地球大氣為人類生存和發(fā)展提供了非常重要的保障，研究該區(qū)域中的大氣環(huán)境與物理和化學(xué)過程，對(duì)于航天、國(guó)防、人類生活以及地球生物圈的安全至關(guān)重要。

　　識(shí)風(fēng)須追風(fēng)

　　中高層大氣研究關(guān)注的主要參數(shù)包括中性大氣的密度、溫度和風(fēng)場(chǎng)、電離成分、微流星體、輻射場(chǎng)等。

　　“研究中高層大氣的結(jié)構(gòu)和變化特征對(duì)于理解發(fā)生在這個(gè)區(qū)域中的基本物理過程，保障航天器和航天活動(dòng)的安全具有重要意義。”武漢大學(xué)教授易帆對(duì)《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者說，“這些航天器在高層大氣環(huán)境中能否正常工作，將直接影響通信中繼、電視轉(zhuǎn)播、導(dǎo)航定位等。近年來，平流層飛艇由于多用途和低能耗被稱為‘多功能綠色航空器’，要保證其在節(jié)能條件下穩(wěn)定運(yùn)行，該高度上大氣風(fēng)場(chǎng)信息極為關(guān)鍵。因此，這一研究與人類生活密切相關(guān)。”

　　中高層大氣的主要熱源來自太陽的極紫外輻射和X射線對(duì)氧分子的加熱以及高能粒子在大氣層中的沉降。太陽活動(dòng)劇烈時(shí)，高能粒子在大氣層中沉降事件增加，這會(huì)加熱高層大氣并使之密度上升，從而增加低軌道飛行器的阻力并降低其軌道。此時(shí)如果飛行器不能及時(shí)變軌，將大大影響飛行器的使用壽命。對(duì)于低軌道飛行器來說，中高層大氣的密度、成分溫度和壓力會(huì)影響到飛行器的軌道定位、軌道衰減速率和在軌壽命。

　　另外中高層大氣也會(huì)影響到飛行器表面的溫度和姿態(tài)控制，其化學(xué)組分——例如原子氧等——也有可能對(duì)飛行器造成化學(xué)損傷，另外，飛行器表面的輝光現(xiàn)象也與大氣成分有關(guān)。所以，設(shè)計(jì)飛行器時(shí)，必須根據(jù)其飛行高度和飛行時(shí)間研究中高層大氣對(duì)飛行器的影響，確定攜帶軌道修正推助器的質(zhì)量，以及合適選用的表面材料和必要的防護(hù)措施。

　　儀器是利器

　　因?yàn)橹懈邔哟髿怆x人類住居的地表較遠(yuǎn)，通常需采用無線電和光學(xué)遙感探測(cè)技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)其參數(shù)的測(cè)量。由于起步較晚，我國(guó)中高層大氣激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)曾經(jīng)十分薄弱。

　　“探測(cè)是中高層大氣研究的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，而我國(guó)缺乏大型探測(cè)設(shè)備和自主觀測(cè)資料等因素，極大地限制了該學(xué)科的發(fā)展。”易帆說，“80km至100km高度范圍的金屬成分是流星消融的產(chǎn)物，其行為（結(jié)構(gòu)和變化）反映了大氣和太空的過渡區(qū)域中的物理特征。當(dāng)前人們對(duì)金屬成分的認(rèn)識(shí)還很膚淺，許多問題都無法解釋。”

　　由于中高層大氣研究對(duì)大型儀器的依賴，我國(guó)中高層大氣觀測(cè)相對(duì)其他領(lǐng)域顯得薄弱一些。

　　“對(duì)中高層大氣重要參數(shù)，其中包括動(dòng)力學(xué)參數(shù)（風(fēng)速、溫度、密度）、化學(xué)成分分布和大氣輻射的研究都依賴觀測(cè)儀器。國(guó)際上也存在同樣的問題。這一領(lǐng)域很多一手資料都是近些年才積累起來的。” 中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研究員徐寄遙對(duì)《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者說，“觀測(cè)技術(shù)本身就是一個(gè)很大的研究課題。因此儀器研制也成為中高層大氣研究的重要部分。”

　　近年來，在基金委、教育部和科技部的支持下，我國(guó)科技工作者自主研發(fā)出多種不同功能的大型激光雷達(dá)，將我國(guó)的中高層大氣遙感探測(cè)和研究推向國(guó)際前沿。

　　以武漢大學(xué)為主的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十多年的艱苦努力，研制出7臺(tái)大型激光雷達(dá)系統(tǒng)，形成了當(dāng)今亞洲功能最強(qiáng)大的中高層大氣激光雷達(dá)綜合探測(cè)平臺(tái)。他們研制的世界第二臺(tái)鐵波爾茲曼中層頂測(cè)溫激光雷達(dá)系統(tǒng)，在我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了80km~100 km中層頂大氣溫度的激光雷達(dá)測(cè)量。

　　該團(tuán)隊(duì)完全采用激光雷達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3km~100km高度范圍大氣溫度的同步遙感探測(cè)。這是國(guó)際上第二次完全采用激光雷達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從近地面到100km大氣溫度剖面的測(cè)量。這種激光雷達(dá)綜合探測(cè)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué)研究，對(duì)環(huán)境變化研究具有重要意義。他們研制出的偏振激光雷達(dá)與國(guó)際上的星載激光雷達(dá)進(jìn)行了細(xì)致的比對(duì)，獲得了定量的一致，表明他們完全掌握了偏振激光雷達(dá)技術(shù)。最近，我國(guó)繼韓國(guó)之后，研制出世界上第二臺(tái)全水譜拉曼激光雷達(dá)，能測(cè)量云中水的相態(tài)（液態(tài)或氣態(tài)），在天氣預(yù)報(bào)中具有重要意義。

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)先后建立了米/瑞利/鈉熒光雙波長(zhǎng)激光雷達(dá)系統(tǒng)和車載多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。該雷達(dá)所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)與國(guó)際上唯一報(bào)道的一臺(tái)車載平流層多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)。

　　2010年2月， 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)車載多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)通過專家鑒定，專家組一致認(rèn)為：該儀器首次在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)對(duì)40km高度平流層大氣風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)，且具有可重復(fù)部署性。

　　由這些激光雷達(dá)構(gòu)成的探測(cè)平臺(tái)使我國(guó)的中高層大氣探測(cè)能力進(jìn)入國(guó)際前沿。激光雷達(dá)觀測(cè)導(dǎo)致了一些新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，也給我國(guó)的國(guó)防、航天和大氣空間環(huán)境研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

　　有術(shù)更有效

　　我國(guó)學(xué)者在過去十年里自主研制出多臺(tái)不同功能的大型激光雷達(dá)系統(tǒng)，這些雷達(dá)系統(tǒng)能觀測(cè)該區(qū)域多種大氣參數(shù)和金屬原子層，建立了在國(guó)際上有影響的中高層大氣觀測(cè)站。

　　“近十年我國(guó)在中高層大氣研究方面進(jìn)步很快，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，在中高層大氣觀測(cè)和模擬研究上也取得了有國(guó)際影響力的研究成果，總體上正逐漸逼近國(guó)際先進(jìn)水平。”徐寄遙說，“這得益于我國(guó)儀器研制的成果和子午工程等的帶動(dòng)。目前我國(guó)在主動(dòng)光學(xué)探測(cè)儀器，例如測(cè)風(fēng)測(cè)溫激光雷達(dá)，以及光學(xué)干涉儀和全天空氣輝成像儀等被動(dòng)光學(xué)儀器的研制方面初步形成規(guī)模。”

　　在觀測(cè)研究方面，我國(guó)學(xué)者利用地球衛(wèi)星、激光雷達(dá)和車載多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)等加深了對(duì)中高層大氣動(dòng)力學(xué)過程的理解。在中層頂金屬層激光雷達(dá)觀測(cè)研究，在0km~100 km 高度范圍大氣溫度的激光雷達(dá)測(cè)量，在車載多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)研究，在激光雷達(dá)和其他儀器的聯(lián)合觀測(cè)方面都取得了較有影響力的成果。

　　在模式研究方面，我國(guó)學(xué)者揭示了大氣波動(dòng)非線性傳播行為的有效方法，建立了高精度的全非線性動(dòng)力學(xué)模式，對(duì)重力波的非線性傳播研究取得一系列成果，已走在國(guó)際前列。我國(guó)自主建立了完全基于大氣探測(cè)數(shù)據(jù)的第一代臨近空間大氣動(dòng)力學(xué)模式。該模式與國(guó)際上公開發(fā)表的大氣溫度和密度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑∟RLMSISE-00）以及大氣水平風(fēng)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑℉WM）相比，某些區(qū)域的精度有明顯提高。