气候变化是当前世界重大环境问题之一。我国高度重视气候变化问题，采取了一系列行动应对气候变化的政策和措施，把“监测气候变化的过程和要素”等气候变化监测预测预警作为应对气候变化专项行动的重点任务之一。中国科学院合肥物质科学研究院组织实施了科技基础性重点项目“我国东部整层大气重要参数高分辨垂直分布探查”，开展了以激光雷达为主要探查手段的高中低大气层重要参数的高分辨垂直分布的系统测量和科学研究。项目团队互相协作，开拓创新，取得了一系列研究成果，为我国的激光大气探测领域作出了一定的贡献。
发展了激光雷达探测新技术
以激光雷达为主要探查手段的高中低大气层重要参数的高分辨垂直分布的系统测量，它能够填补气象观测站网对这些重要大气参数垂直分布测量的空白。激光雷达探测以垂直距离的分辨率高、时间分辨率高（测量时间间隔可任意调节）、操作简单等优点，弥补了卫星遥感垂直距离的分辨率不高、固定地区测量次数不够、一些参数测量精度不够高等不足。
对测量设备的技术提升，特别是对激光雷达技术进行了攻关研究，对激光雷达的信噪比提高技术、昼夜24小时连续测量技术、多光束同时发射或快速交替发射技术，智能化自动观测技术、多波长的氮Raman散射弱信号探测技术、数据反演技术进行了深入系统的研究，成熟了项目组原先拥有的技术，并发展了多种激光雷达新测量技术。图1所示为项目研制的我国首台高精度探测对流层二氧化碳廓线的拉曼激光雷达系统。图2为边界层臭氧探测差分吸收激光雷达系统，实现了对边界层臭氧的昼夜监测。
建立多个激光雷达观测站点
建立了合肥激光雷达观测示范站和岳西大气背景观测站。测量不同大气参数需要不同的激光雷达技术，综合大气参数探测通常需要多种类多台套激光雷达进行观测。项目组在原有实验室基本条件和科技专项项目支持下，对激光雷达实验用房和实验条件进行了技术改造，增大了实验用房面积，增多了观测设备。目前，已有和在研的设备有L625多波长激光雷达、车载大气环境监测激光雷达、二氧化碳拉曼激光雷达、纯转动拉曼测温激光雷达、边界层臭氧探测差分吸收激光雷达、双波长双视场气溶胶激光雷达、水汽温度拉曼激光雷达、高光谱激光雷达、瑞利散射多普勒测风激光雷达、多波长Mie-Raman气溶胶激光雷达、双边沿气溶胶多普勒测风激光雷达、偏振米散射激光雷达、微脉冲激光雷达、微波测风激光雷达、铁塔、自动气象站、温湿度气球探空仪、二氧化碳分析仪，外场配套设备有光学粒子计数器、多波段太阳辐射计、臭氧分析仪、Li7500二氧化碳分析仪、碳黑度仪、空气动力学粒度仪、积分浊度计等等。合肥观测站已初具规模，为实验室将来的研究工作提供了很好的观测条件。为确保观测数据的有效性和准确性，对项目研究中使用的各种激光雷达和配套设备建立了测量规范。
考虑到大气参数的高度分布带有区域特点，不仅需要在工业发达的城市合肥建立观测站，还需要在山区建立没有工业污染的大气背景观测站，项目组在大别山区的岳西菖蒲镇建立了大气背景观测站。通过项目合作，在北京、泉州、临安和芜湖等地建立了激光雷达观测点。
重要大气参数统计模式和变化特征
项目组长期从事激光雷达大气探测研究，积累了丰富的激光雷达观测数据。项目的一个重要研究内容是对历史观测数据进行系统的分析，获得我国东部地区合肥的重要参数的垂直分布统计模式和变化特征，如大气臭氧、气溶胶、温度、水汽、二氧化碳、火山灰气溶胶、风等，同时，也给出了一些地面大气参数的长期变化特征，如气溶胶光学厚度、气溶胶粒子谱、气溶胶折射率、气溶胶吸收系数、温度湿度、二氧化碳等等。
图4给出了合肥地区上空大气温度的月平均垂直分布，对流层的数据来源于气球探空，平流层及以上高度的数据来自AURA卫星的MLS探测器。合肥地区对流层顶约在18km上下，平流层顶在50km上下，对流层温度一般7、8月份的夏季达到一年中的最高，1、2月份的冬季下降到一年中的最低。平流层顶一年中温度最高的月份出现在5、6月份。
拉曼激光雷达能够获得高精度和高时空分辨率的大气水汽廓线。图5给出L625拉曼激光雷达和无线电探空仪测量的水汽混合比季节统计平均值和方差垂直廓线。对比结果显示，总体上激光雷达和无线电探空仪在不同季节测量数据一致性很好，两者测量差别主要集中在2km以下和6km以上存在云层高度。2km以下，主要归因于L625拉曼激光雷达近距离几何因子和盲区所致。6～10km高度范围，主要原因是由于该高度存在云层以及无线电探空仪对高空云层内的水汽响应不够造成。另外，两种设备在测量时间和测量路径上的差别也加深了测量结果的差别。
图6为2007年6月～2011年5月之间Airda16000探测的合肥地区四个季节平均风速及统计标准偏差的特征图，横坐标为风速大小（m/s），纵坐标为高度（km），其中图a～d为各个季节全天模式风速平均。从图中可以看出，四个季节越往高空风速均呈现增大的趋势，低空风速较小，一般低于10m/s；高空风速较大，最大值或有超过50m/s，风速平均值在40m/s以下，低于30m/s；低空风速变化平缓，统计标准差较小，高空风速则变化剧烈，标准差可达15m/s以上。对比四个季节的风速变化，可知冬季风大，风速随高度增加而剧烈增大，平均值最大可达40m/s；夏季最小，随高度增加而增大的程度平缓，平均值在20m/s以下。
从图7中可以看出，在2004年之前，气溶胶光学厚度、标高和地面能见度都呈现了明显的季节性变化，气溶胶光学厚度和标高基本上同步地在春季达到最大值。这种周期性的变化意味着这可能是由于自然因素驱动的，也就是说在2004年之前合肥上空对流层大气气溶胶主要来自自然源的排放，人类活动对对流层大气气溶胶的影响相对比较小。而从2005年开始，这种周期性的变化消失了，气溶胶光学厚度开始增加，同时气溶胶标高和地面能见度都呈现出了下降的趋势，这意味着近地面气溶胶浓度的增加。这种变化有可能是受到人类活动的影响造成的，与合肥最近几年的高速发展和城市建设可能有一定的关系。
从图8中可以看出合肥地区对流层大气气溶胶时空分布的主要特征。对流层大气气溶胶主要集中在3km以下，3km以下的气溶胶光学厚度平均占到了18km以下气溶胶光学厚度的80%左右。对流层大气气溶胶的垂直分布有明显的季节变化，呈现一个梳状结构，在每年的春季达到最高，秋季达到最低。这种梳状结构同步地出现在混合层和自由对流层中。混合层中的气溶胶后向散射系数在2005年之后表现出一种增加的趋势。最高值出现在春季的这种梳状结构主要是受到自由对流层中随着冷空气从北方输送到合肥上空的沙尘粒子的影响。
图9中给出了合肥上空对流层大气气溶胶后向散射系数垂直分布的月变化。从图中可以得到看到，在1.5km以下，夏季的气溶胶后向散射系数要比其它季节的要大一些，并且气溶胶能够被输送到一个比较高的高度上。气溶胶后向散射系数的最小值大约出现在3月和4月。在3～9km高度范围内，从2月份到5月份的气溶胶后向散射系数要明显大于其它月份的值。从北方输送过来的沙尘粒子可以影响合肥上空12km以下的气溶胶的垂直分布。3～9km高度范围内气溶胶后向散射系数的最小值出现在7月底到9月初。在9～18km高度范围内，有明显的一个气溶胶后向散射系数比较小的干净区。这个干净区的最大高度出现在春季，大约在15km高度附近，最小高度出现在夏季，大约在11km高度附近。在15～18km高度范围内，夏季气溶胶后向散射系数要比其它季节的明显偏大。
如图10，菲律宾皮纳图博火山（Mt.Pinatubo，15.1°N， 120.4°E）在1991年6月剧烈喷发，将大量的火山灰输送到了平流层，并向全球扩散。由于受到皮纳图博火山灰的影响，L625激光雷达在1991年测量的年平均后向散射比廓线在15～26km高度范围内出现了一个明显的峰，气溶胶后向散射比的年平均峰值超过了10。从1991年的测量结果可以看出，合肥上空的火山灰主要出现在大约13km以上的平流层中，而在对流层中上部的火山灰相对较少，这说明合肥上空的火山灰主要是在平流层中输送过来的。在接下来的几年中，火山灰出现的高度不断下降，后向散射比峰值也在减小，而对流层中上部的气溶胶后向散射比明显增大。这说明平流层中的火山灰逐渐下沉，并以物质交换的形式进入到了对流层中，这也是平流层中火山灰消失的一个重要机制。直到1996年，平流层气溶胶后向散射比基本减小到背景值附近。
对L625紫外差分吸收激光雷达1996～2009年的合肥上空臭氧数据按月进行了统计分析，结合AML-2车载测污激光雷达观测的对流层较低高度的臭氧数据，给出了0.3～40km的臭氧月平均高度分布，如图11所示。地基激光雷达和卫星测量的臭氧浓度的季节变化特征有着很好的一致性；合肥上空臭氧春季含量最多，夏季次之，秋季最少。
对2012年全年55天的数据逐月进行了统计分析，得到了合肥地区大气二氧化碳廓线月平均分布结果如图12（左）所示，全年12个月观测的平均结果及其起伏方差如图12（右）所示。从图可以看出，不同月份观测的结果差别较大，其中12月份二氧化碳垂直分布的浓度最大，而1、6、7月份浓度较小，不同月份测量结果及其下降梯度有些不同，相对而言，200米以下随高度增加下降梯度普遍偏大。全年的平均分布廓线可以看出，从近地面至2.0km高度，二氧化碳体积混合比有随高度增加而降低的基本趋势，60m高度平均值约396ppm，至1.5km的385ppm，约降低了10ppm。
项目实施期间还获得了许多地面气象参数和气溶胶的观测数据和统计特征，如合肥地区整层大气可降水量和云液态水量的统计特征，合肥地区气溶胶光学厚度、Angstrom浑浊度参数变化特征，大气气溶胶谱分布统计特征和模式，大气气溶胶散射系数、吸收系数统计特征，炭黑质量浓度统计特征等等。
大气参数高分辨垂直分布数据库建设
项目组建设了特色数据库——大气参数高分辨垂直分布数据库，实现了项目组以往数据的整理和入库，并进行了一次较为系统的分析，获得了重要大气参数垂直分布的统计模式和变化特征。制定了数据库管理手册，介绍数据库数据来源的仪器和设备，规定了数据管理办法、入库标准和数据质量控制方法，列出了数据库目录，介绍了数据网站、下载或获取数据的方法和数据共享管理方案。
（图略）
