扶“遙”直上
——記中國科學技術(shù)大學地球和空間科學學院教授李銳

本刊記者 李玉芹

李銳

上世紀60年代初，一門新興技術(shù)悄然興起，這就是以航空攝影技術(shù)為基礎(chǔ)起步的遙感。1958年美國發(fā)射了第一個地球人造衛(wèi)星“探索者一號”，標志著航天遙感時代的開始。經(jīng)過幾十年的迅速發(fā)展，地質(zhì)、地理、氣象、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均出現(xiàn)了遙感的身影，涵蓋紫外、可見、紅外、微波等多光譜信號的遙感技術(shù)正在逐漸成為一門強大的、地基觀測所無法代替的先進探測手段。

遙感作為非接觸、遠距離的探測技術(shù)，在大氣科學研究領(lǐng)域的發(fā)展中有著不可估量的推動作用。中國科學技術(shù)大學地球和空間科學學院教授李銳，就依托遙感，注重云、降水及其與陸地生態(tài)系統(tǒng)、大氣環(huán)境、大氣環(huán)流之間的相互作用，堅定地在遙感研究的方向上前行，一路扶“遙”直上。

探秘大氣氣溶膠

李銳從大學起就對天氣、氣候、大氣環(huán)境產(chǎn)生了濃厚興趣。為了探索更多奧秘，他一路攀登，于2005年在中國科學技術(shù)大學地空學院地球和空間科學學院獲得博士學位。2006—2013年這7年間，他在美國紐約州立大學的大氣科學研究中心深造，從博士后研究到擔任Full Research Scientist等職，在美國能源部、大氣和海洋局、宇航局等相關(guān)項目支持下，一直從事大氣科學的前沿研究，直至2013年入選中國科學院百人計劃“引進國外杰出人才A類”、安徽省百人計劃、安徽省特聘專家，回到中國科學技術(shù)大學大氣物理與大氣環(huán)境專業(yè)任教。

在他看來，對大氣的運動和氣候演變進行準確的探測、細致的探究、精密的預測，是工作，更是興趣。一路走來，無論是在遙感新方法的開發(fā)上，或是在天空一體化觀測數(shù)據(jù)的應用方面，還是在與大氣和地球系統(tǒng)模式的聯(lián)合研究中，無一不顯示出這位科研工作者穩(wěn)健的步調(diào)和分秒必爭的節(jié)奏。

無云雨不成天氣。云雨的形成離不開懸浮在大氣中的微米和亞微米尺度的細小顆粒物，它們就是大氣氣溶膠。李銳指出，對天氣和氣候的預測過程中隱藏著許多不確定因素，其中氣溶膠間接效應是最大的“麻煩制造者”之一。正是它們，作為云凝結(jié)核或冰凝結(jié)核，顯著影響著云的光反射率、粒徑大小、降水效率、輻射加熱、潛熱釋放等，進而影響地球氣候系統(tǒng)的能量平衡（即氣溶膠間接效應）?？墒钱敋馊苣z影響云和降水的多種不同機制混合在一起時，其對云和降水的“抑制”或“增強”效應會相互增益或抵消；更為關(guān)鍵的是，云的自然動力學變率總是和氣溶膠間接效應混在一起，難以區(qū)分。這樣一來，單單利用衛(wèi)星觀測，結(jié)果的可信度會大大降低。

為此，李銳決定綜合衛(wèi)星遙感觀測、和高時空分辨率的大氣數(shù)值模式，對氣溶膠間接效應進行更深層次的探索?！拔掖蛩銓⒍嘈l(wèi)星平臺、多通道傳感器和云解析模式、輻射傳輸模式耦合起來進行研究?！庇辛搜芯磕繕?，問題也會接踵而至：一旦對降水類型、雨頂高度、30/40dBZ最大雷達回波強度等衛(wèi)星可觀測參數(shù)進行限定，在無/低氣溶膠條件下，降水垂直廓線會有怎樣的自然變率呢？

變數(shù)大、結(jié)果未知，李銳面臨的研究難度可想而知。為了確保萬無一失，他決定先打?qū)嵒A(chǔ)。為此，他從理論角度出發(fā)，定量研究了云的自然變率對氣溶膠間接效應的干擾，從而獲取對研究云的自然變率定量估計參數(shù)化行之有效的方法，進而提高量化氣溶膠間接效應的精度。“但在目前，儀器技術(shù)水平以及遙感理論和方法都很有限，我們的方法在實際觀測中能否真實反映氣溶膠間接效應，還需時間來驗證。”李銳說道。

此外，氣溶膠對降水及其潛熱的垂直結(jié)構(gòu)也有至關(guān)重要的影響。早在2011年，李銳就開始了對降水潛熱的研究，他定量研究了氣溶膠對雨頂高度、低、中、高層降水率廓線的垂直梯度、地表降水強度以及潛熱和輻射加熱的影響?！巴ㄟ^獲得的觀測結(jié)果，可以用來衡量其對大氣能量平衡的影響?！迸c此同時，李銳提到，近來潛熱廓線反演方法的研究熱潮逐漸興起?！拔覀円糙s上熱潮，劃用這種方法估算在有無氣溶膠的條件下，降水云的潛熱垂直分布有何不同。”據(jù)悉，李銳做出的努力，有望會在氣溶膠間接效應對大氣運動的熱動力效應研究方面，打開一扇新的研究大門。

守護綠水青山

“綠水青山就是金山銀山”，然而中國的環(huán)境污染問題已成為限制中國經(jīng)濟進一步發(fā)展的重大瓶頸之一。為了解決這一問題，首先要厘清大氣各種污染物的時空分布及其在大氣中的傳輸、發(fā)展、清除等過程。而這些離不開先進的大氣污染探測技術(shù)。

雖然地基的污染檢測設(shè)備具有精確度高的優(yōu)點，但同時存在空間代表性差、易受人為因素干擾等嚴重缺陷，特別是僅靠地面觀測不可能覆蓋廣大區(qū)域的所有污染源。而在這方面，衛(wèi)星遙感恰恰可以彌補地基觀測的不足。

利用先進的衛(wèi)星遙感技術(shù)、以及在氣溶膠—云—降水方面的工作經(jīng)驗，李銳和他的團隊迅速在衛(wèi)星遙感中國大氣污染領(lǐng)域走出一條新路。他們詳細分析2005—2014年中國地區(qū)氣溶膠光學厚度、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、甲醛（HCHO）等重要污染物的時空分布，同時研究了不同地區(qū)大氣顆粒物中NO2和SO2的比例，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在中國絕大部分地區(qū)， AOD與NO2和SO2空間分布存在顯著正相關(guān)(＞95%信度），說明NO2和SO2通過形成二次氣溶膠而顯著影響總氣溶膠濃度。另外，在黑吉遼、晉魯豫、川渝黔等城市化程度相對較低的區(qū)域， 大氣氣溶膠仍是以硫酸鹽性為主、NO2的貢獻相對較小； 而在京津冀、江浙滬、廣東等現(xiàn)代化都市群附近，氣溶膠是以硫酸鹽/硝酸鹽混合性為主.該研究說明，城市化的發(fā)展改變了地區(qū)大氣污染物的形成機制，因而，政府相應的管、控政策與方法也應因地制宜，有所側(cè)重。

“我們正在把越來越多的衛(wèi)星遙感技術(shù)用于守護我們的綠水青山?！崩钿J告訴記者，不僅僅限于大氣污染，他們的團隊正在利用多光譜遙感技術(shù)檢測、研究巢湖、太湖等大型水體的藍藻污染，希望為這些重要水體的綜合治理貢獻自己的力量。

微波對地遙感的多重應用

MLSE，也就是陸地表微波比輻射率，如果用通俗的話來解釋，就是地表發(fā)射的微波輻射與具有同一熱力溫度的理想黑體發(fā)射之比。MLSE究竟有什么神通廣大之處呢？據(jù)李銳介紹，MLSE是衛(wèi)星遙感土壤濕度、積雪、植被含水量的主要信號源，同時也是被動微波遙感陸面降水至關(guān)重要的背景參量。但MLSE的穩(wěn)定性卻不理想，天氣變化會對其產(chǎn)生影響，尤其是云和降水對MLSE的改變甚為顯著，而且這種改變會隨著下墊面的不同而不同。

“目前，國際上對MLSE—云—降水的關(guān)系研究少之又少，而且往往缺少系統(tǒng)性?！崩钿J表示。一分耕耘，一分收獲，他在國家自然科學基金項目“衛(wèi)星觀測研究中國陸地表微波比輻射率對云和降水的動態(tài)響應”中，針對三方面展開研究。

其一，針對中國陸地表MLSE衛(wèi)星反演算法，李銳指出現(xiàn)有的MLSE反演算法內(nèi)核，沒有考慮到冰云對上行微波亮溫的影響，大的液態(tài)云粒子對微波的散射效應更沒有包含在其中。為了對反演精度進行改進并給予驗證，李銳引入新的微波輻射傳輸模式，打算對大氣和云對微波吸收、散射效應來個“全面診斷”?！霸撔罗k法可以使冰粒子對散射效應的計算精度有大幅度提高，可以更進一步減小模式誤差。”李銳說道。

團隊成員在實驗室

他還提到，云具有三維不均勻性，這種特性對反演是否會有影響呢？為了找到謎底，李銳拋棄固有研究方法，根據(jù)MODIS的反演和對云的相態(tài)的認定，利用改進后的微波輻射傳輸模式及非球形冰云粒子微波特性的計算結(jié)果，重新計算各種相態(tài)云對上行微波亮溫的影響；再結(jié)合WRF模式的模擬結(jié)果，從而給出相應云的垂直結(jié)構(gòu)信息，也就是前面提到的云水垂直廓線。除此之外，李銳還分別對晴空像素、水云像素、冰云像素、混合云像素計算，并利用各像素的相對水平位置，通過相應的微波天線響應函數(shù)對各像素取權(quán)重，獲得了微波視場內(nèi)平均的上行微波亮溫。

其二，在李銳看來，理論終歸還是要走向?qū)嵺`。為此，他針對不同時空分辨率，著手建立了多年軌道級MLSE產(chǎn)品、格點化（分辨率為0.25°）MLSE產(chǎn)品（Level 3級）以及格點化（分辨率為1°）月平均MLSE（Level 3級）這3種產(chǎn)品?！斑@3種產(chǎn)品對氣候研究會產(chǎn)生巨大的幫助。”李銳介紹道。目前，他們已經(jīng)把該方法應用于多個方面，例如，計算中國和東亞地區(qū)森林的水汽蒸騰速率、估算中國東北和華南森林的VOC排放率、建立火災發(fā)生頻率、火災強度與森林含水量之間的關(guān)系等。

其三，針對中國陸地表MLSE對云和降水的動態(tài)響應特征，李銳提出要研究云、降水對MLSE的影響，并希望進一步建立MLSE對云和降水響應的動態(tài)模型，最終使其得到應用?！拔覀円谠敿毜慕y(tǒng)計基礎(chǔ)上，對MLSE對云和降水響應的量化關(guān)系進行歸納總結(jié)，再建立相應的動態(tài)模型?！痹撗芯繒閷戆l(fā)展陸地被動式微波物理反演降水提供一定的研究基礎(chǔ)。

科研如同登山，向上攀登的同時，會收獲風景也會遇到各種艱難險阻，但對李銳來說，有困難、有挑戰(zhàn)正是科研賦予他的人生真諦。目前，他已逐步建立起一支國際化、成梯隊的研究團隊，計劃在衛(wèi)星遙感、模式模擬、地基觀測等領(lǐng)域，一步一個腳印，逐步攀登一座座高山。