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封面故事|APSOS落户青藏高原,开始透视全大气层(转载)

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Lu, D. R., W. L. Pan, and Y. N. Wang, 2018: Atmospheric Profiling Synthetic Observation System in Tibet. Adv. Atmos. Sci., 35(3), 264–267, https://doi.org/10.1007/s00376-017-7251-7.

 

 

还记得朝闻天下报道的大气综合探测装置——超级激光眼APSOS吗?

让我们先回顾一下吧~

 

 

 

 

[朝闻天下]我国将建造大气综合探测装置

 

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在2017年9月南非开普敦召开的IAMAS-IAGA-IAPSO 2017联合科学研讨会的海报展区, 吕达仁院士也介绍了这只超级激光眼APSOS。

 

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(拍摄:林征)

 

        多波段多大气成分主被动综合探测系统(Atmospheric Profiling Synthetic Observation System,简称APSOS)是国家自然科学基金委首批资助的国家重大科研仪器设备研制专项之一。项目于2012年正式启动,由中国科学院大气物理研究所牵头,自主研制成功全球首套全(中性)大气层(从近地面至110公里高度)多成分、多要素的大型地基综合探测系统。利用世界领先水平的激光、微波和太赫兹遥感探测技术,APSOS系统不但能够获得大气温度、湿度、风场和云层分布等多种气象要素,而且能够实时监测温室气体和污染气体的时空变化,以实现对大气垂直结构、运动变化与成分输送的研究。该系统在安徽淮南大气科学研究院完成了一年的内地联调工作。

 

 

 
 

如今,这只超级激光眼已经正式落户海拔4300米的西藏羊八井国际宇宙线观测站(32.62N, 116.98E),并开始开展青藏高原大气观测研究啦!

 

        大气科学进展(AAS)2018年第三期封面就选择了一张在羊八井夜间拍摄APSOS观测站的照片,星轨与激光交相辉映,渲染着青藏高原静谧的夜空。

 

大气科学进展(AAS)2018年第三期封面

 

 
 
 
 

        正如封面文章中所说,APSOS最有特色之处就是在于它是在垂直方向上测量地球大气层的多种要素,从而获得高垂直分辨率和高时间分辨率的连续观测资料。封面图片中的三束光柱是几台激光雷达发射出的激光,激光光束与大气中的不同物质发生相互作用,散射回来的大气回波信号由光学望远镜接收,再将光信号转为电信号。APSOS能够同步获取包括温度、风场、臭氧、二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、水汽、气溶胶和云层等大气要素和大气成分的资料。其中封面图片中绘制的不同颜色相间的色条,所表示的就是各台激光雷达的探测高度范围及其垂直分辨率的示意图,详细的高度覆盖信息如下:

红蓝相间色条表示温度(红色表示温度较高的近地面、平流层顶和低热层,蓝色则表示温度较低的对流层顶和中间层顶):探测高度为10~110km;

黄橙相间色条表示风场:探测高度为10~60km和80~110km;

黄绿相间色条表示臭氧:探测高度为10~50km;

棕黄相间色条表示二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫:探测高度为近地面至3km;

蓝白相间色条表示水汽:探测高度为近地面至12km;

白灰相间色条表示气溶胶和云:探测高度为近地面至30km。

 

 

 
 
 

为何选择在青藏高原建设APSOS观测站?

 

         青藏高原通常被称为“地球第三极”,它和南极、北极地区都被视为地球大气的三大敏感地区。青藏高原覆盖250万平方千米,地表高度已是在对流层的中部,它的作用就像一块巨大的加热板。这种加热机制不但可以驱动空气向上运动进而影响大气环流,而且还通过影响海陆间的气压梯度来加强季风。

        在过去的几十年间,科学家们主要依靠卫星和无线电探空仪来监测青藏高原地区的大气状态。卫星数据显示,在夏季青藏高原上空存在大气臭氧总量的异常低值中心。模式结果和卫星观测资料显示,季风环流在青藏高原地区为近地面的水汽和污染物进入全球平流层提供了一个有效的路径,促成了在对流层和平流层之间的物质交换。

        APSOS项目负责人、本期封面文章的作者中科院院士吕达仁认为,人类要提升对大气环境的预报、预测和预估能力,需要在垂直方向上获取对全大气层主要要素较为全面和长期的连续观测资料。APSOS项目正是通过对青藏高原地区全(中性)大气层从对流层、到平流层、到中间层以及低热层的探测,来研究这个气候敏感区域的大气动力、物理和化学过程,大气层之间的相互耦合,大气成分在垂直方向的变化及输送,大气的温室效应(低层大气变暖与高层大气变冷),地球大气对太阳活动以及人类活动的响应。

 

 

探测单元

 

 

 

        APSOS系统采用主、被动遥感相结合的方式,涵盖从紫外到红外、从太赫兹到毫米波波段,可探测从近地面至110km的高度范围,其最高垂直分辨率可达几米,最高时间分辨率可达秒级。

        APSOS系统由5台激光雷达、1台毫米波测云雷达、1台太赫兹超导辐射波谱仪和1台组合望远镜构成(如下图)。组合望远镜由4台1.2米口径的主镜构成,安装于白色小楼内。其他探测单元则分别安装在特殊定制的方舱内,环绕在小楼四周。其中的气溶胶-云-水汽探测、大气温度风场探测和臭氧探测激光雷达共用组合望远镜的接收信号,从而可大幅提高探测的高度。而用于低空探测的二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫激光雷达,则配有单独的望远镜,能够分别在水平、垂直和斜向进行探测。

 

 

 
 

望远镜开启场景

 

 

 

 

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未来计划

 

         

 

         APSOS是由中国科学院大气物理研究所牵头,联合中国科学院武汉物理与数学研究所、中国科学技术大学、中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国科学院紫金山天文台、武汉大学和安徽四创电子股份有限公司自主研制完成的。

        现版本的APSOS目前已在2017年底安装调试完成,近期又增加了一台Ka波段测云雷达,预计2018年底将再安装一台微波辐射计和一台大气发射辐射干涉仪(AERI)。

        在未来的十年里,APSOS将持续开展观测工作,为青藏高原地区提供最新最全面的地基大气探测数据库。它将帮助人类探索对流层和平流层之前的相互作用,解释夏季青藏高原地区臭氧减少的现象,帮助科学家更深入地研究全大气层的物理化学过程和上下层之间的相互耦合机制,并有望促进相关科学领域的国际合作与交流。

 

 

欢迎免费下载原文:

http://159.226.119.58/aas/EN/10.1007/s00376-017-7251-7

 

 

 

 
 

安徽淮南联调航拍视频欣赏

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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起飞

 

 

 

作者:潘蔚琳

编辑与制作:袁夏玉