气象测量仪

高山滑雪最高时速达248km/h，滑雪赛道也需要“塑胶跑道”“更快，更高，更强”是奥林匹克的口号，充分反映了奥林匹克运动所倡导的不断进取、永不满足的奋斗精神。奥运会纪录的频频打破，不但有运动员的刻苦训练，教练员的辛勤指导，科技尤其是对于运动场地的科技提升也扮演了重要的角色。就拿大家熟悉的田径运动场而言，最初的跑道是煤渣跑道（相信很多70后、80后的老伙伴们都跑过吧），后来改成了人工合成的塑胶跑道，与煤渣跑道相比，其弹性好，吸震能力好，为运动员的发挥和成绩的提高提供了物质基础。在1968年的墨西哥奥运会上，在首次使用的塑胶跑道赛场上创造了诸多的奥林匹克纪录。2022年中国北京即将举行冬季奥林匹克运动会，中国提出了“科技冬奥”的概念，中国冰雪运动必须走科技创新之路。高山滑雪比赛是冬季奥运会的重要组成部分，被誉为“冬奥会皇冠上的明珠“。高山滑雪的观赏性强，危险性大，比赛时运动员最高时速可达到248km/h。高山滑雪比赛均采用冰状雪赛道。什么是冰状雪？所谓冰状雪，是指滑雪场的雪质形态，其表面有一层薄的硬冰壳，用于减小赛道表面对于滑雪板的摩擦力。可以说冰状雪赛道就是高山滑雪项目的塑胶跑道，其制作的质量对提高运动员的成绩及滑雪的舒适感，保护运动员的身体，延长运动寿命有着十分重要的作用。看似简单的冰状雪赛道，制作起来却大有讲究。冰状雪的制作过程十分复杂，目前采用的是向雪地内部注水的方案。但是注水的强度和注水的时间把握需要根据不同的赛道地点以及当时注水时的气温进行相应的调节，以保证冰状雪赛道既有一定的强度，又有足够的弹性，使得运动员能够在高速的高山滑雪比赛中舒畅的进行滑降、回转等比赛项目。与田径场塑胶跑道不同的是，每次比赛每一个运动员在进行高山滑雪比赛时，由于技术动作的需要，都或多或少的会对冰状雪的赛道产生一定损伤，为了保证比赛的公平性，前后出发的滑雪运动员的赛道雪质状态需要保证一致，因此冰状雪赛道还需要有一定的厚度以及均匀性。研制新型冰状雪测量仪器，保障赛道质量既然冰状雪赛道有如此多的要求，那么过去是如何判断冰状雪赛道的雪质的呢?主要是采用人工判断的方法，即找一些有经验的裁判员用探针安装在电钻上进行触探工作，通过触探工作反馈的手感判断冰状雪赛道的建造质量。这种带有一定“盲盒”性质的判断工作往往会显得很不透明，也不利于这项运动的推广。助力2022北京冬奥会，依托科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项2020的“不同气候条件下冰状雪赛道制作关键技术”项目，中国科学院南京天文光学技术研究所南极团队和中国气象科学研究院共同合作研发了用于判断冰状雪赛道质量的冰雪粒径测量仪和冰雪硬度测量仪，其目的在于将冰状雪质量的人工主观判断，变成清晰可见的客观物理数据，通过对这些物理数据的科学分析，结合有经验的运动员的滑雪体验，掌握不同地点，不同天气条件下冰状雪赛道的制作方法。主要有如下两种仪器：冰雪粒径自动测量仪和冰雪硬度自动测量仪。积雪颗粒的形状及大小是影响雪的力学性质的主要因素，不同大小雪粒之间在自然状态下空隙不断变小，雪中含有的空气降低，使得雪粒间的化学键合力增强，从而影响雪的硬度。那么如何测量积雪的颗粒呢，科研人员采用漫散射原理：近红外光经过粗糙的表面会被无规律的向各个方向反射，会造成光强度减弱，光减弱的大小跟表面的粗糙相关，而积雪表面的粗糙程度是由粒径决定的。通过测量光减弱的比例间接的测量出冰雪的颗粒大小。冰雪粒径自动测量仪测量注水雪样雪的硬度测试是反映冰雪强度的重要指标之一，冰雪硬度测量仪的原理是通过电机带动滑轨驱动探头打入冰状雪赛道内部，并读取探头受到的反作用力的大小来判断冰雪的硬度条件。该方法的好处是可以做到基本无损的对赛道进行冰雪硬度的测量，不影响赛道的后续使用，并且可以通过读取力和冰状雪深度的曲线了解冰状雪赛道的均匀性。针对高山滑雪的赛场坡度较陡，人工攀爬十分困难，科研人员在仪器的便携性上做了特殊的设计，设计了一款折叠式的硬度测量仪，方便携带，可以从坡顶沿雪道一直测量到坡底，实现了仪器的“就地展开”和“指哪测哪”的功能。冰雪硬度测量仪现场工作照片2020年11月-2021年3月，抓住冬奥会举办前的最后一个冬季的机遇，在冬奥会举办地北京延庆、河北张家口以及黑龙江哈尔滨亚布力冬季体育训练基地对不同气候条件、不同注水强度的冰状雪赛道，使用研制的冰雪粒径自动测量仪和冰雪硬度自动测量仪进行了粒径及冰雪硬度测试，获得了不同深度冰雪粒径的变化图以及不同深度的冰雪硬度的曲线图。冰状雪赛道压强-深度关系图该项目的首席科学家，中科院西北研究院冰冻圈科学国家重点实验室副主任王飞腾研究员认为“雪粒径及硬度计等新型冰雪仪器的研究，将过去以人工经验为主的冰状雪赛道状态判断变为了客观、清晰的科学指标，为冰状雪赛道制作标准的透明化提供了参考依据”。项目攻关团队的带头人，国际冰冻圈科学协会副主席，中国气象科学研究院丁明虎研究员认为“雪粒径和硬度计的设计充分考虑了不同于自然雪的人工造雪的特殊情况，仪器在项目工作中表现优异，性能稳定，可靠性高。”未来将在南极天文台发挥作用冰雪强度、硬度的测量不仅可以应用于滑雪相关的体育运动中，在未来的极地工程建设上也能发挥作用。遥远的南极虽然不是适合人类居住的地方，但是却有着良好的天文观测条件。根据2020年在 Nature 上发表的一篇文章，证明昆仑站所在的冰穹A地区的光学天文观测条件优于已知的其他任何地面台址。这项研究成果确认了昆仑站有珍贵的天文观测台址资源，为我国进一步开展南极天文研究奠定了科学的基础。但是如何在南极地区安装大型望远镜又有很多实际的困难，其中之一就是普通的大型望远镜的基墩都是直接安装在地球的基岩上，这样基墩比较扎实稳固，能保证望远镜在观测时不会因为地基不稳产生晃动，但是冰穹A地区的冰大约有4000m那么厚，相当于1500层楼房那么高，如果再想将望远镜基墩打入基岩显然难以做到。那么大型望远镜如何能够平稳的伫立在南极浮动的冰盖上呢？这就需要科学家们对冰穹A地区的冰雪进行特殊的加固处理，使其能够满足基墩的设计要求。在加固处理完后，我们的雪粒径和硬度测量仪就可以对加固后的冰雪强度进行测量，通过科学的数据检验其是否能够满足南极大型望远镜的需求。

“室外的PM2.5浓度530μ g/m3，家里只有15μ g/m3，空气净化器效果很好。”北京的蔡女士一手拿着手机，上面显示的是北京市环境质量发布平台发布的北京空气中PM2.5浓度的最新数据 另一手拿着一台家用手持PM2.5测量仪，上面显示蔡女士家中PM2.5浓度的实时测量数值。“我们在购买空气净化器的同时，也在网上买了这款家用PM2.5测量仪，打开开关，显示屏上就能显示出家里空气中PM2.5的浓度，很方便。”　　2016年冬天，雾霾侵袭了包括北京在内的中国多座北方城市，使用方便、价格适中的各种家用PM2.5测量仪也成了很多消费者追捧的对象。那么，家用PM2.5测量仪测得到底准不准?我国目前PM2.5测量仪是否拥有统一的国家校准规范?　　测量仪进入寻常百姓家　　在淘宝网上输入“PM2.5测量仪”，可搜索出检查官、阿格瑞斯、汉王等品牌共100多件商品，价格从90多元到上千元不等。在各产品的网页上，“超高精度专业仪器”“实时精准检测”等各种宣传广告语很是吸引眼球。商家都将PM2.5测量作为卖点，有的还称自己的产品能同时测量PM2.5、PM10、甲醛、苯等各种空气污染物。中国质量报记者看到，“激光检测法”是多数测量仪采用的测量方法。例如，汉王霾表N1的网页介绍说，“采用PM2.5激光检测设备，精确度可以达到0.01μ g/m3”。阿格瑞斯的一款测量仪网页上写着：“激光传感器是新一代技术，检测更快，更精准，媲美气象局发布的数据。”但也有商家宣称产品采用的是“半导体技术，测量准确率达99.5%。”这些产品由于体积小、便于操作，数据实时显示、可视性强，得到不少网友的肯定。　　专业测量仪不用光散射法　　青岛众瑞智能仪器有限公司是一家专业研发生产高端环境监测仪器及安全检测仪器的高新技术企业。该公司生产的专业PM2.5测量仪运用在我国环保监测领域。公司高级工程师何春雷告诉记者，测量PM2.5的方法主要有3种：β 射线吸收法、微量振荡天平法和光散射法。“无论是国内还是国外的环保和气象部门，都只采用前两种方法的测量仪器，光散射法并未得到相关部门的权威认可。”据介绍，目前我国环保、气象监测部门都制定了各自的关于PM2.5测量仪的行业标准，对仪器的精度指标、技术参数、测试方法都做出了规定。何春雷透露，一台专业的PM2.5测量仪售价至少十几万元，甚至上百万元。　　2016年1月1日开始实施的《环境空气质量标准》，明确规定PM2.5测定的手工分析方法为重量法，自动分析方法为微量振荡天平法和β 射线法，而没有光散射法，也就是说，对专业的环保、气象测量来说，采用光散射法制造的仪器并不被认可。　　中国计量科学研究院纳米新材料研究所高级工程师张文阁解释，对PM2.5测量来说，不同的测量方法、不同的测量环境都会影响测量准确度。采用光散射法制成的家用PM2.5测量仪在测量准确度上肯定无法与专业的测量仪相比较。“由于光散射法本身的缺陷，导致这些仪器的测量精度很难保证。”张文阁认为，网上销售的家用PM2.5测量仪不属于专业测试仪器，只能大概测一个数据，对空气质量做一个暂定量测试或者作出一个趋势性判断，离PM2.5的概念相差太远。“只能将其作为衡量空气是干净还是被污染的一个大致参考。”　　专业校准规范有望今年出台　　早在几年前，中国计量科学研究院就开始进行PM2.5测量溯源性及计量标准装置研究。因为要想获得准确可靠的PM2.5数值，必须保障测量仪本身计量性能的可靠。张文阁说，“PM2.5测量方法与仪器型号很多，但不同原理不同厂家仪器测量结果相差很大，需要准确校准与溯源。”几年以来，张文阁带领的团队以国际通用的重量法为基础，建立了PM2.5质量浓度测量仪国家计量标准。该计量标准与代表欧盟PM2.5最高环保计量水平进行了国际比对，比对结果证明我国的PM2.5测量各项技术指标均达到了等效一致。　　“我们已经完成了《PM2.5质量浓度测量仪国家校准规范》的终审并已报批，规范有望2017年正式发布。”张文阁介绍，“我们正在进行PM2.5测量仪器在线校准方法和计量标准装置的研究，为提高国家PM2.5监测水平提供计量技术保障。”　　不过，张文阁解释，他们的研究都是为环保、气象部门专业的测量仪服务，而网上售卖的家用测量仪并不在他们的研究范围之内。

蒸散（Evapotranspiration）是地表水分循环和能量平衡中的重要组成部分，也被称为蒸散发，由地表水分蒸发和植物蒸腾耗水两部分组成。它在分析气候干燥度、评估水资源利用、管理草坪/作物灌溉以及研究区域生态环境变化（如荒漠化）等方面发挥着关键作用。蒸散的两个组分：地表蒸发和植物蒸腾（图源/Wikipedia）目前，有两种方法可用于获取蒸散数据：间接获取法和直接测量法。间接获取蒸散量的方法往往需要获取两个参数：作物系数和潜在/参考蒸散量，这无疑增加了数据估算的不确定性。涡度相关通量测量技术可用于直接测量地表蒸散量，但由于方法复杂性等原因，一直没有得到广泛应用。为解决这一问题，LI-COR公司开发了LI-710蒸散测量仪，该仪器基于得到广泛认可的涡度相关通量测量技术，可直接测量地表与大气之间的水汽交换通量，成为直接测量样地蒸散的理想选择。LI-710蒸散测量仪的主要特点可验证的精准度LI-710采用涡度相关通量测量技术，以10Hz的频率测量垂直方向上的风速和水汽浓度。通过成熟的涡度相关通量数据算法，每30分钟得到水汽通量数据和蒸散量。与传统涡度相关仪器采集的数据以及根据彭曼公式计算得到的潜在蒸散量数据相比，LI-710数据显示出很好的一致性（详见下图）。直接输出计算完毕的蒸散数据LI-710内嵌计算模块，直接输出计算完毕的蒸散数据，这使得用户无需花费额外时间和精力进行数据处理和分析。不仅如此，该模块的算法遵循成熟的涡度相关通量数据处理方法，确保了蒸散数据的准确性和可靠性。方便快捷的安装极简式设计，即连即用。这大大减少了用户的野外工作时间，降低了安装和操作的门槛，即便是非专业人士也能轻松上手。SDI12数据输出采用一根线缆输出数据，方便数据采集和集成到现有测量系统中。低功耗1.5w的低功耗设计，方便在野外部署。无需校准，维护量极低可方便地进行多点布设，无需校准和频繁维护。选择 LI-710 ，还是传统涡度相关通量测量系统？先看下面的对比表综上所述，如果您需要简便地获取蒸散量数据，LI-710 是更适合的选择；如果您需要同时获取CO2通量数据，或者对涡度相关数据有专业需求，传统涡度相关测量系统可能更适合您。应用案例（一）： 安装在US-PAS站点(美洲通量网）的LI-710 US-PAS站点(美洲通量网）位于佛罗里达坦帕东南的牧场上。站上配备了一套完整的LI-COR涡度相关通量观测仪器（以下简称EC）。Bracho-Garrillo是该站的首席调查员，同时也是佛罗里达大学的老师。他对LI-710蒸散传感器进行了测试。对比数据显示，LI-710和EC取得的蒸散结果一致性非常高。US-PAS站点的LI-710（左），右侧是LI-COR涡度相关通量测量系统Bracho-Garrillo表示：“LI-710布设起来非常容易，耗电少，不需要额外的电源配置，这对于野外台站来说太方便了。”他认为LI-710能有效指导人们进行灌溉管理。“人们习惯于使用作物系数来估算ET，因为不是实测，这会带来较大的误差。”他解释道，“LI-710能非常方便的实测ET，这是一个巨大的技术进步。”应用案例（二）：Land IQ 公司科学家们利用 LI-710 分析加州地区的农业需水Land IQ 公司总部位于加利福尼亚州首府萨克拉门托，是一家专注于提供农业科学咨询和遥感服务的企业。他们推出了Land IQ ET，这是一款基于数据驱动的实地用水模型，利用了来自80多个气象站的地面数据。Land IQ 公司的主要客户是当地的水资源管理部门，其中包括近40个地下水可持续发展机构（GSA）。这些机构监测着35-40种不同作物的蒸散量，总面积达300多万英亩，主要覆盖Stanislaus、Madera、Fresno、Tulare、Kings和Kern六个农业县。该公司的科学家Frank Anderson每月收集并分析来自气象站的数据，作为蒸散量ET模型的数据基础。他表示：“我们致力于为客户收集全面且准确的蒸散量数据。”自2022年11月以来，Land IQ公司已在其研究网络中安装了5套LI-710蒸散测量仪，这些新设备安装在现有气象站旁边。Anderson表示：“我们计划在不同覆盖类型的样地上部署LI-710，包括休耕地、开心果树林、杏树林、柑橘林和苜蓿地等。特别是对于苜蓿地，由于其需要定期插播，这使我们能够分析蒸散量数据的变化。”他们选择在蒸散量ET较低的时段安装LI-710。Anderson对LI-710采集的数据很满意，他说：“LI-710在蒸散量较低的情况下采集的数据可靠性很高。”在一家奶牛场旁的苜蓿样地上，他们安装的LI-710在高粉尘环境中运行。Anderson表示：“这是一个挑战，因为样地空气中存在氨、挥发性有机化合物和灰尘颗粒等。”为此，LI-COR公司开发了一个工具，可以帮助用户轻松更换过滤器。Anderson认为，LI-710的安装和维护非常简单。两个人花了不到一个小时就将LI-710安装到了现有的气象站系统中。他对LI-710采集的数据非常满意，表示：“我们的整个数学模型都需要建立在可靠的蒸散实测数据基础上。我们希望能够在更多地点部署LI-710并实现联网观测。”