大氣顆粒物激光雷達(dá)技術(shù)助力氣象和環(huán)境探測把激光發(fā)射到空中，通過雷達(dá)對反射波的分析，可以更容易得到霧霾時大氣顆粒物的數(shù)據(jù)，而北京剛使用的“多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達(dá)”，就是合作的產(chǎn)物。5月初，我國北方地區(qū)遭遇了今年以來的強(qiáng)沙塵天氣，位于北京南郊、健德橋、門頭溝的激光雷達(dá)記錄了沙塵輸送的完整過程，這三臺激光雷達(dá)均來自中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所(以下簡稱安徽光機(jī)所)。
“激光雷達(dá)技術(shù)在科研領(lǐng)域不是新生事物，用來做大氣研究已經(jīng)有幾十年的歷史，逐步成為氣象環(huán)保部門的技術(shù)利器。”合肥物質(zhì)科學(xué)研究院副院長劉建國告訴筆者。
十多年來，安徽光機(jī)所所長劉文清院士不僅對激光雷達(dá)研發(fā)團(tuán)隊給予了技術(shù)指導(dǎo)及項目支持，還為激光雷達(dá)的產(chǎn)業(yè)化搭建了合作平臺，建立了雙贏的合作機(jī)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(qū)多地空氣污染指數(shù)爆表。
溯其原因，自5月3日起，源于內(nèi)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(dá)了河北北部和北京上空。氣象觀測數(shù)據(jù)顯示，此次沙塵天氣覆蓋范圍極廣，遍布10余省(市、區(qū))，影響面積達(dá)163萬平方公里。
安徽光機(jī)所激光雷達(dá)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(qū)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(xiàn)沙塵，3點半沙塵輸送至北京市區(qū)的建德橋，凌晨4時沙塵抵達(dá)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(jù)這些時間節(jié)點，可以估算出沙塵1個小時左右穿越了北京地區(qū)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(dá)觀測到：5月4日的沙塵一直持續(xù)到5日早晨8時左右，因北京大風(fēng)天氣開始消散，地面出現(xiàn)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(dá)也觀測到這一過程。這里的拉曼—米散射激光雷達(dá)、顆粒物激光雷達(dá)分別由安徽光機(jī)所大氣光學(xué)中心、環(huán)境光學(xué)中心研發(fā)。
大氣光學(xué)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(dá)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(shù)的反演，減少激光雷達(dá)比的假設(shè)，提高了氣溶膠顆粒物光學(xué)和微物理參數(shù)的反演精度，有利于深入研究大氣灰霾的生消過程。”
環(huán)境光學(xué)中心副主任張?zhí)焓嫜芯繂T介紹了大氣顆粒物激光雷達(dá)，這是安徽光機(jī)所環(huán)境光學(xué)中心研發(fā)的系列化激光雷達(dá)灰霾立體探測設(shè)備之一，該系列產(chǎn)品還包括臭氧激光雷達(dá)和水汽激光雷達(dá)，能夠連續(xù)探測灰霾、沙塵、光化學(xué)污染的時空演化過程。

服務(wù)環(huán)境氣象
大氣光學(xué)中心研制的系列激光雷達(dá)(氣溶膠、氣象參數(shù)、污染氣體、溫室氣體和湍流等垂直廓線探測激光雷達(dá))分別于1991年參與了菲律賓皮雅圖火山灰的聯(lián)合探測、2001年參與亞洲沙塵暴(AD-NET)合作項目的聯(lián)合探測一直延續(xù)至今，2013年參與華北霧霾大爆發(fā)的探測，2014年參與APEC會議期間的保障任務(wù)，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(dá)正在中國氣象局大氣探測綜合實驗基地(南郊站點)進(jìn)行探測實驗，為激光雷達(dá)在氣象部門業(yè)務(wù)化應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
不難發(fā)現(xiàn)，這些激光雷達(dá)系列產(chǎn)品將成為環(huán)境氣象領(lǐng)域的重要立體探測設(shè)備。
早在30年前，安徽光機(jī)所老一輩科學(xué)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(dá)團(tuán)隊，專業(yè)從事激光雷達(dá)大氣探測技術(shù)攻關(guān)，培養(yǎng)了一批又一批專業(yè)技術(shù)人員，在全國各地為國家氣象、環(huán)保等事業(yè)做貢獻(xiàn)。
“在氣象和環(huán)境探測領(lǐng)域，激光雷達(dá)可有效彌補(bǔ)當(dāng)前大氣綜合觀測以地面測量為主的監(jiān)測體系的不足，從而為大氣復(fù)合污染研究提供更好的技術(shù)手段。”劉東說，“當(dāng)前影響模式預(yù)報準(zhǔn)確性的一個重要原因是缺乏垂直和立體觀測數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)正好彌補(bǔ)了這一不足之處。但是如何學(xué)習(xí)和使用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)仍然是需要解決的技術(shù)問題。”
目前，安徽光機(jī)所正與氣象和環(huán)保部門進(jìn)行這方面的研究，通過改進(jìn)模式的參數(shù)化和同化方案，有望提高短時臨近，尤其是災(zāi)害天氣的預(yù)報度。
劉東團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，模式預(yù)報要求的數(shù)據(jù)是24小時連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)，但是激光雷達(dá)屬于精密光學(xué)儀器，價格昂貴，如何保證穩(wěn)定運行和探測精度是制約其業(yè)務(wù)化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。
對此，安徽光機(jī)所組織研發(fā)團(tuán)隊進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，突破了關(guān)鍵器件的國產(chǎn)化。劉東表示：“我們從購買整個器件，到僅僅購買關(guān)鍵元件，再到自主進(jìn)行性能測試和DIY封裝，取得了主動權(quán)，大幅度提高了自動化和智能化程度；在應(yīng)對野外觀測實驗的具體需求上，我們進(jìn)行了激光雷達(dá)一體化設(shè)計的工程化研發(fā)，提升了激光雷達(dá)設(shè)備在野外使用和無人值守的能力，便于氣象和環(huán)保部門業(yè)務(wù)化使用。”
另外，傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備大多數(shù)是在地面采樣，但大氣污染發(fā)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(shù)公里的高空動態(tài)、快速的變化。僅僅靠地面數(shù)據(jù)，環(huán)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?zhí)焓娓嬖V筆者，“為了解決這個問題，安徽光機(jī)所利用激光大氣遙感方法，研發(fā)了激光雷達(dá)設(shè)備，能在1分鐘內(nèi)探測從近地面到10km高空的污染垂直結(jié)構(gòu)。用這樣的設(shè)備監(jiān)測污染過程，就能清楚地記錄下對流層內(nèi)，污染發(fā)生、發(fā)展、傳輸?shù)募?xì)節(jié)，回答環(huán)保氣象部門的疑問。”

推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展
5月，安光所環(huán)境光學(xué)中心產(chǎn)業(yè)化合作平臺——無錫中科光電技術(shù)有限公司，在河南省安陽市通過大氣顆粒物激光雷達(dá)也觀測到另一股沙塵輸送過程。觀測結(jié)果顯示，沙塵輸送到河南省境內(nèi)，無論在濃度還是在持續(xù)時間上，都遠(yuǎn)低于北京地區(qū)的沙塵。該公司是安徽光機(jī)所大氣顆粒物和臭氧激光雷達(dá)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化公司，雙方共同完成了大氣顆粒物和臭氧激光雷達(dá)設(shè)備的工程化和產(chǎn)業(yè)化。
張?zhí)焓娼榻B道：“2011年，大氣顆粒物和臭氧激光雷達(dá)產(chǎn)品開始深度產(chǎn)業(yè)化研發(fā)的過程，我們的研發(fā)團(tuán)隊主要在產(chǎn)品的可靠性、易用性、產(chǎn)品一致性、可維護(hù)性、生產(chǎn)周期、使用壽命等方面下功夫。”
一臺科研儀器和產(chǎn)業(yè)化商品之間存在著多大的差距呢？張?zhí)焓嬗眠@樣一個例子來解釋：對于可靠性這個指標(biāo)，科研儀器*連續(xù)工作半年，可以認(rèn)為可靠性非常棒；但是對于商業(yè)化的產(chǎn)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(yè)這是不可承受的負(fù)擔(dān)，這樣的產(chǎn)品賣出去反而使企業(yè)賠錢、賠聲譽，造成不良影響。
科研人員在與企業(yè)合作的過程中，逐漸領(lǐng)會到了工程化和產(chǎn)業(yè)化不容易，上述每一項指標(biāo)的細(xì)微提升都需要大量的設(shè)計、實驗和反復(fù)修改論證。在這個過程中，要不斷解決科學(xué)問題、工程問題、管理問題與合作機(jī)制問題。
五六年來，安徽光機(jī)所張?zhí)焓鎴F(tuán)隊和無錫中科光電技術(shù)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(dá)成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，*不斷攀升，國外廠商在國內(nèi)市場幾乎沒有立足之地。”張?zhí)焓孀院赖卣f。
張?zhí)焓孢M(jìn)一步說道：“如今，在京津冀地區(qū)安徽光機(jī)所有自己的科研型雷達(dá)網(wǎng)，并且實現(xiàn)大氣顆粒物和臭氧激光雷達(dá)產(chǎn)品大量銷售、應(yīng)用，在珠三角、長三角等區(qū)域已經(jīng)形成數(shù)十臺規(guī)模的環(huán)保氣象業(yè)務(wù)部門的觀測網(wǎng)絡(luò)，有關(guān)部門正在考慮如何把激光雷達(dá)聯(lián)網(wǎng)觀測進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化，使各個區(qū)域中的激光雷達(dá)網(wǎng)作為整體發(fā)揮更大的作用，為美麗中國的‘常態(tài)藍(lán)’做出新的貢獻(xiàn)。”