9月8日夜，在中科院大气物理所淮南研究院的院内，三条绿色的激光从形状如集装箱的方舱内射出，如同几柄科幻电影《星球大战》中的激光剑一般指向苍穹。
不过，这并非绝地武士的武器，而是科学家用于解开大气奥秘的新手段——中科院大气物理研究所牵头自主研制的全球首套全（中性）大气层多成分、多要素的大型地基综合探测系统（APSOS）。
雷暴、台风、暴雨，2017年这个夏天，频繁出现的极端天气正悄然影响着人们的工作与生活。
而过去百年间，对气候变化的研究，在数值模拟与数值预测的基础上对大气层结构、成分、过程与变化的全球性长期监测越来越倚重。若要解析气候变化的原因，继续维持和发展以上的大气探测系统是重要的基础。
据APSOS首席科学家、中科院院士吕达仁告诉《中国科学报》，长期以来科学家一直用自动站网、遥感探测等手段进行大气探测，但目前却没有一套科学装置可以实现在垂直方向上对全（中性）大气层的主要要素获取较全面的高垂直分辨率和高时间分辨率的长期连续观测资料。
“大气科学发展包括对空间科学的认识，60年以来世界各国卫星已做了很多工作，但是一个定点如此高分辨率同时观测多个大气要素的目前还没有。”吕达仁说。而这对更清晰地认识气候、环境变化所依托的大气机理至关重要。
而由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台组合望远镜构成的APSOS，就为科学家探究全球气候变化原理的“工具箱”增添了一个长期连续观测大气多要素的新工具。
从外观上看，由4块1.2米直径的镜面拼接而成的组合望远镜，盘踞在APSOS系统中央，对不同要素进行探测的方舱则众星捧月般环绕在它的周围。这套成放射状的系统，将采用主、被动遥感结合的方式，对“大气温度、湿度变化，大气污染，大气运动”等要素进行深度“切割”。
专家介绍，从方舱发出的激光、微波和太赫兹遥感探测信号，与大气不同物质发生相互作用，散射回来的光信号由光学望远镜接收，再被光电探测器转化为电信号。基于不同的激光雷达原理，通过处理接收到的信号就能得到不同探测物质的含量，还可以利用多普勒效应获得大气温度和风场信息。
最终，科学家关心的大气要素都会呈现在APSOS综合数据分析和可视化平台上，成为可被研究用户直接应用的产品。
中科院大气物理所助理研究员王一楠介绍称，已经搭建好基础框架的可视化平台能够实现每5秒一个数据的同步更新，并将实现对系统运行情况的远程控制。
“这套系统的目的是在地面上放多个垂直方向的观测设备，测量从地表最高到100公里高度大气要素的垂直分布和时间变化。”吕达仁说。
包裹着地球的大气层按高度可分为对流层、平流层、中间层、热层和逃逸层。热层的大气因受太阳辐射，温度较高，气体分子或原子大量电离，具有导电特性，故又称为电离层。科学家把距离地面约100公里~800公里的热层以下不带电的大气层称为中性大气层，这也是APSOS系统的工作范围。
中科院大气物理所研究员潘蔚琳以气溶胶探测为例介绍称，在全中性层范围内，激光一秒钟打30个脉冲进而形成大气距离分辨率，把大气每三十米切割成块，以获得精确的大气气溶胶信息。
“当在一个方向上有足够多的要素，足够高的分辨率时，相当于知道了形成大气过程的物理要素、大气动力要素。”吕达仁强调，这样的资料积累对大气研究至关重要。
