大氣探測技術的發(fā)展與應用

1大氣探測技術發(fā)展的現(xiàn)實需求基于先進的宇宙探測技術和現(xiàn)代電子技術和信息技術的理論和方法，其基礎是全球科學、特別是大氣物理和環(huán)境科學的發(fā)展。20世紀90年代以來,國際上基于衛(wèi)星、飛機、氣球和地面各類平臺的探測技術迅猛發(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,對大氣中各種物理和化學過程的理解和定量聯(lián)系的建立并增進對大氣科學各個分支的認識發(fā)揮了重要作用。極端天氣與環(huán)境的探測技術的突破性進展也為防災減災,以及大氣環(huán)境質(zhì)量的了解和改善提供了重要的技術基礎和條件,這里包括利用激光雷達對復雜地表面陸氣邊界與大氣邊界層結(jié)構(gòu)的多尺度同時探測,利用氣溶膠激光雷達、太陽光度計、輻射組表等對氣溶膠粒子和大氣化學成分的同步探測,利用多參數(shù)雷達和高時空精度雷電定位系統(tǒng)開展的強風暴云中降水元、三維動力結(jié)構(gòu)、電過程的同時探測等等。除了大氣科學本身的發(fā)展需求外,大氣探測技術發(fā)展的動力還源自日益增長的人類對大氣狀況和要素的了解需求,同時人類在大氣中的空間活動范圍也不斷增大,對其空間環(huán)境的了解十分迫切,這些需求都大大推動了大氣探測技術的發(fā)展。為適應現(xiàn)代大氣科學研究的需要,也為監(jiān)測和預測天氣氣候、了解大氣變化與空氣質(zhì)量,滿足國防、航空、航天、通信、國家決策、防災減災、改善大氣環(huán)境質(zhì)量等國家需求,幾十年來中國科學院大氣物理研究所(簡稱大氣所)瞄準國際技術前沿,在大氣探測高技術及相關研究領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綜合試驗站、河北興隆的大氣本底觀測站、北京市區(qū)的大氣所實驗樓頂三個不同背景場條件的綜合試驗探測基地?？紤]到本?？瑫r有專門的文章對大氣環(huán)境和衛(wèi)星遙感的方法、理論和結(jié)果進行回顧,本文將重點對大氣所近五年來在地基大氣探測高技術領域及相關的研究進展進行概述與回顧,并重點介紹強對流和降水探測技術、雷電和大氣電學探測技術、云特性探測技術、臭氧和氣溶膠等大氣成分探測技術、地基GPS觀測反演大氣和海洋參數(shù)、大氣與環(huán)境探測平臺6個方面的進展與成果。2提高潛勢預報和臨床意識強對流天氣系統(tǒng)不僅常產(chǎn)生迅猛的降水、破壞性大風和冰雹等嚴重的天氣災害,而且還伴有強烈的雷電,其潛勢預報和臨近預報準確性的提高,依賴于對其中各種物理過程及其相互作用關系的充分認識。集雙偏振和多普勒功能于一體的多參數(shù)雷達同時具有實時識別云和降水粒子相態(tài)變化以及觀測其風場結(jié)構(gòu)的能力,為強對流天氣中的動力場、微物理結(jié)構(gòu)和降水的同步觀測提供了良好的技術條件,是國際上氣象雷達技術的發(fā)展趨勢。2.1基于雙偏振雷達的云雨探測雷達系統(tǒng)多普勒天氣雷達是目前我國氣象部門探測降水、監(jiān)測和預警強對流天氣的主要工具,雙偏振探測技術則是國際上下一代天氣雷達的主要功能之一,多普勒與雙偏振技術的結(jié)合代表了氣象雷達技術的發(fā)展趨勢。與常規(guī)天氣雷達相比,雙偏振雷達增加了雙偏振反射率差等參數(shù)的測量,通過發(fā)射/接收水平和垂直偏振波,可獲得降水目標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度,不僅可以對降水粒子的形狀、相態(tài)、雨滴和冰雹進行識別,而且降水強度的測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)展機制,我們跟蹤國際氣象雷達探測技術的發(fā)展,在中國科學院知識創(chuàng)新工程重大科研裝備研制改造項目的支持下,在雙波長雷達輻射計的基礎上,通過升級天饋、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、雙波長微波主被動聯(lián)合遙感系統(tǒng)。該系統(tǒng)將雙偏振、雙波長、主被動合為一個集成系統(tǒng),再配以多波長輻射計遙感水汽、降水和非降水云,是國際國內(nèi)唯一具有短厘米波-毫米波、雙偏振雷達-輻射計合一的技術系統(tǒng);系統(tǒng)實現(xiàn)的雙偏振多普勒功能、毫米波探測能力及系統(tǒng)綜合探測能力可實現(xiàn)對云雨粒子場和速度場的同時探測。圖1為所研制的X波段雙偏振多普勒雷達系統(tǒng)框圖,表1給出了其主要參數(shù)。本雷達系統(tǒng)在國內(nèi)天氣雷達中首次實現(xiàn)雙波長、雙偏振共用一個天饋系統(tǒng),采用高速高功率偏振開關,脈間變換分時工作方式(單發(fā)單收)實現(xiàn)雙偏振功能,所采用的一些關鍵技術為我國氣象雷達的發(fā)展提供了技術基礎,具有很大的推廣價值。我們研制的雙偏振多普勒雷達作為一部研究型雷達,固定安裝于大氣所實驗樓頂,用于北京地區(qū)的強對流天氣和降水的高時空分辨率監(jiān)測,不但能探測云的流場特征,還能探測降水粒子的相態(tài)、形狀和空間取向。在2007年夏季強對流活動期間利用該雷達進行觀測實驗,圖2(見文后彩圖)為2007年7月3日對一次強降雨過程的實際觀測結(jié)果。從已取得的實際觀測結(jié)果看,該雷達不僅具有測量氣象目標的強度、速度和譜寬信息的新一代多普勒天氣雷達功能,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信息的多種偏振功能,可更精確地定量遙感探測降水分布。除上述固定多參數(shù)氣象雷達外,大氣所云降水物理與強風暴實驗室(LACS)還研制了“車載X波段全相參多普勒偏振氣象雷達系統(tǒng)”,雷達采用雙通道發(fā)射和接收體制,并與微波輻射計有機結(jié)合,實現(xiàn)了雷達波雙路發(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工作,以及微波輻射計單獨工作四種功能。由于是車載雷達,機動性能好,便于外場觀測使用,在冰雹、強降水、大風、雷擊等局地災害性天氣監(jiān)測預警、災害防御、航空飛行保障服務和人工影響天氣等許多方面具有巨大的應用潛力。2.2降水強度與雷達反射率因子的關系雷達資料在降水探測及強對流天氣的監(jiān)測和預警方面有重要的應用前景,為了獲得雷達降雨測值誤差的定量值,張凌等曾對降雨的小尺度不均勻性以及對雷達降雨測量誤差的影響進行了研究,結(jié)果表明,降雨的小尺度不均勻性非常顯著,甚至在1km的雷達分辨尺寸內(nèi),反射率不均勻度可達到10dB以上,由此產(chǎn)生的雨強平滑誤差不可忽略。劉紅燕等利用2004年北京雨滴譜資料分析降水強度和雷達反射率因子的關系。馮桂力等利用地面多普勒雷達資料和雷電定位資料,并結(jié)合TRMM衛(wèi)星的LIS、PR、TMI產(chǎn)品分析典型強對流系統(tǒng)包括雹暴和颮線的降水結(jié)構(gòu)及其閃電活動特征,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),其對流降水的貢獻率分別占到85%和97%,閃電主要出現(xiàn)在強回波區(qū)(>30dBZ)及其周圍,颮線和雹暴的閃電頻數(shù)可達近200次/min,且降雹天氣過程的正地閃比例較高。3現(xiàn)代雷暴和待探技術研究的技術基礎大氣所的雷電探測和雷電物理研究始于建所之初,早在1965年,我國大氣科學開創(chuàng)者之一的顧震潮先生就曾對雷電活動的單站定位問題進行了闡述,之后在雷暴和雷電探測方面開展了許多開創(chuàng)性的工作。由于雷電的發(fā)生十分迅速,且有很大的時空隨機性,因此借助高速大容量數(shù)據(jù)采集和存儲技術,對其電磁輻射場的快速探測和定位成為現(xiàn)代雷電研究的重要技術基礎;利用在一定時間和空間尺度上可以控制的人工引發(fā)雷電技術,對雷電放電電流的直接測量和近距離電磁場的同步觀測則提供了認識雷電機理和改進防雷技術的重要手段。3.1近距離的磁場測量雷電放電過程中由于其瞬間產(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與雷電放電過程中不同的物理過程有一定的相關性。為適應對雷電不同距離、不同頻段電磁輻射或電磁場變化的探測,我們自行研制了一套雷電綜合探測系統(tǒng),包括雷電慢電場變化儀、快電場變化儀、VHF輻射脈沖探測儀、雷暴地面電場儀、短基線雷電VHF輻射定位儀各1套。圖3為安裝于大氣所實驗樓頂?shù)睦纂娍?、慢電場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)。該綜合探測系統(tǒng)實現(xiàn)了從直流到200MHz頻段內(nèi)對雷電信號的綜合探測,基于這些傳感器的多站高精度GPS時間同步觀測和定位分析軟件,可以實現(xiàn)對雷電輻射脈沖源的三維定位和跟蹤。近距離的雷電電磁場對電子設備有較強的破壞作用,是雷電防護設計所必須了解的重要參量。為了探測幾十米距離上強烈的雷電磁場變化,楊靜等發(fā)展了專門用于近距離雷電觀測的磁場測量系統(tǒng),并在高壓實驗室進行檢驗和標定,自制的磁場測量系統(tǒng)采用高、低兩種增益天線,能夠較好地對外來雷電磁場信號進行響應,高增益天線的增益為低增益天線的三倍。當采用低增益天線時,能測得閃電通道最大電流為84.4kA。利用近距離磁場測量系統(tǒng),結(jié)合專用分壓器對水平導體中感應電壓的測量,他們詳細分析雷電的發(fā)展過程、放電參數(shù)以及雷電在水平導體上產(chǎn)生的感應電壓特征。利用1000fps(framespersecond)的高速攝像系統(tǒng)和自行研制的快、慢電場變化儀,郄秀書等和孔祥貞等對所觀測到的由同一先導的四個不同分支引發(fā)的多回擊地閃和正地閃先導進行詳細研究,這種罕見的多接地點回擊和強烈的正地閃對雷電的防護提出了更高的要求。強烈的對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,被稱為中高層大氣放電現(xiàn)象,包括紅閃(或紅色精靈,RedSprite)、藍色噴流(BlueJet)、Elves(EmissionsofLightandVLFperturbationduetoEMPSources)和巨型噴流(giganticjets)四種類型,由美國科學家于1989年首次發(fā)現(xiàn)。2007年夏季,我們在山東東部沿海首次拍攝到了發(fā)生于大約300km距離遠處的雷暴云上部的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、帶有天使狀翅膀的柱狀、胡蘿卜狀和跳舞狀等多種形態(tài)[圖4(見文后彩圖)],其持續(xù)時間為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)展人工引雷技術是在適宜的雷暴條件下通過向雷暴云體發(fā)射拖帶金屬導線的專用火箭以將雷電人為地引發(fā)到地面的專門技術,從而使本來隨機發(fā)生的自然雷電在時間和空間可以控制的狀態(tài)下進行,便于集中各種測量手段在很近距離內(nèi)對雷電進行同步觀測,為雷電物理、雷電監(jiān)測及防護等問題的研究開辟了一條有效途徑。2005年以來,我們與中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所合作進行的山東濱州人工引發(fā)雷電實驗中,在人工引發(fā)雷電底部直接測量到了國內(nèi)第一個1μs時間分辨率的雷電電流完整波形以及60m和550m處的同步電磁場波形,為我國的雷電防護設計和電流波形標準的建立提供了寶貴的基礎資料。圖5為60m和550m距離遠處的兩次人工引發(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次大電流回擊過程所引起,大風導致了放電通道的水平移動。2005～2007年共成功引發(fā)雷電8次,包含大電流回擊過程27次,測量到的回擊最大電流達45.0kA。回擊引起的微秒量級輻射場變化隨水平距離r(單位:m)的增加回擊輻射場以r-1.119衰減。4全重云機觀測系統(tǒng)的研制和開發(fā)天空云量、云型是非常重要而又難以定量獲取的參數(shù)。準確、及時地獲取云的信息,不僅對于天氣氣候?qū)W研究有重要意義,而且對于氣象預報、人工影響天氣以及國民經(jīng)濟和軍事等諸多領域都有重要的應用價值。目前氣象站對云量的觀測還主要是以人工觀測為主,觀測次數(shù)有限,而且容易引進人為誤差。為了實現(xiàn)對云的精確、自動觀測,我們自2001年起開展了地基全天空自動化觀測系統(tǒng)的研制和開發(fā)工作。經(jīng)過幾年的研究,已成功研制一套可見光全天空成像儀自動觀測系統(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,實現(xiàn)了云量的全天候觀測。4.1全低視頻實像儀全天空成像儀(ASI)在實現(xiàn)功能上主要分兩個部分:一是成像控制部分,實現(xiàn)對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控制部分,實現(xiàn)對太陽直射入射光的遮擋,保護電荷耦合單元(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跟蹤和遮擋部分,采用一個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身轉(zhuǎn)動(上半部分)以及遮擋桿的上抬下走動作,實現(xiàn)跟蹤和遮擋太陽。整套系統(tǒng)完全由程序控制,每日日出時刻開始觀測,日落時刻停止。為使全天空成像儀能夠適用于野外觀測,該系統(tǒng)內(nèi)放置一個熱敏元件,將數(shù)字相機環(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年開始,該系統(tǒng)曾先后在中國內(nèi)蒙古、新疆、西藏、北京、河北香河等地投入野外觀測,并在香河站(39.75°N,116.96°E)和大氣所實驗樓頂(40°N,116.7°E)長期進行全天空云與大氣的實時觀測試驗。4.2熱紅外亮溫的測量和測量儀器從地面向天空任一方向觀測,在熱紅外波段(8～12μm)均可感測到來自該方向的熱輻射(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)天空紅外輻射強度的分布可以進行云宏觀參數(shù)的反演。近年來,我們利用地基熱紅外輻射觀測,結(jié)合輻射傳輸模式和地面氣象資料,進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行一系列數(shù)值模擬研究,系統(tǒng)研究地基觀測天空熱紅外輻射對于近地氣溶膠層和不同云底高度的敏感性,以及不同強度(以地面能見度表示)和不同類型氣溶膠情況下,晴空和各種云所形成的天空紅外亮溫隨天頂角的變化。在此基礎上,自主研制發(fā)展了用于地基觀測的掃描式全天空熱紅外云像儀(SIRS)及相應的軟件,并進行了全天候準連續(xù)觀測。我們所研制的SIRS是一個易攜帶安裝、適合進行全天候自動觀測的儀器。主要用于測量天空任意方向8～12μm波段的熱紅外亮溫,測得的數(shù)據(jù)可以用于判斷該觀測方向天空是否有云,以及初步判定中低云云底的高度。對全天空進行掃描測量,可以得到全天空云的分布情況。表3給出了主要的技術參數(shù)。SIRS由室內(nèi)和室外兩部分組成,圖7為室外部分,主要由一個熱紅外感應頭、一個控制箱和一個雙軸(方位、仰角)步進馬達姿控平臺系統(tǒng),以及一個地面氣象溫濕度傳感器組成。熱紅外感應頭內(nèi)除裝有一個熱紅外亮溫傳感器外,還有溫度測量電路和控制電路,用于監(jiān)測傳感器內(nèi)部溫度和觀測控制、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?？偪刂齐娐钒迳系奈⑻幚砥饔糜跀?shù)據(jù)獲取和步進馬達系統(tǒng)的控制。通過控制程序驅(qū)動步進馬達工作,帶動熱紅外感應頭進行掃描探測,與此同時,觀測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線傳輸至微機進行存儲、顯示及后續(xù)處理。此外,在觀測儀器的外部還裝有降雨監(jiān)測器,在全自動觀測狀態(tài)時,如果降雨監(jiān)測器探測到降雨,控制器將置于停機狀態(tài),熱紅外感應頭垂直對地,以保護儀器的光學系統(tǒng)。室內(nèi)部分為用于控制和數(shù)據(jù)采集分析的計算機,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。計算機控制程序按照用戶要求的觀測方式和時間定時進行觀測,首先根據(jù)觀測數(shù)據(jù)和對應的方位角和仰角形成全天空亮溫分布圖,然后結(jié)合觀測地點當前時刻的溫度和濕度,利用云判別和云底高度反演算法計算得到全天空云和云底高度的分布圖。圖9(見文后彩圖)為SIRS觀測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,是一個國際研究的專題研究的概念,主要關注大氣成分與大氣成分近幾十年來,溫室效應、臭氧層空洞和酸雨等一系列全球性重大環(huán)境問題越來越受到重視,成為全球變化的熱點科學問題,因而,國際上對與之相關的大氣成分探測和研究都給予了極大關注。近五年來,我們在大氣成分的遙感和直接探測理論、方法和技術方面都取得了重要進展,考慮到在衛(wèi)星或地基遙感理論、反演技術和方法等方面有專門文章進行總結(jié),下面僅就大氣臭氧廓線和柱總量探測、大氣生物氣溶膠和微量氣體成分等地面觀測方面的工作進行回顧。5.1大氣臭氧探空儀觀測大氣臭氧在大氣物理、化學和動力學過程中有著特殊的作用,因此,長期以來一直是大氣科學研究的重要內(nèi)容。大氣所在大氣臭氧研究方面有較長的歷史,早在20世紀60年代初就先后在我國河北香河和云南昆明陸續(xù)建立了臭氧觀測站,率先在我國開展大氣臭氧總量的規(guī)范觀測,并加入了國際地基臭氧和紫外輻射監(jiān)測網(wǎng)。卞建春等曾利用北京和昆明兩地的DOBSON臭氧儀對大氣臭氧總量的觀測,對兩地的大氣臭氧總量變化特征進行詳細研究。2001年我們發(fā)展了具有自主知識產(chǎn)權的GPS臭氧探空系統(tǒng),從而結(jié)束了中國沒有大氣臭氧直接探測手段的歷史,為在中國開展大氣臭氧高空探測業(yè)務化創(chuàng)造了條件。2002年3月開始,我們與中國氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡司合作,在北京利用自制的GPS臭氧探空儀進行連續(xù)觀測,獲取了我國大陸至今時間最長的單站大氣臭氧廓線資料。為促進中國大氣臭氧高空探測業(yè)務化進程,雙方聯(lián)合組織對國產(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)的主要技術性能進行比對。對兩類大氣臭氧探空儀現(xiàn)場平行施放比對試驗結(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),兩種探空儀臭氧測值之間的相對誤差平均在10%以內(nèi),而在10km以下和27km以上,GPSO3探空儀的臭氧測值偏高。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)星臭氧廓線進行對比,發(fā)現(xiàn)二者的差別在對流層頂附近是最小的。王庚辰等利用觀測資料對北京地區(qū)上空的大氣臭氧垂直分布特征進行了研究。宗雪梅等對北京地區(qū)邊界層大氣臭氧濃度變化特征進行了分析。5.2北京及其周邊地區(qū)大氣相關指標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、化學過程中扮演著不同的角色。化學發(fā)光、色譜分析、激光探測等技術已被廣泛地運用到氣體成分的測量。近五年來,我們依托香河站、興隆站、大氣所三個代表性區(qū)域站點以及其他地區(qū),利用先進的觀測設備開展關于主要微量氣體成分(O3、NOx、SO2、CO、CO2)的監(jiān)測和研究,對北京市區(qū)及其周邊地區(qū)(城鄉(xiāng)交界地區(qū)、相對潔凈地區(qū))大氣主要成分濃度、變化特征等開展了一系列研究。另外,也開展了我國其他地區(qū)(如黑龍江漠河、亞熱帶森林地區(qū))臭氧的綜合測量和研究。近年來,北京及其周邊大城市工農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、交通等的高速發(fā)展以及人口數(shù)量的逐漸增加將導致該區(qū)域大氣中各種氣體濃度的變化,因此長期監(jiān)測和研究該區(qū)域O3及其前體物的背景值以及變化、相關影響因子(包括輻射、氣象參數(shù)、氣溶膠等)和控制因素,對于我們?nèi)嬲J識該區(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光化學污染等具有重要的科學意義和應用價值。另外,王庚辰等對內(nèi)蒙古草原1999～2002年生長季大氣中CO2的濃度進行測量和研究,白建輝等[44,45,46,47,48,49,50]開展了我國不同地區(qū)植物(森林、草地等)VOC排放的測量和研究,獲得了關于不同植物VOC排放特征的初步認識,包括典型樹種與草種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大氣生物氣溶膠研究始于20世紀80年代,由于空氣微生物與人體健康密切相關而受到關注,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識。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、細胞化學成分鑒定法、氣相色譜法等。杜睿分別在北京、興隆、香河等地開展大氣生物氣溶膠分布特征的研究,并進行花粉氣溶膠采樣儀器的改進,使其研究結(jié)果可以與國際上的結(jié)果進行對比,另外還開展了實驗室模擬生物氣溶膠對于大氣云凝結(jié)核與冰核凍結(jié)溫度影響方面的實驗。6大氣遙感應用的研究進展除了高精度導航與定位目的之外,自20世紀80年代以來,GPS作為一種新興的遙感手段已進入到大氣與海洋探測、研究與應用的眾多領域,并受到了眾多的關注。近年來,GPS掩星技術、GPS反射技術以及地基GPS遙感技術的應用,已成為大氣與海洋遙感技術研究中的熱點。6.1組合探測對比試驗利用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大氣探測中的重點,也是難點之一。地基GPS遙感難以獲得準確的垂直結(jié)構(gòu),而GPS掩星技術由于多路徑效應及水汽模糊問題導致廓線反演中容易出現(xiàn)較大偏差,針對這一問題,我們提出將空基與地基探測技術相結(jié)合,利用GPS地基探測與GPS掩星技術,聯(lián)合探測并反演大氣水汽廓線。為此,我們在香河建立地基GPS觀測站,進行長期連續(xù)觀測,并利用其數(shù)據(jù)對北京附近區(qū)域的水汽長期變化特征進行統(tǒng)計分析;利用GPS/MET、CHAMP等掩星數(shù)據(jù)進行廓線反演方法的研究;進行了水汽廓線線性及非線性聯(lián)合反演。研究結(jié)果表明,利用物理光學反演方法可以較好地降低對流層低層的多路徑效應影響。與單純的掩星反演相比,通過地基GPS與GPS掩星聯(lián)合反演,可以有效地提高反演精度,獲得更為準確的水汽廓線。6.2gps反射技術與超聲浪儀同步原位觀測實驗GPS反射技術遙感海洋參數(shù)是GPS應用研究中的前沿。利用該技術可對海風、海浪及潮汐進行全天候遙感,獲取海面風速、風向、有效波高、海面高度等參數(shù)。我們密切關注該領域的最新研究進展,與國際前沿研究組織建立了聯(lián)系。2006年,與西班牙Starlab研究所在我國開展CORE(ChinaOceanReflectionExperiment)GPS海洋反射遙感實驗,同時聯(lián)合國家海洋局第三研究所,中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所、空間科學與研究中心等多個單位的研究人員,得到了最新研究成果,并與國內(nèi)外專家學者展開了深入研究與交流。如圖10所示,實驗站面向開闊海面,自然觀測條件優(yōu)越,實驗中同時采用超聲波浪儀、潮位計、風速風向儀器進行同步原位觀測。GPS反射技術遙感海浪受近岸影響較小,同時具有全天候工作的優(yōu)勢,能夠?qū)崿F(xiàn)對觀測站及周圍海浪變化的實時監(jiān)測。圖11為實驗中GPS反射所得有效波高與超聲波浪儀同步監(jiān)測結(jié)果對比,橫軸為地方時,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不受惡劣天氣環(huán)境影響,便于長期連續(xù)觀測的開展及數(shù)據(jù)積累,對于風暴潮、海氣相互作用等研究及生產(chǎn)應用具有重要的意義。7利用uav進行大氣探測的進展衛(wèi)星、飛機和氣球是大氣和環(huán)境探測與遙感的三大重要平臺。除了一些重要的探測系統(tǒng)和傳感器的研制外,我們還開發(fā)了XLS-II型系留氣艇探測系統(tǒng)和GPS導航微型無人駕駛飛機(UAV)探測平臺。UAV是觀測大氣三維結(jié)構(gòu)的良好平臺,使用飛機可以提供大氣成分和大氣參量的寶貴資料,我們利用UAV進行大氣探測已有10余年的歷史,取得了豐富的經(jīng)驗。到目前為止,我們已經(jīng)自主開發(fā)了三種型號的UAV。陳洪濱等早在20世紀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)蒙古錫林郭勒盟進行了數(shù)次航拍和航攝草地遙感試驗。近幾年,我們又連續(xù)發(fā)展了兩種型號的具有6～8小時續(xù)航能力、升限5～8km的自動駕駛飛機,可以探測地面至5～8km高度的大氣溫度、氣壓、濕度和風速風向等大氣參數(shù)的垂直分布。7.1大氣探測平臺已經(jīng)研制成功氣象探測無人機實驗樣機和機載O3、PTUW(壓溫濕風)探測系統(tǒng),并成功進行了試飛探測,飛行高度可達5km,飛行時間6小時,可以探測地面至5km高度的大氣參數(shù)。作為大氣探測和地面遙感的一個重要平臺,也可以根據(jù)應用目的的不同,搭載多種不同的探測傳感器,如大氣成分、風場等。通過數(shù)十次的野外飛行試驗,已經(jīng)證明了該型無人駕駛飛機在氣象探空上的有效性和實用性。7.2無人機氣溶膠研究進展根據(jù)應用需求,采用4缸大功率航空發(fā)動機,結(jié)合新研制的增壓系統(tǒng),最新研制了長航時高空無人機,可達到升限8km,