中科院安徽光机所为美丽中国“常态蓝”不懈努力

(1)刘东团队。

(2)拉曼-米氏散射激光雷达，位于北京南郊中国气象局大气探测综合实验基地。

③臭氧激光雷达。

④细粒子激光雷达(室内模型)。

⑤微粒激光雷达(室外模型)。

⑥张天舒队。

■我们的记者沈春雷

五月初，中国北部地区今年遭受了强沙尘天气的袭击。位于北京南郊的激光雷达、建德大桥和门头沟记录了沙尘输送的全过程。三个激光雷达均来自中国科学院合肥材料科学研究所安徽光学精密机械研究所(以下简称安徽光学精密机械研究所)。

“激光雷达技术在科学研究领域并不是什么新鲜事。它已用于大气研究几十年，并逐渐成为气象和环境保护部门的技术武器。”合肥材料科学研究所副所长刘建国告诉《中国科学》。

十多年来，安徽光机所所长刘文清院士不仅为激光雷达研发团队提供了技术指导和项目支持，而且为激光雷达产业化搭建了高质量的合作平台和高效的合作共赢机制。

沙尘输送路径的观测

从5月4日到5日，北京的天空被沙尘覆盖，许多城市地区的空气污染指数都超出了图表。

追根溯源，自5月3日起，5月4日凌晨，内蒙古西部沙漠中的大面积沙尘向东南移动，到达河北北部，并在北京上空。气象观测资料显示，沙尘天气覆盖面很广，覆盖10个渔区(市、区)，影响面积163万平方公里。

安徽光机所激光雷达在北京南郊建德大桥和门头沟三个站观测到北京地区沙尘输送的全过程:5月4日凌晨3点，北京西北部门头沟的垂直高度出现沙尘，从地面到2公里高度，沙尘于凌晨3点30分被输送到北京市区建德大桥。 凌晨4点，沙尘抵达位于北京南郊的中国气象局综合大气探测实验基地

刘建国指出:“根据这些时间节点，可以估计在大约一个小时内沙尘会经过北京。”

位于北京南郊的中国气象局大气探测综合实验基地的拉曼散射激光雷达观测到，5月4日的沙尘持续到5日上午8点左右。随着北京的大风天气开始消散，地面出现浮尘，5日中午12点左右浮尘完全消散。门头沟和建德大桥的粒子激光雷达也观测到了这一过程。拉曼散射激光雷达和粒子激光雷达分别由安徽光学研究所大气光学中心和环境光学中心研制。

大气光学中心副主任研究员刘东告诉《中国科学》，“拉曼散射激光雷达主要用于探测大气气溶胶粒子和云的垂直剖面。利用双波长探测可以反演气溶胶粒子(PM2.5和PM10)的尺寸特征，利用偏振探测可以识别大气中的非球形粒子(尘埃和卷云粒子)，利用607nm波长的氮拉曼散射反演气溶胶消光系数，降低激光雷达比假设，提高气溶胶粒子光学和微物理参数的反演精度，进一步研究大气霾的产生和消除过程。”

环境光学中心副主任张天舒研究员介绍了大气颗粒物激光雷达，这是安徽光学研究所环境光学中心研制的激光雷达雾霾立体探测设备系列之一。该系列产品还包括臭氧激光雷达和水汽激光雷达，它们可以连续探测霾、灰尘和光化学污染的时空演变。

服务环境气象学

大气光学中心开发的激光雷达系列(气溶胶、气象参数、污染气体、温室气体和湍流的垂直剖面探测激光雷达)参加了1991年在菲律宾皮亚图进行的火山灰国际联合探测，以及2001年的亚洲沙尘暴国际合作项目。他们一直延续到今天。他们参与了2013年华北地区雾霾爆发的检测、2014年亚太经合组织会议期间的保障任务，以及2016年河北省邢台市“973”工程的大规模综合观测试验...

目前，拉曼散射激光雷达正在中国气象局大气探测综合实验基地(南郊站点)进行探测实验，为激光雷达在气象部门的业务应用研究提供基础数据。

不难发现，这些激光雷达系列产品将成为环境气象领域的重要立体探测设备。

早在30年前，安徽光机所的老一辈科学家(龚智本院士、胡焕玲研究员、周军研究员、王英建研究员)就开始组建激光雷达团队，专门解决激光雷达大气探测技术中的关键问题，培养了一批专业技术人员，为全国气象和环境保护事业做出贡献。

在气象和环境探测领域，激光雷达可以有效弥补目前基于地面测量的大气综合观测监测系统的不足，为大气复合污染的研究提供更好的技术手段刘东说，“缺乏垂直和三维观测数据是影响模型预测准确性的一个重要原因。激光雷达刚刚弥补了这一不足。然而，如何学习和使用激光雷达数据仍然是一个有待解决的技术问题

目前，安徽光机所正在与气象和环保部门开展这方面的研究。通过改进模式的参数化和同化方案，有望提高短期逼近的精度，特别是对灾害性天气的预报。

刘东团队发现，模型预测所需的数据是24小时连续观测数据，但激光雷达是一种价格昂贵的精密光学仪器。如何保证稳定的运行和检测精度是制约其商业化应用的关键瓶颈。

作为回应，安徽光学机械工程学院组织研发团队解决关键技术问题，突破关键部件的本地化。刘东说:“我们已经从购买整个设备，到只购买关键部件，到独立进行性能测试和自己动手包装，获得了主动权，并且大大提高了自动化和智能化程度。针对野外观测实验的具体需求，我们开展了激光雷达一体化设计的工程研究和开发，提高了激光雷达设备在野外无人值守的能力，方便了气象和环保部门的业务使用。”

此外，大多数传统的环境监测设备都是在地面采样的，但大气污染发生在整个对流层，污染物的积累、生成、传输和消散过程从地面到几公里高空动态而迅速地变化。仅根据地面数据，环境保护部门无法判断污染来自何处、流向何处以及转移了多少。

张天舒告诉记者，“为了解决这个问题，安徽光学研究所开发了利用激光大气遥感的激光雷达设备，可以在一分钟内探测到从近地面到10公里高度的垂直结构的污染。用这种设备监测污染过程可以清楚地记录对流层污染的发生、发展和传播的细节，并回答环境保护气象部门的问题。”

促进工业发展

5月，安广研究所环境光学中心产业化合作平台无锡中科光电科技有限公司也通过大气粒子激光雷达在河南省安阳市观测到了另一次沙尘输送过程。观测结果表明，进入河南省的沙尘浓度和持续时间远低于北京。本公司是安徽光机所大气颗粒物和臭氧激光雷达设备的产业化公司。双方共同完成了大气颗粒物和臭氧激光雷达设备的工程化和产业化。

张天舒说:“2011年，大气颗粒物和臭氧激光雷达产品开始了深度工业研发过程。我们的研发团队主要关注产品可靠性、易用性、产品一致性、可维护性、生产周期和使用寿命。”

科学研究仪器和工业化商品之间的差距有多大？张天舒用这样一个例子来解释:就可靠性指标而言，科学研究仪器在连续工作六个月而没有出现故障后，可以认为是非常可靠的。但是对于商业产品，这意味着一年维护两次，或者200%的年故障率。这对企业来说是一个无法承受的负担，销售这种产品会使企业损失金钱和声誉，造成不良影响。

在与企业合作的过程中，研究人员逐渐认识到工程化和产业化并不容易，上述各项指标的微小改进需要大量的设计、实验和反复的修改和论证。在这个过程中，我们必须不断解决科学问题、工程问题、管理问题和合作机制问题。

在过去的五六年里，安徽省光电研究所张天舒团队和无锡中科光电科技有限公司探索出了一条成功的合作之路:“我们通过合作成功实现了大气颗粒物和臭氧激光雷达的产业化，市场份额不断增加。外国制造商在国内市场几乎没有一席之地。”张天舒自豪地说。

张天舒进一步表示:“今天，京津冀安徽光学机械有限公司拥有自己的科研雷达网，实现了大气颗粒物和臭氧激光雷达产品的大量销售和应用。珠江三角洲和长江三角洲地区已经形成了几十个环保气象部门的观测网络。有关部门正在考虑如何进一步规范激光雷达网观测，使每个地区的激光雷达网作为一个整体能够发挥更大的作用，为美丽中国的“正常蓝”做出新的贡献

《中国科学日报》(2017-005第5版一周国际版)