引言
大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的直徑在10-3~102 μm的固體和液體微粒組成的多相體系()，作為地球-大氣系統的重要組成部分，氣溶膠以直接輻射強迫和間接輻射強迫的方式影響著氣候環境(；)。IPCC第五次評估報告指出，氣溶膠和云仍然是對氣候變化影響不確定性中的主要驅動因子，氣溶膠與輻射以及氣溶膠與云互相作用產生的輻射強迫對氣候系統的冷卻效應是未來特別需要研究的方向之一()。氣溶膠的種類繁多，復雜多變，不同種類的氣溶膠之間相互作用又可以形成新種類的氣溶膠()；氣溶膠的壽命相對較短，其物理化學特性的時空分布很不均勻，各地的氣溶膠特征有各自特性()。因此開展氣溶膠地基觀測在研究各地氣溶膠光學理化特性、衛星反演氣溶膠光學厚度和數據定標驗證、氣溶膠對云和降水過程影響模式研究等方面都極其重要(;)。
目前國際上有世界氣象組織(WMO)的GAW大氣觀測計劃()和AERONET氣溶膠自動觀測網開展氣溶膠地基觀測。GAW中國區域包括瓦里關(站)、臨安站、上甸子站、龍鳳山站、北京站、昆明站、南極中山站、香港鶴咀站和京士柏站；AERONET中國西北地區站點包括敦煌站、張掖站、民勤站、景泰站和蘭大站(SACOL)。由建成的多波段氣溶膠觀測網絡(CAeroNet)主要用于研究中國北方的大陸性氣溶膠和沙塵氣溶膠()。另外，廣州熱帶海洋氣象研究所近年來通過地基觀測開展了珠江三角洲城市群的大氣灰霾科學試驗()，大氣物理研究所近年對北京及周邊地區開展了地基大氣環境污染綜合觀測()。
陜西省西安市作為西北地區大的城市，人口密集、工業產業集中，關中地區的地形特點不利于污染物的擴散，近年來頻發的霧-霾事件給生產生活帶來了極大的不便。目前已經建成并使用的地基氣溶膠觀測網里沒有西安站，對于研究該地區氣溶膠理化特性有很大的局限性。秦嶺大氣科學實驗基地位置恰恰位于西安這個大城市與農村過渡帶區域，在該地區開展地面氣溶膠物理特性、大氣垂直梯度、太陽輻射以及天空狀況的觀測對于研究本地區氣溶膠大氣物理化學過程和大氣邊界層結果相互作用，全面認知區域霧-霾污染形成的機制和衛星資料的驗證具有重要意義。
秦嶺大氣科學試驗基地氣溶膠實驗室是陜西省“十二五”重點實驗室之一，主要圍繞氣溶膠觀測、數據分析、資料反演，開展氣溶膠光學、物理特性研究，利用太陽輻射觀測、氣象觀測探討氣溶膠的輻射效應、氣候效應等。為進一步發揮數據效益，實驗室組織開發了秦嶺大氣科學試驗基地氣溶膠綜合觀測平臺。
本文詳細闡述了秦嶺大氣科學試驗基地氣溶膠和輻射綜合觀測數據的收集、遠程傳輸、質量控制及產品反演等功能的實現，觀測結果以網頁的形式呈現，為相關部門提供業務數據支撐。
1 綜合觀測介紹
秦嶺大氣科學試驗基地位于陜西省西安市長安區黃良鎮，北距西安市中心15 km，南距秦嶺12 km，占地面積46.3畝(1畝≈666.7 m2)。氣溶膠、太陽輻射觀測包括微脈沖激光雷達(micro pulse laser radar, MPL)、空氣動力學粒徑譜儀(aerodynamic particle sizer spectrometers, APS3321)、掃描電遷移率粒徑譜儀(scanning mobility particle sizer Model 3034, SMPS)、濁度儀(integrating nephelometer Model 3563, NEPH)、三波段粒子吸收儀(3λ-particle soot/absorption photometer, PSAP)、多濾波旋轉遮光帶輻射計(multi filter rotating light radiation meter, MFR)、太陽短波輻射表(solar shortwave radiation meter, CMP21、PSP)、黑白總輻射(black & white pyranometer, B&W)、紅外長波輻射表(precision infrared radiometer, PIR)、紫外輻射表(total ultraviolet radiometer, TUVR)、光合有效輻射表(photosynthetic active raditionmeter, PAR)、直接輻射表(normal incidence pyheliometer, NIP)、全天空成像儀(total sky imager, TSI-880)。同時觀測場內擁有風廓線雷達，自動氣象觀測站，能實時獲得風、溫、壓、濕、降水等氣象觀測資料。
綜合觀測由倉房和觀測場兩部分組成(和)。微脈沖激光雷達(MPL-4)用于測量527 nm波長處的氣溶膠垂直消光系數，反演得到大氣邊界層高度和云邊界層的演變，觀測頻率為1次/min；空氣動力學直徑粒子譜儀(APS 3321)主要用于測量0.5~20 μm范圍內的顆粒物譜分布特征(包括質量濃度、數濃度和體積濃度)，觀測頻率為1次/10 min；掃描電遷移率粒徑譜儀(SMPS 3936)用于測量10~487 nm范圍內的顆粒物譜分布特征(包括質量濃度、數濃度和體積濃度)，觀測頻率為1次/10 min；CMP21型短波輻射計用于測量285~2800 nm太陽輻射中的短波輻射，觀測頻率為1次/min；B&W 8-48型黑白總輻射表用于測量310~2800 nm太陽短波輻射，觀測頻率為1次/min；紫外輻射表(TU-VR)用于觀測295~385 nm太陽輻射中的紫外輻射，觀測頻率為1次/min；PAR-LITE型光合有效輻射計用于測量400~700 nm范圍內光合有效輻射，觀測頻率為1次/min；由Epply公司生產的直接輻射表(NIP)用于測量200~4000 nm太陽直接輻射，觀測頻率為1次/min；PSP型短波輻射表可以獲取310~2800 nm范圍的太陽短波輻射，觀測頻率為1次/min；紅外輻射表(PIR)用于測量780~4000 nm紅外長波輻射，觀測頻率為1次/min；TSI-880型全天空成像儀在太陽高度角>10°時開展對天空狀況、云量的觀測，獲取可見光范圍內天空圖像，觀測頻率為30 min/次；MFR-7多濾波旋轉遮光輻射儀測量415、500、615、673、870和940 nm六種寬波段內太陽光譜輻照的總量、散射和直接輻射，用于開展對水汽、氣溶膠光學厚度和臭氧等方面的研究大氣數據測量系統，觀測頻率為1 min/次；積分濁度儀(NEPH)用于測量450、550和700 nm波段氣溶膠總光散射系數和后向散射系數，觀測頻率為1次/10 min；三波段粒子吸收儀(PSAP)用于測量470、522和660 nm波段氣溶膠的吸收系數，觀測頻率為1次/10 min。
圖 1 觀測艙儀器布局Fig. 1 Instrument layout of aerosol laboratory
圖 2 太陽輻射觀測場布局Fig. 2 Instrument layout of observation field
利用上述儀器開展24 h全天候連續觀測，觀測數據通過原廠數據存儲卡、超級終端、自帶軟件/數據庫等多種形式存儲在本地數據終端上。每個儀器采樣頻率和完成周期所需時間各不相同，單日獲取的觀測數據和相應的儀器工作狀態數據總量超過百兆。搭建一個綜合處理平臺，實現對不同類型的觀測數據的科學管理、合理利用是一個亟待解決的問題。
2 平臺設計
集硬件觀測、軟件管理于一體的綜合設計方案是平臺設計的目標()大氣數據測量系統，其包含硬件觀測(Ⅰ)、業務化運行監控(Ⅱ)和大氣環境產品反演(Ⅲ)三部分；實現氣溶膠與輻射觀測獲取的各項原始數據，實現野外觀測數據傳輸-質量控制-產品反演-數據查詢等功能，供陜西省局域網內部相關業務單位使用。
圖 3 秦嶺大氣科學試驗基地氣溶膠綜合觀測數據平臺設計Fig. 3 Design of aerosol comprehensive observation platform of Qinling Mountains atmospheric science experimental base
平臺設計需要解決的具體問題有：(1)太陽輻射表所使用的CR3000采集器、MPL軟件、MFR超級終端等都需要人工手動操作鏈接實現觀測數據從存儲卡到工作機的下載；(2)如何讀取不同方式存儲的數據，如不同太陽輻射表、MFR采集數據需要人工操作下載到數據終端上；輻射表數據、SMPS、APS和NEPH觀測的數據始終追記在同一個文件中，遠程傳輸時需要解決數據是否會重復上傳或不同來源數據占用通道的問題；(3)MPL、SMPS、APS和NEPH完成一次采樣過程分別需要耗時30 s、3 min、20 s和1 min，采樣周期最短可以設置為每分鐘1次，采樣周期內禁止任何后臺程序訪問存儲文件，如何在采樣周期的間隙完成新數據的提取、打包、傳輸等任務成為一個難點；(4)不同儀器獲取的數據文件格式不同，需要自主編程讀取數據并反演計算。
2.1 數據采集網
(1) 虛擬機器人程序
程序員開發虛擬機器人程序，按預定設計要求自動執行數據采集、處理、存儲任務，模擬人工操作的各個步驟實現無人值守、自動采集、智慧處理功能。具體包括：虛擬機器手代替人工，解決CMP21、TUVR等輻射表在原廠設置中需要手工點擊軟件操作界面上的“collection”鍵，以便從CR3000存儲卡上讀取數據并存入輻射觀測數據終端Table文件中的操作過程；虛擬機器人按照設置時間自動連接MFR、PSAP儀器的超級終端完成下載數據功能。
(2) 分時處理與計劃任務
程序員編寫調用數據庫數據程序，自動獲取TSI數據庫中包括txt格式文檔和jpg格式圖片等觀測結果；自主編程的后臺程序按照提前設定好的時間在MPL、SMPS、APS、NEPH兩次采樣周期的空檔訪問數據存儲文件，避免后臺程序訪問存儲文件過程對儀器出廠設置無法更改的軟件進行定時采樣分析造成的干擾；為每臺數據終端編寫獨立的文件過濾器，用于后臺自動檢查來自存儲卡/采集軟件/遠程終端獲取的前一個上傳節點后的數據文件(每小時數據更新一次)；制定逐日循環節目表，啟用Windows系統中計劃任務調度各種儀器的數據采集程序，通過編排節目表與系統分時功能，分配時間表，結合現有處理機資源與多任務協作，避免各儀器數據處理沖突。
(3) 網絡傳輸
通過內網、無線WIFI、3G/4G網絡實現原始數據從采集器到數據終端的自動傳輸；再利用氣象內網傳輸網絡與FTP安全認證，以文件形式將每小時采集的原始數據上傳至省局服務器；工作機通過內網調用服務器原始數據進行計算反演，反演產品也通過內網平臺發布。
(4) 集中存儲
建立秦嶺實驗基地氣溶膠/輻射數據庫，對原始數據與處理中間結果和產品等進行分類存儲。集中存儲包括結構化數據，采集文件和圖像等非結構化數據。數據內容包括MFR原始數據(.xmd格式)、輻射原始數據(.txt格式)、APS原始數據(.A21格式)、SMPS原始數據(.S34格式)、MPL原始數據(.mpl格式)、NEPH原始數據(.dat格式)、PSAP原始數據(.txt格式)。原始數據經過反演得到的氣溶膠、太陽輻射產品被推送到網頁上，發布的同時也回傳至服務器存儲，網頁發布產品以.txt和.jpg格式為主。
2.2 數據質量控制
原始數據在野外觀測工作機上備份以后，通過FTP傳輸到省局服務器后數據進行二次備份。入庫后數據將進行質量控制。
(1) 初級質量控制：在觀測場的每臺數據終端都裝有Teamview軟件方便工作人員在辦公地點可以通過遠程桌面對野外觀測場儀器的工作狀態進行實施監控。同時利用觀測經驗、儀器工作狀態參數(樣氣流量、狀態參數等)對觀測結果進行初級質量控制。例如：APS中狀態參數為0 0000四組0000中出現別的數據即判斷為不可用數據，在后續處理中會自動剔除；太陽短波輻射、紫外輻射在太陽高度角低于3°時觀測數據為0，若此時出現非0數據，在后續處理中會自動默認為無效數據。
(2) 閾值質量控制：根據理論依據、理想狀態判定和文獻參考設置質量控制閾值。例如：CMP21與B&W同為測量太陽短波總輻射的儀器，當兩表觀測數據做相關性檢驗其相關系數(R)≥0.99時，說明CMP21和B&W觀測數據有效，即可以入庫保存；理論上到達大氣層頂的太陽紫外輻射占太陽短波總輻射的7%左右，在進入大氣層后由于臭氧吸收、氣溶膠散射、吸收造成的衰減導致實際到達地表的紫外輻射占到地表接收到的太陽總輻射的3%左右，按照該理論分析TUVR與CMP21(或B&W)的比值，即可判定TUVR觀測數據的有效性。
2.3 自主編程和產品反演
工作機通過內網訪問省局服務器后臺下載數據，然后利用自主研發處理程序對經過質量檢驗的數據進行反演計算。分析結果分兩部分：觀測結果中已經是成熟產品的部分保存成圖像，并發布到網站產品目錄，供用戶網頁瀏覽；觀測結果中數據部分輸出成約定文件，保存到本地路徑。隨后根據約定的產品反演程序計算相關物理量后保存結果文件在數據庫中，然后進行繪圖，并保存圖像文件，通過FTP上傳到省局服務器，提供產品服務。研究和業務人員可以直接調用已經反演好的產品或者原始數據，開展有針對性的分析與研究。
以激光雷達為例，工作機逢整點15 min通過后臺服務程序下載上時次.MPL格式文件，5 min后機器人程序(逢整點20 min)操作MPL程序對原始文件進行自動處理；處理結果分兩部分：(1)觀測部分保存成圖像，并發布到網站產品目錄，供用戶網頁瀏覽。(2)數據部分輸出成約定文件，機器人程序啟動計算程序，調用MPL數據，計算大氣邊界層高度并保存結果文件；入庫程序將數據文件保存入庫；機器人程序將入庫數據實時繪制成大氣邊界層高度24 h(前24 h)演變折線圖，并且保存為圖像文件，FTP上傳到省局服務器并推送至網站，供局域網用戶使用。每小時執行一個循環。
2.4 數據查詢
陜西省局域網用戶可以通過“秦嶺大氣科學實驗基地氣溶膠實驗室綜合觀測平臺”網頁圖，獲得氣溶膠觀測系統觀測反演得到的產品。具體功能如下：
激光雷達：以圖、表形式給出的由激光雷達觀測數據反演得到的邊界層高度24 h(前一日)演變折線圖，每小時(整點)觀測站上空邊界層高度數值。
空氣動力學粒徑譜儀：以圖、表的形式給出最近24 h氣溶膠粒子數濃度、表面積濃度、質量濃度和粒徑隨時間變化的演變折線圖，以表格形式給出的最近24小時數濃度、表面積濃度、質量濃度和粒徑逐小時數據。
掃描電遷移率粒徑譜儀：以圖、表的形式給出最近24 h氣溶膠粒子數濃度、表面積濃度、質量濃度和粒徑隨時間變化的演變折線圖，以表格形式給出的最近24 h數濃度、表面積濃度、質量濃度和粒徑逐小時數據。
積分濁度儀：分別以圖、表的形式給出前一天(24 h)各波段(450、550、700 nm)逐小時散射系數及相對濕度演變圖和數據；
輻射表：分別以圖、表的形式給出太陽短波輻射、紫外輻射、紅外長波輻射、光合有效輻射、直射輻射隨時間變化演變折線圖和逐小時瞬時值；
多濾波旋轉遮光帶輻射儀：按照總輻射(總波段、415.8、497.0、612.9、672.1、869.6、937.4 nm)、散射輻射(總波段、415.8、497.0、612.9、672.1、869.6、937.4 nm)和直接輻射(總波段、415.8、497.0、612.9、672.1、869.6、937.4 nm)的分類，分別給出不同時刻不同波段的輻射強度，可根據需要自由選擇設定好的波段對應的數據。
全天空成像儀：用戶可以根據需要在時間表上選擇.jpg格式的天空狀況圖和反演的天空云量圖。
吸收儀：分別以圖、表的形式給出前一日(24 h)各波段(470、522、660 nm)逐小時吸收系數演變圖和數據。
3 結論與討論
(1) “秦嶺大氣科學實驗基地氣溶膠綜合觀測數據平臺”具有自動收集數據、打包整合、分時處理、遠程傳輸、人工交互質量檢驗入庫、常規產品自行運算、反演結果實時發布等特點。目前已經在陜西省內網上正常運行，為環境氣象研究與業務提供了豐富的數據基礎。
(2) 平臺建設過程中建立多種數字通訊傳輸方式，實現觀測儀器集成式的自動化管理；通過大量觀測分析給出質量控制模塊的監測內容以及合理值的閾值，實現觀測數據質量控制；利用虛擬機器人程序實現了數據采集補錄、自動調用分析軟件/程序反演產品等功能，實現通過網站與共享方式實時提供服務功能。
(3) 平臺建設中虛擬機器人實現自動采集智慧處理功能和分時處理計劃任務是本平臺實施中尤其關鍵的技術，其確保數據采集量的有效性和傳輸的暢通性，在綜合數據采集網構成中具有重要意義。
(4) 平臺涉及數據收集、傳輸、處理等眾多節點，維護工作量大，在實際操作中需要梳理好每一個環節，進一步優化。野外綜合觀測受到外部條件變化的干擾較多，有必要在觀測的過程中進一步積累經驗、精細閾值，實現對數據的質量控制及入庫的全自動化處理，提高質量檢驗效率。
(5) 平臺建設中的經驗：前期準備應了解每臺儀器的工作環境要求和性能特點，避免不同儀器運行時的相互干擾；安裝規劃時合理分配各儀器氣路流量、數據傳輸網絡連接方式、后備電源等；安裝調試階段根據每臺儀器運行要求制定日常維護保養手冊，規范觀測流程，確保觀測數據的準確性；儀器調試完成后總體規劃數據傳輸、顯示和應用功能，提高觀測數據對科研和業務工作的保障效率。特別注意儀器改裝、后期維護和校準方面，以免造成觀測數據質量不高，甚至觀測數據無效情況的出現。
