氣候變化是當前世界重大環境問題之一。我國高度重視氣候變化問題，采取了一系列行動應對氣候變化的政策和措施，把“監測氣候變化的過程和要素”等氣候變化監測預測預警作為應對氣候變化專項行動的重點任務之一。中國科學院合肥物質科學研究院組織實施了科技基礎性重點項目“我國東部整層大氣重要參數高分辨垂直分布探查”，開展了以激光雷達為主要探查手段的高中低大氣層重要參數的高分辨垂直分布的系統測量和科學研究。項目團隊互相協作，開拓創新，取得了一系列研究成果，為我國的激光大氣探測領域作出了一定的貢獻。
發展了激光雷達探測新技術
以激光雷達為主要探查手段的高中低大氣層重要參數的高分辨垂直分布的系統測量，它能夠填補氣象觀測站網對這些重要大氣參數垂直分布測量的空白。激光雷達探測以垂直距離的分辨率高、時間分辨率高（測量時間間隔可任意調節）、操作簡單等優點，彌補了衛星遙感垂直距離的分辨率不高、固定地區測量次數不夠、一些參數測量精度不夠高等不足。
對測量設備的技術提升，特別是對激光雷達技術進行了攻關研究，對激光雷達的信噪比提高技術、晝夜24小時連續測量技術、多光束同時發射或快速交替發射技術，智能化自動觀測技術、多波長的氮Raman散射弱信號探測技術、數據反演技術進行了深入系統的研究，成熟了項目組原先擁有的技術，并發展了多種激光雷達新測量技術。圖1所示為項目研制的我國首臺高精度探測對流層二氧化碳廓線的拉曼激光雷達系統。圖2為邊界層臭氧探測差分吸收激光雷達系統，實現了對邊界層臭氧的晝夜監測。
建立多個激光雷達觀測站點
建立了合肥激光雷達觀測示范站和岳西大氣背景觀測站。測量不同大氣參數需要不同的激光雷達技術，綜合大氣參數探測通常需要多種類多臺套激光雷達進行觀測。項目組在原有實驗室基本條件和科技專項項目支持下，對激光雷達實驗用房和實驗條件進行了技術改造，增大了實驗用房面積，增多了觀測設備。目前，已有和在研的設備有L625多波長激光雷達、車載大氣環境監測激光雷達、二氧化碳拉曼激光雷達、純轉動拉曼測溫激光雷達、邊界層臭氧探測差分吸收激光雷達、雙波長雙視場氣溶膠激光雷達、水汽溫度拉曼激光雷達、高光譜激光雷達、瑞利散射多普勒測風激光雷達、多波長Mie-Raman氣溶膠激光雷達、雙邊沿氣溶膠多普勒測風激光雷達、偏振米散射激光雷達、微脈沖激光雷達、微波測風激光雷達、鐵塔、自動氣象站、溫濕度氣球探空儀、二氧化碳分析儀，外場配套設備有光學粒子計數器、多波段太陽輻射計、臭氧分析儀、Li7500二氧化碳分析儀、碳黑度儀、空氣動力學粒度儀、積分濁度計等等。合肥觀測站已初具規模，為實驗室將來的研究工作提供了很好的觀測條件。為確保觀測數據的有效性和準確性，對項目研究中使用的各種激光雷達和配套設備建立了測量規范。
考慮到大氣參數的高度分布帶有區域特點，不僅需要在工業發達的城市合肥建立觀測站，還需要在山區建立沒有工業污染的大氣背景觀測站，項目組在大別山區的岳西菖蒲鎮建立了大氣背景觀測站。通過項目合作，在北京、泉州、臨安和蕪湖等地建立了激光雷達觀測點。
重要大氣參數統計模式和變化特征
項目組長期從事激光雷達大氣探測研究，積累了豐富的激光雷達觀測數據。項目的一個重要研究內容是對歷史觀測數據進行系統的分析，獲得我國東部地區合肥的重要參數的垂直分布統計模式和變化特征，如大氣臭氧、氣溶膠、溫度、水汽、二氧化碳、火山灰氣溶膠、風等，同時，也給出了一些地面大氣參數的長期變化特征，如氣溶膠光學厚度、氣溶膠粒子譜、氣溶膠折射率、氣溶膠吸收系數、溫度濕度、二氧化碳等等。
圖4給出了合肥地區上空大氣溫度的月平均垂直分布，對流層的數據來源于氣球探空，平流層及以上高度的數據來自AURA衛星的MLS探測器。合肥地區對流層頂約在18km上下，平流層頂在50km上下，對流層溫度一般7、8月份的夏季達到一年中的最高，1、2月份的冬季下降到一年中的最低。平流層頂一年中溫度最高的月份出現在5、6月份。
拉曼激光雷達能夠獲得高精度和高時空分辨率的大氣水汽廓線。圖5給出L625拉曼激光雷達和無線電探空儀測量的水汽混合比季節統計平均值和方差垂直廓線。對比結果顯示，總體上激光雷達和無線電探空儀在不同季節測量數據一致性很好，兩者測量差別主要集中在2km以下和6km以上存在云層高度。2km以下，主要歸因于L625拉曼激光雷達近距離幾何因子和盲區所致。6～10km高度范圍，主要原因是由于該高度存在云層以及無線電探空儀對高空云層內的水汽響應不夠造成。另外，兩種設備在測量時間和測量路徑上的差別也加深了測量結果的差別。
圖6為2007年6月～2011年5月之間Airda16000探測的合肥地區四個季節平均風速及統計標準偏差的特征圖，橫坐標為風速大小（m/s），縱坐標為高度（km），其中圖a～d為各個季節全天模式風速平均。從圖中可以看出，四個季節越往高空風速均呈現增大的趨勢，低空風速較小，一般低于10m/s；高空風速較大，最大值或有超過50m/s，風速平均值在40m/s以下，低于30m/s；低空風速變化平緩，統計標準差較小，高空風速則變化劇烈，標準差可達15m/s以上。對比四個季節的風速變化，可知冬季風大，風速隨高度增加而劇烈增大，平均值最大可達40m/s；夏季最小，隨高度增加而增大的程度平緩，平均值在20m/s以下。
從圖7中可以看出，在2004年之前，氣溶膠光學厚度、標高和地面能見度都呈現了明顯的季節性變化，氣溶膠光學厚度和標高基本上同步地在春季達到最大值。這種周期性的變化意味著這可能是由于自然因素驅動的，也就是說在2004年之前合肥上空對流層大氣氣溶膠主要來自自然源的排放，人類活動對對流層大氣氣溶膠的影響相對比較小。而從2005年開始，這種周期性的變化消失了，氣溶膠光學厚度開始增加，同時氣溶膠標高和地面能見度都呈現出了下降的趨勢，這意味著近地面氣溶膠濃度的增加。這種變化有可能是受到人類活動的影響造成的，與合肥最近幾年的高速發展和城市建設可能有一定的關系。
從圖8中可以看出合肥地區對流層大氣氣溶膠時空分布的主要特征。對流層大氣氣溶膠主要集中在3km以下，3km以下的氣溶膠光學厚度平均占到了18km以下氣溶膠光學厚度的80%左右。對流層大氣氣溶膠的垂直分布有明顯的季節變化，呈現一個梳狀結構，在每年的春季達到最高，秋季達到最低。這種梳狀結構同步地出現在混合層和自由對流層中。混合層中的氣溶膠后向散射系數在2005年之后表現出一種增加的趨勢。最高值出現在春季的這種梳狀結構主要是受到自由對流層中隨著冷空氣從北方輸送到合肥上空的沙塵粒子的影響。
圖9中給出了合肥上空對流層大氣氣溶膠后向散射系數垂直分布的月變化。從圖中可以得到看到，在1.5km以下，夏季的氣溶膠后向散射系數要比其它季節的要大一些，并且氣溶膠能夠被輸送到一個比較高的高度上。氣溶膠后向散射系數的最小值大約出現在3月和4月。在3～9km高度范圍內，從2月份到5月份的氣溶膠后向散射系數要明顯大于其它月份的值。從北方輸送過來的沙塵粒子可以影響合肥上空12km以下的氣溶膠的垂直分布。3～9km高度范圍內氣溶膠后向散射系數的最小值出現在7月底到9月初。在9～18km高度范圍內，有明顯的一個氣溶膠后向散射系數比較小的干凈區。這個干凈區的最大高度出現在春季，大約在15km高度附近，最小高度出現在夏季，大約在11km高度附近。在15～18km高度范圍內，夏季氣溶膠后向散射系數要比其它季節的明顯偏大。
如圖10，菲律賓皮納圖博火山（Mt.Pinatubo，15.1°N， 120.4°E）在1991年6月劇烈噴發，將大量的火山灰輸送到了平流層，并向全球擴散。由于受到皮納圖博火山灰的影響，L625激光雷達在1991年測量的年平均后向散射比廓線在15～26km高度范圍內出現了一個明顯的峰，氣溶膠后向散射比的年平均峰值超過了10。從1991年的測量結果可以看出，合肥上空的火山灰主要出現在大約13km以上的平流層中，而在對流層中上部的火山灰相對較少，這說明合肥上空的火山灰主要是在平流層中輸送過來的。在接下來的幾年中，火山灰出現的高度不斷下降，后向散射比峰值也在減小，而對流層中上部的氣溶膠后向散射比明顯增大。這說明平流層中的火山灰逐漸下沉，并以物質交換的形式進入到了對流層中，這也是平流層中火山灰消失的一個重要機制。直到1996年，平流層氣溶膠后向散射比基本減小到背景值附近。
對L625紫外差分吸收激光雷達1996～2009年的合肥上空臭氧數據按月進行了統計分析，結合AML-2車載測污激光雷達觀測的對流層較低高度的臭氧數據，給出了0.3～40km的臭氧月平均高度分布，如圖11所示。地基激光雷達和衛星測量的臭氧濃度的季節變化特征有著很好的一致性；合肥上空臭氧春季含量最多，夏季次之，秋季最少。
對2012年全年55天的數據逐月進行了統計分析，得到了合肥地區大氣二氧化碳廓線月平均分布結果如圖12（左）所示，全年12個月觀測的平均結果及其起伏方差如圖12（右）所示。從圖可以看出，不同月份觀測的結果差別較大，其中12月份二氧化碳垂直分布的濃度最大，而1、6、7月份濃度較小，不同月份測量結果及其下降梯度有些不同，相對而言，200米以下隨高度增加下降梯度普遍偏大。全年的平均分布廓線可以看出，從近地面至2.0km高度，二氧化碳體積混合比有隨高度增加而降低的基本趨勢，60m高度平均值約396ppm，至1.5km的385ppm，約降低了10ppm。
項目實施期間還獲得了許多地面氣象參數和氣溶膠的觀測數據和統計特征，如合肥地區整層大氣可降水量和云液態水量的統計特征，合肥地區氣溶膠光學厚度、Angstrom渾濁度參數變化特征，大氣氣溶膠譜分布統計特征和模式，大氣氣溶膠散射系數、吸收系數統計特征，炭黑質量濃度統計特征等等。
大氣參數高分辨垂直分布數據庫建設
項目組建設了特色數據庫——大氣參數高分辨垂直分布數據庫，實現了項目組以往數據的整理和入庫，并進行了一次較為系統的分析，獲得了重要大氣參數垂直分布的統計模式和變化特征。制定了數據庫管理手冊，介紹數據庫數據來源的儀器和設備，規定了數據管理辦法、入庫標準和數據質量控制方法，列出了數據庫目錄，介紹了數據網站、下載或獲取數據的方法和數據共享管理方案。
（圖略）
