——记中国科学技术大学地球和空间科学学院教授李锐

　　本刊记者  李玉芹
　　
　　

　　
　　上世纪60年代初，一门新兴技术悄然兴起，这就是以航空摄影技术为基础起步的遥感。1958年美国发射了第一个地球人造卫星“探索者一号”，标志着航天遥感时代的开始。经过几十年的迅速发展，地质、地理、气象、环境、农业等领域均出现了遥感的身影，涵盖紫外、可见、红外、微波等多光谱信号的遥感技术正在逐渐成为一门强大的、地基观测所无法代替的先进探测手段。
　　遥感作为非接触、远距离的探测技术，在大气科学研究领域的发展中有着不可估量的推动作用。中国科学技术大学地球和空间科学学院教授李锐，就依托遥感，注重云、降水及其与陆地生态系统、大气环境、大气环流之间的相互作用，坚定地在遥感研究的方向上前行，一路扶“遥”直上。
　　

探秘大气气溶胶

　　李锐从大学起就对天气、气候、大气环境产生了浓厚兴趣。为了探索更多奥秘，他一路攀登，于2005年在中国科学技术大学地空学院地球和空间科学学院获得博士学位。2006—2013年这7年间，他在美国纽约州立大学的大气科学研究中心深造，从博士后研究到担任Full Research Scientist等职，在美国能源部、大气和海洋局、宇航局等相关项目支持下，一直从事大气科学的前沿研究，直至2013年入选中国科学院百人计划“引进国外杰出人才A类”、安徽省百人计划、安徽省特聘专家，回到中国科学技术大学大气物理与大气环境专业任教。
　　在他看来，对大气的运动和气候演变进行准确的探测、细致的探究、精密的预测，是工作，更是兴趣。一路走来，无论是在遥感新方法的开发上，或是在天空一体化观测数据的应用方面，还是在与大气和地球系统模式的联合研究中，无一不显示出这位科研工作者稳健的步调和分秒必争的节奏。
　　无云雨不成天气。云雨的形成离不开悬浮在大气中的微米和亚微米尺度的细小颗粒物，它们就是大气气溶胶。李锐指出，对天气和气候的预测过程中隐藏着许多不确定因素，其中气溶胶间接效应是最大的“麻烦制造者”之一。正是它们，作为云凝结核或冰凝结核，显著影响着云的光反射率、粒径大小、降水效率、辐射加热、潜热释放等，进而影响地球气候系统的能量平衡（即气溶胶间接效应）。可是当气溶胶影响云和降水的多种不同机制混合在一起时，其对云和降水的“抑制”或“增强”效应会相互增益或抵消；更为关键的是，云的自然动力学变率总是和气溶胶间接效应混在一起，难以区分。这样一来，单单利用卫星观测，结果的可信度会大大降低。
　　为此，李锐决定综合卫星遥感观测、和高时空分辨率的大气数值模式，对气溶胶间接效应进行更深层次的探索。“我打算将多卫星平台、多通道传感器和云解析模式、辐射传输模式耦合起来进行研究。”有了研究目标，问题也会接踵而至：一旦对降水类型、雨顶高度、30/40dBZ最大雷达回波强度等卫星可观测参数进行限定，在无/低气溶胶条件下，降水垂直廓线会有怎样的自然变率呢？
　　变数大、结果未知，李锐面临的研究难度可想而知。为了确保万无一失，他决定先打实基础。为此，他从理论角度出发，定量研究了云的自然变率对气溶胶间接效应的干扰，从而获取对研究云的自然变率定量估计参数化行之有效的方法，进而提高量化气溶胶间接效应的精度。“但在目前，仪器技术水平以及遥感理论和方法都很有限，我们的方法在实际观测中能否真实反映气溶胶间接效应，还需时间来验证。”李锐说道。
　　此外，气溶胶对降水及其潜热的垂直结构也有至关重要的影响。早在2011年，李锐就开始了对降水潜热的研究，他定量研究了气溶胶对雨顶高度、低、中、高层降水率廓线的垂直梯度、地表降水强度以及潜热和辐射加热的影响。“通过获得的观测结果，可以用来衡量其对大气能量平衡的影响。”与此同时，李锐提到，近来潜热廓线反演方法的研究热潮逐渐兴起。“我们也赶上热潮，划用这种方法估算在有无气溶胶的条件下，降水云的潜热垂直分布有何不同。”据悉，李锐做出的努力，有望会在气溶胶间接效应对大气运动的热动力效应研究方面，打开一扇新的研究大门。
　　

守护绿水青山

　　“绿水青山就是金山银山”，然而中国的环境污染问题已成为限制中国经济进一步发展的重大瓶颈之一。为了解决这一问题，首先要厘清大气各种污染物的时空分布及其在大气中的传输、发展、清除等过程。而这些离不开先进的大气污染探测技术。
　　虽然地基的污染检测设备具有精确度高的优点，但同时存在空间代表性差、易受人为因素干扰等严重缺陷，特别是仅靠地面观测不可能覆盖广大区域的所有污染源。而在这方面，卫星遥感恰恰可以弥补地基观测的不足。
　　利用先进的卫星遥感技术、以及在气溶胶—云—降水方面的工作经验，李锐和他的团队迅速在卫星遥感中国大气污染领域走出一条新路。他们详细分析2005—2014年中国地区气溶胶光学厚度、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、甲醛（HCHO）等重要污染物的时空分布，同时研究了不同地区大气颗粒物中NO2和SO2的比例，结果发现在中国绝大部分地区, AOD与NO2和SO2空间分布存在显著正相关(>95%信度), 说明NO2和SO2通过形成二次气溶胶而显著影响总气溶胶浓度。另外，在黑吉辽、晋鲁豫、川渝黔等城市化程度相对较低的区域, 大气气溶胶仍是以硫酸盐性为主、NO2的贡献相对较小; 而在京津冀、江浙沪、广东等现代化都市群附近,气溶胶是以硫酸盐/硝酸盐混合性为主.该研究说明，城市化的发展改变了地区大气污染物的形成机制，因而，政府相应的管、控政策与方法也应因地制宜，有所侧重。
　　“我们正在把越来越多的卫星遥感技术用于守护我们的绿水青山。”李锐告诉记者，不仅仅限于大气污染，他们的团队正在利用多光谱遥感技术检测、研究巢湖、太湖等大型水体的蓝藻污染，希望为这些重要水体的综合治理贡献自己的力量。
　　

微波对地遥感的多重应用

　　MLSE，也就是陆地表微波比辐射率，如果用通俗的话来解释，就是地表发射的微波辐射与具有同一热力温度的理想黑体发射之比。MLSE究竟有什么神通广大之处呢？据李锐介绍，MLSE是卫星遥感土壤湿度、积雪、植被含水量的主要信号源，同时也是被动微波遥感陆面降水至关重要的背景参量。但MLSE的稳定性却不理想，天气变化会对其产生影响，尤其是云和降水对MLSE的改变甚为显著，而且这种改变会随着下垫面的不同而不同。
　　“目前，国际上对MLSE—云—降水的关系研究少之又少，而且往往缺少系统性。”李锐表示。一分耕耘，一分收获，他在国家自然科学基金项目“卫星观测研究中国陆地表微波比辐射率对云和降水的动态响应”中，针对三方面展开研究。
　　其一，针对中国陆地表MLSE卫星反演算法，李锐指出现有的MLSE反演算法内核，没有考虑到冰云对上行微波亮温的影响，大的液态云粒子对微波的散射效应更没有包含在其中。为了对反演精度进行改进并给予验证，李锐引入新的微波辐射传输模式，打算对大气和云对微波吸收、散射效应来个“全面诊断”。“该新办法可以使冰粒子对散射效应的计算精度有大幅度提高，可以更进一步减小模式误差。”李锐说道。
　　他还提到，云具有三维不均匀性，这种特性对反演是否会有影响呢？为了找到谜底，李锐抛弃固有研究方法，根据MODIS的反演和对云的相态的认定，利用改进后的微波辐射传输模式及非球形冰云粒子微波特性的计算结果，重新计算各种相态云对上行微波亮温的影响；再结合WRF模式的模拟结果，从而给出相应云的垂直结构信息，也就是前面提到的云水垂直廓线。除此之外，李锐还分别对晴空像素、水云像素、冰云像素、混合云像素计算，并利用各像素的相对水平位置，通过相应的微波天线响应函数对各像素取权重，获得了微波视场内平均的上行微波亮温。
　　其二，在李锐看来，理论终归还是要走向实践。为此，他针对不同时空分辨率，着手建立了多年轨道级MLSE产品、格点化（分辨率为0.25°）MLSE 产品（Level 3级）以及格点化（分辨率为1°）月平均MLSE（Level 3级）这3种产品。“这3种产品对气候研究会产生巨大的帮助。”李锐介绍道。目前，他们已经把该方法应用于多个方面，例如，计算中国和东亚地区森林的水汽蒸腾速率、估算中国东北和华南森林的VOC排放率、建立火灾发生频率、火灾强度与森林含水量之间的关系等。
　　其三，针对中国陆地表MLSE对云和降水的动态响应特征，李锐提出要研究云、降水对MLSE的影响，并希望进一步建立MLSE对云和降水响应的动态模型，最终使其得到应用。“我们要在详细的统计基础上，对MLSE对云和降水响应的量化关系进行归纳总结，再建立相应的动态模型。”该研究会为将来发展陆地被动式微波物理反演降水提供一定的研究基础。
　　科研如同登山，向上攀登的同时，会收获风景也会遇到各种艰难险阻，但对李锐来说，有困难、有挑战正是科研赋予他的人生真谛。目前，他已逐步建立起一支国际化、成梯队的研究团队，计划在卫星遥感、模式模拟、地基观测等领域，一步一个脚印，逐步攀登一座座高山。