)地,以保護(hù)儀器的光學(xué)系統(tǒng)。室內(nèi)部分為用于控制和數(shù)據(jù)采集分析的計(jì)算機(jī),主要由控制及數(shù)據(jù)處理反演軟件構(gòu)成,其工作流程如圖8所示。計(jì)算機(jī)控制程序按照用戶(hù)要求的觀測(cè)方式和時(shí)間定時(shí)進(jìn)行觀測(cè),首先根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的方位角和仰角形成全天空亮溫分布圖,然后結(jié)合觀測(cè)地點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻的溫度和濕度,利用云判別和云底高度反演算法計(jì)算得到全天空云和云底高度的分布圖。圖9(見(jiàn)文后彩圖)為SIRS觀測(cè)的天空紅外亮溫和反演得到的云底高度分布。5大氣成分的研究,是一個(gè)國(guó)際研究的專(zhuān)題研究的概念,主要關(guān)注大氣成分與大氣成分近幾十年來(lái),溫室效應(yīng)、臭氧層空洞和酸雨等一系列全球性重大環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到重視,成為全球變化的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題,因而,國(guó)際上對(duì)與之相關(guān)的大氣成分探測(cè)和研究都給予了極大關(guān)注。近五年來(lái),我們?cè)诖髿獬煞值倪b感和直接探測(cè)理論、方法和技術(shù)方面都取得了重要進(jìn)展,考慮到在衛(wèi)星或地基遙感理論、反演技術(shù)和方法等方面有專(zhuān)門(mén)文章進(jìn)行總結(jié),下面僅就大氣臭氧廓線和柱總量探測(cè)、大氣生物氣溶膠和微量氣體成分等地面觀測(cè)方面的工作進(jìn)行回顧。5.1大氣臭氧探空儀觀測(cè)大氣臭氧在大氣物理、化學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程中有著特殊的作用,因此,長(zhǎng)期以來(lái)一直是大氣科學(xué)研究的重要內(nèi)容。大氣所在大氣臭氧研究方面有較長(zhǎng)的歷史,早在20世紀(jì)60年代初就先后在我國(guó)河北香河和云南昆明陸續(xù)建立了臭氧觀測(cè)站,率先在我國(guó)開(kāi)展大氣臭氧總量的規(guī)范觀測(cè),并加入了國(guó)際地基臭氧和紫外輻射監(jiān)測(cè)網(wǎng)。卞建春等曾利用北京和昆明兩地的DOBSON臭氧儀對(duì)大氣臭氧總量的觀測(cè),對(duì)兩地的大氣臭氧總量變化特征進(jìn)行詳細(xì)研究。2001年我們發(fā)展了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GPS臭氧探空系統(tǒng),從而結(jié)束了中國(guó)沒(méi)有大氣臭氧直接探測(cè)手段的歷史,為在中國(guó)開(kāi)展大氣臭氧高空探測(cè)業(yè)務(wù)化創(chuàng)造了條件。2002年3月開(kāi)始,我們與中國(guó)氣象局監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)司合作,在北京利用自制的GPS臭氧探空儀進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),獲取了我國(guó)大陸至今時(shí)間最長(zhǎng)的單站大氣臭氧廓線資料。為促進(jìn)中國(guó)大氣臭氧高空探測(cè)業(yè)務(wù)化進(jìn)程,雙方聯(lián)合組織對(duì)國(guó)產(chǎn)GPS數(shù)字化大氣臭氧探空儀(GPS03)和芬蘭Vaisala公司產(chǎn)大氣臭氧探空儀(Vaisala)的主要技術(shù)性能進(jìn)行比對(duì)。對(duì)兩類(lèi)大氣臭氧探空儀現(xiàn)場(chǎng)平行施放比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析表明,兩種臭氧探空儀所獲得的大氣中臭氧濃度隨高度的變化特征之間有很好的一致性。在12～27km高度范圍內(nèi),兩種探空儀臭氧測(cè)值之間的相對(duì)誤差平均在10%以?xún)?nèi),而在10km以下和27km以上,GPSO3探空儀的臭氧測(cè)值偏高。卞建春等利用北京地區(qū)2002年9月～2006年7月的GPS臭氧探空資料與衛(wèi)星臭氧廓線進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)二者的差別在對(duì)流層頂附近是最小的。王庚辰等利用觀測(cè)資料對(duì)北京地區(qū)上空的大氣臭氧垂直分布特征進(jìn)行了研究。宗雪梅等對(duì)北京地區(qū)邊界層大氣臭氧濃度變化特征進(jìn)行了分析。5.2北京及其周邊地區(qū)大氣相關(guān)指標(biāo)的研究大氣中的氣體成分(如O3、NOx、SO2、CO、CO2、VOC等)因成分不同在大氣物理、化學(xué)過(guò)程中扮演著不同的角色。化學(xué)發(fā)光、色譜分析、激光探測(cè)等技術(shù)已被廣泛地運(yùn)用到氣體成分的測(cè)量。近五年來(lái),我們依托香河站、興隆站、大氣所三個(gè)代表性區(qū)域站點(diǎn)以及其他地區(qū),利用先進(jìn)的觀測(cè)設(shè)備開(kāi)展關(guān)于主要微量氣體成分(O3、NOx、SO2、CO、CO2)的監(jiān)測(cè)和研究,對(duì)北京市區(qū)及其周邊地區(qū)(城鄉(xiāng)交界地區(qū)、相對(duì)潔凈地區(qū))大氣主要成分濃度、變化特征等開(kāi)展了一系列研究。另外,也開(kāi)展了我國(guó)其他地區(qū)(如黑龍江漠河、亞熱帶森林地區(qū))臭氧的綜合測(cè)量和研究。近年來(lái),北京及其周邊大城市工農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、交通等的高速發(fā)展以及人口數(shù)量的逐漸增加將導(dǎo)致該區(qū)域大氣中各種氣體濃度的變化,因此長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和研究該區(qū)域O3及其前體物的背景值以及變化、相關(guān)影響因子(包括輻射、氣象參數(shù)、氣溶膠等)和控制因素,對(duì)于我們?nèi)嬲J(rèn)識(shí)該區(qū)域O3及其前體物的基本特征和變化規(guī)律,以及如何控制O3光化學(xué)污染等具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。另外,王庚辰等對(duì)內(nèi)蒙古草原1999～2002年生長(zhǎng)季大氣中CO2的濃度進(jìn)行測(cè)量和研究,白建輝等[44,45,46,47,48,49,50]開(kāi)展了我國(guó)不同地區(qū)植物(森林、草地等)VOC排放的測(cè)量和研究,獲得了關(guān)于不同植物VOC排放特征的初步認(rèn)識(shí),包括典型樹(shù)種與草種VOC的排放速率、橡膠林異戊二烯的排放通量、內(nèi)蒙古草地異戊二烯的排放通量等。5.3生物氣溶膠的鑒定方法我國(guó)大氣生物氣溶膠研究始于20世紀(jì)80年代,由于空氣微生物與人體健康密切相關(guān)而受到關(guān)注,生物氣溶膠在環(huán)境、氣候方面的影響和作用也正逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。鑒定生物氣溶膠的主要方法為電子顯微鏡法、微生物遺傳型鑒定法、細(xì)胞化學(xué)成分鑒定法、氣相色譜法等。杜睿分別在北京、興隆、香河等地開(kāi)展大氣生物氣溶膠分布特征的研究,并進(jìn)行花粉氣溶膠采樣儀器的改進(jìn),使其研究結(jié)果可以與國(guó)際上的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,另外還開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室模擬生物氣溶膠對(duì)于大氣云凝結(jié)核與冰核凍結(jié)溫度影響方面的實(shí)驗(yàn)。6大氣遙感應(yīng)用的研究進(jìn)展除了高精度導(dǎo)航與定位目的之外,自20世紀(jì)80年代以來(lái),GPS作為一種新興的遙感手段已進(jìn)入到大氣與海洋探測(cè)、研究與應(yīng)用的眾多領(lǐng)域,并受到了眾多的關(guān)注。近年來(lái),GPS掩星技術(shù)、GPS反射技術(shù)以及地基GPS遙感技術(shù)的應(yīng)用,已成為大氣與海洋遙感技術(shù)研究中的熱點(diǎn)。6.1組合探測(cè)對(duì)比試驗(yàn)利用GPS遙感可以獲得大氣水汽總量、電離層電子總量、大氣溫度、壓力、濕度等廓線,其中水汽是GPS大氣探測(cè)中的重點(diǎn),也是難點(diǎn)之一。地基GPS遙感難以獲得準(zhǔn)確的垂直結(jié)構(gòu),而GPS掩星技術(shù)由于多路徑效應(yīng)及水汽模糊問(wèn)題導(dǎo)致廓線反演中容易出現(xiàn)較大偏差,針對(duì)這一問(wèn)題,我們提出將空基與地基探測(cè)技術(shù)相結(jié)合,利用GPS地基探測(cè)與GPS掩星技術(shù),聯(lián)合探測(cè)并反演大氣水汽廓線。為此,我們?cè)谙愫咏⒌鼗鵊PS觀測(cè)站,進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè),并利用其數(shù)據(jù)對(duì)北京附近區(qū)域的水汽長(zhǎng)期變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;利用GPS/MET、CHAMP等掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行廓線反演方法的研究;進(jìn)行了水汽廓線線性及非線性聯(lián)合反演。研究結(jié)果表明,利用物理光學(xué)反演方法可以較好地降低對(duì)流層低層的多路徑效應(yīng)影響。與單純的掩星反演相比,通過(guò)地基GPS與GPS掩星聯(lián)合反演,可以有效地提高反演精度,獲得更為準(zhǔn)確的水汽廓線。6.2gps反射技術(shù)與超聲浪儀同步原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)GPS反射技術(shù)遙感海洋參數(shù)是GPS應(yīng)用研究中的前沿。利用該技術(shù)可對(duì)海風(fēng)、海浪及潮汐進(jìn)行全天候遙感,獲取海面風(fēng)速、風(fēng)向、有效波高、海面高度等參數(shù)。我們密切關(guān)注該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展,與國(guó)際前沿研究組織建立了聯(lián)系。2006年,與西班牙Starlab研究所在我國(guó)開(kāi)展CORE(ChinaOceanReflectionExperiment)GPS海洋反射遙感實(shí)驗(yàn),同時(shí)聯(lián)合國(guó)家海洋局第三研究所,中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、空間科學(xué)與研究中心等多個(gè)單位的研究人員,得到了最新研究成果,并與國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者展開(kāi)了深入研究與交流。如圖10所示,實(shí)驗(yàn)站面向開(kāi)闊海面,自然觀測(cè)條件優(yōu)越,實(shí)驗(yàn)中同時(shí)采用超聲波浪儀、潮位計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向儀器進(jìn)行同步原位觀測(cè)。GPS反射技術(shù)遙感海浪受近岸影響較小,同時(shí)具有全天候工作的優(yōu)勢(shì),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)觀測(cè)站及周?chē)＠俗兓膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖11為實(shí)驗(yàn)中GPS反射所得有效波高與超聲波浪儀同步監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比,橫軸為地方時(shí),縱軸為有效波高。GPS大氣與海洋遙感,特別是地基與岸基遙感技術(shù)不受惡劣天氣環(huán)境影響,便于長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的開(kāi)展及數(shù)據(jù)積累,對(duì)于風(fēng)暴潮、海氣相互作用等研究及生產(chǎn)應(yīng)用具有重要的意義。7利用uav進(jìn)行大氣探測(cè)的進(jìn)展衛(wèi)星、飛機(jī)和氣球是大氣和環(huán)境探測(cè)與遙感的三大重要平臺(tái)。除了一些重要的探測(cè)系統(tǒng)和傳感器的研制外,我們還開(kāi)發(fā)了XLS-II型系留氣艇探測(cè)系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航微型無(wú)人駕駛飛機(jī)(UAV)探測(cè)平臺(tái)。UAV是觀測(cè)大氣三維結(jié)構(gòu)的良好平臺(tái),使用飛機(jī)可以提供大氣成分和大氣參量的寶貴資料,我們利用UAV進(jìn)行大氣探測(cè)已有10余年的歷史,取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。到目前為止,我們已經(jīng)自主開(kāi)發(fā)了三種型號(hào)的UAV。陳洪濱等早在20世紀(jì)90年代就研制了一架微型UAV以及一套基于UAV的航拍航攝系統(tǒng),并在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟進(jìn)行了數(shù)次航拍和航攝草地遙感試驗(yàn)。近幾年,我們又連續(xù)發(fā)展了兩種型號(hào)的具有6～8小時(shí)續(xù)航能力、升限5～8km的自動(dòng)駕駛飛機(jī),可以探測(cè)地面至5～8km高度的大氣溫度、氣壓、濕度和風(fēng)速風(fēng)向等大氣參數(shù)的垂直分布。7.1大氣探測(cè)平臺(tái)已經(jīng)研制成功氣象探測(cè)無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和機(jī)載O3、PTUW(壓溫濕風(fēng))探測(cè)系統(tǒng),并成功進(jìn)行了試飛探測(cè),飛行高度可達(dá)5km,飛行時(shí)間6小時(shí),可以探測(cè)地面至5km高度的大氣參數(shù)。作為大氣探測(cè)和地面遙感的一個(gè)重要平臺(tái),也可以根據(jù)應(yīng)用目的的不同,搭載多種不同的探測(cè)傳感器,如大氣成分、風(fēng)場(chǎng)等。通過(guò)數(shù)十次的野外飛行試驗(yàn),已經(jīng)證明了該型無(wú)人駕駛飛機(jī)在氣象探空上的有效性和實(shí)用性。7.2無(wú)人機(jī)氣溶膠研究進(jìn)展根據(jù)應(yīng)用需求,采用4缸大功率航空發(fā)動(dòng)機(jī),結(jié)合新研制的增壓系統(tǒng),最新研制了長(zhǎng)航時(shí)高空無(wú)人機(jī),可達(dá)到升限8km,