近期，西安理工大学华灯鑫教授科研团队在秦岭主峰太白山开展南北气流交汇观测试验，一束激光直上千米高空，精准捕捉冷暖气流“巅峰对决”，画面震撼。

　　太白山巅，冷暖气流激烈交锋，中国南北气候分界线的脉动清晰可感。华灯鑫团队将自主研制的激光雷达对准高空，以大气分子为探测介质，实现整层大气层24小时不间断、高时空分辨率精准探测。

　　近日，华商报大风新闻记者走进西安理工大学、泾河国家基本气象站，实地探访了激光雷达设备，并专访了西安理工大学激光雷达科研团队负责人、教授、博士生导师华灯鑫。

　　消息综述

　　太白山主峰南北气流交汇观测试验大获成功

　　近期，西安理工大学华灯鑫教授科研团队在秦岭主峰太白山开展南北气流交汇观测试验，非常成功。团队人员在山脚下发出激光光束，探测高度0-10公里的气象变化，同时在山顶实时实地观测气流变化。试验中，相关设备可以实现秒级响应，冷空气触碰雷达瞬间即可捕捉，为气象观测提供第一手数据；全程可视，清晰呈现温度波动、水汽汇聚、云海形成全过程；高度吻合，山上实地观测与山下雷达实时数据高度匹配。

　　华灯鑫教授介绍，对比传统探空气球每天仅2—3次、数据稀疏的局限，激光雷达打破空域管制与探测成本限制，可连续获取温度、湿度、风场、水凝物等关键参数，为分钟级精准预报筑牢底座，对航空飞行、无人机管控、城市应急、防灾减灾等场景至关重要。

　　“比如极端天气，观测数据可以为精确知道几点几分有强降雨提供数据支撑，为防灾减灾提供决策依据。再比如航空航天的飞行，可以优化航路设计，增加航班的正点率。当然，还有其他很多的应用场景。”华灯鑫教授介绍。

　　据了解，在气象保障一线，华灯鑫教授团队曾为第十四届全运会开幕式精准预判降水、为西安冬季雾霾防控提供10分钟级动态数据；与西安市气象局共建0—10公里立体探测网，气象监测精度提升15%，人工增雨作业条件识别准确率达92%，让空中“水库”精准“解渴”干旱地区。

　　在技术攻关前沿，团队成功研制全球首台可移动式全天时大气温湿度和上升速度探测激光雷达，攻克多项国际难题，拥有完全自主知识产权，获国内外专利40余项，发表高水平论文350余篇，推动我国激光雷达遥感技术跻身世界第一方阵。

　　华灯鑫教授介绍，“‘十四五’时期，我们国家率先打造了100多部业务化应用的激光雷达，设备已经完全可以做到国产化。激光雷达的产品进入气象部门的业务化应用，产生了很好的效果。‘十五五’期间，全国的天气雷达跟我们的激光雷达进行组网，形成精细化的气象剖面图，为未来气象预报提供更准确的数据。”

　　记者探访

　　泾河国家基本气象站“西安大气探测激光雷达”：城市大气的“立体CT扫描仪”

　　近日，华商报大风新闻记者走进西安理工大学，看到了在太白山开展气流观测试验所用的“云系降水潜力探测激光雷达”设备，走进这个“房子”，可以看到产生激光的仪器。“激光光束就是从这里打出的，打出后，从‘房顶’的这个窗口向外发出去。”华灯鑫教授介绍。

　　随后，华商报大风新闻记者走进泾河国家基本气象站，这里有“西安大气探测激光雷达”设备，它是西安理工大学与西安市气象局联合运行的项目，由西安理工大学华灯鑫教授团队负责研发、运维。

　　在设备“房子”里，华灯鑫教授介绍：“激光束从这个设备发出，打到空气中，收集回来的数据经过运算处理，最终在这个显示屏上显示。”记者看到，显示屏上的数据丰富、准确，有空中高度、时间、温度、湿度、空气质量等相关数据，数据以图像形式展示，一目了然。

　　华灯鑫教授说，这台设备可以理解为城市大气的“立体CT扫描仪”，它能垂直观测气溶胶、PM2.5等污染物的分布、扩散与输送，精准捕捉雾霾、沙尘等污染过程的生消演变，为大气污染溯源与治理提供数据支撑；可以反演大气边界层高度、风场、温度、湿度等参数，识别云高、云厚、云相态，甚至能辅助判断人工增雨作业条件，准确率可达92%；能通过监测低空风切变、湍流等，辅助识别雷暴、强对流天气，提升中小尺度灾害性天气的预警能力；能为西安及周边区域的大气环境研究、气候评估提供连续、高分辨率的观测数据。

　　它是怎么开展工作的呢？华灯鑫教授介绍，核心逻辑是“发射激光—接收回波—分析信号”，系统向大气发射特定波长的激光束（多为紫外、可见光、近红外波段），激光以光速向高空传播；激光在大气中传播时，会被空气分子、气溶胶颗粒、云滴等散射，部分信号会反向散射回雷达的望远镜接收系统；根据激光往返的时间，计算散射粒子的距离（即高度），通过分析回波的强度、光谱特征、偏振状态，反演气溶胶浓度、粒径、大气风场、温度湿度等参数，最终生成大气垂直剖面数据，实现从地面到高空的连续观测。“简单来说，它就像用激光给大气‘拍片子’，把看不见的空气污染物、气象变化，变成可量化、可追踪的三维数据，为城市大气环境管理和气象预报提供强有力的支撑。”

　　记者了解到，这台设备是西安理工大学团队打破国外垄断的国产自主技术成果，也是西安构建“地面—低空—高空”立体气象监测网的重要组成部分。

　　专访问答

　　什么是激光？激光雷达为什么要用激光？

　　华商报：先请您通俗易懂地介绍一下，激光雷达技术中，什么是激光？

　　华灯鑫教授：用通俗的话讲，激光雷达里的激光，就是一种亮度集中、传播方向一致的特殊光，和手电筒、太阳光本质一样，都是电磁波，但特性差别很大。普通光（灯光、阳光）是发散、杂乱的，光线四面八方跑，颜色、相位也不统一，但激光是受激辐射光，它的核心特点是方向性极强，光束几乎不扩散，能射很远还保持细束；亮度高、能量集中，单位面积光能量大；单色性好，波长统一，不会有杂色。

　　激光雷达为什么要用激光？原理和蝙蝠回声、声呐一模一样，只是把“声波”换成了光波，工作原理是，设备发射一束激光，激光碰到大气里的物质，散射光回来后，雷达会接收回波，通过回波的变化来监测空气中的温度、湿度等。再举一个例子，比如，自动驾驶汽车的激光雷达发射出眼睛不可见的一束激光，测出前面的障碍物距离，可以实现自动避障。总结一下，激光是一束又直、又纯、不发散的高能量定向光束。激光雷达是用激光当“尺子+眼睛”，不停发射、接收反射光，实时画出周围3D环境。

　　在太白山主峰做了一场什么样的科学实验？

　　华商报：很多网友看完咱们太白山的激光观测试验视频，都直呼“太震撼、太梦幻”，千米激光直上高空，像给秦岭装上了“天空摄像头”。您能不能用最通俗的话，给普通读者解释一下，这次我们在太白山主峰到底做了一场什么样的科学实验？

　　华灯鑫教授：这是针对一次寒潮来袭过程的科学验证，总体来说，就是利用激光与大气中物质相互作用，通过分析返回散射信号光获取温湿度、风等数据，依据脉冲激光返回信号时间确定高度。我们把激光打到高空，可以测出不同高度的温度变化、湿度变化、风的变化等，我们现在所用的设备，激光可以达到50公里的距离。原理是什么样呢？空气中有分子、粒子等，激光的光波是由各个光子组成的，它的波长很短，它的短到什么程度？波长比是头发丝的几十分之一。我们打出去一束激光，这个波长是固定的，会有很多新的波长产生，这些新的波长来自大气的分子、原子等。这个过程中，我们把新的波长收集起来，新的波长可能是温度产生，可能是水蒸气产生，把波长能量给转换过来以后，就可以得到我们想要的数据，包括温度、湿度等。根据不同高度回来的信号，我们就可以获得相应数据，比如1公里的高度比地表气温降了7度。这就是激光雷达的一个探测原理。

　　激光会影响飞机飞行吗？

　　华商报：激光打向天空后，会影响飞机飞行吗？

　　华灯鑫教授：这是属于气象、科研所用的大气探测激光雷达，功率非常低，远低于危险阈值。激光波束非定向照射飞机，随高度衰减，到9000–12000米巡航高度已极弱，低空（起降）也达不到干扰强度。另外，它可以测温湿度、风场、云、气溶胶，服务气象预报、防灾减灾、航空风切变、湍流预警等，所以不会影响民航飞机飞行，反而对航空安全有帮助。

　　为什么选择太白山主峰开展气流观测试验？

　　华商报：秦岭跨度非常大，我们为什么偏偏选择太白山主峰开展气流观测试验？这个海拔点位、地形优势，是其他秦岭区域替代不了的吗？

　　华灯鑫教授：秦岭（主峰太白山一带）是中国南北方地理分界线的核心区段，气候特征明显、丰富，西北方向的冷空气和南方来的暖湿空气，经常在秦岭高处交汇对接，所以对激光雷达探测的验证是一个很好的场景。太白山主峰海拔约3700米以上，海拔较高，我们的激光雷达可以从地表测到10公里的高度，便于山脚测量并结合景观验证数据。

　　在国际上属于首次提出并获得专利

　　华商报：这款激光雷达最大的厉害之处是什么？在相关领域中，在国内外处于什么地位？

　　华灯鑫教授：我2005年回国时，国内激光雷达刚起步，到现在，国内激光雷达已经大面积产业化，但是它的应用大多还停留在雾霾（颗粒物）PM2.5、PM10监测等。我们研发的这套系统，相关专家组认定，是国际首台云系降水潜力激光雷达，云系降水潜力的云水凝结量的算法，在国际上也是首次提出，并获得了国内发明专利，也获得了美国的发明专利，是国内唯一的一套设备。

　　可助力精准天气预报、人工影响天气等

　　华商报：这场看似浪漫的高空科学实验，对普通人的生活有哪些实实在在的用处？能不能精准助力陕西本地的天气预报、暴雨、大风等气象灾害预警？

　　华灯鑫教授：可服务国防、航空航天，也可以惠及民生，如助力精准天气预报、人工影响天气、雾霾及火灾监测等。陕西是个缺水、雨水分布不均匀的一个地方。我们这套设备可以解决的一个问题就是，我们对“人工影响天气”起到很大作用，我们这套设备可以精准地为这片云先做诊断，判断这片云有没有自然降雨的条件。

　　另外，这束激光可以从各个方向打出，可以对各个方向进行监测，所以可以监测雾霾。同时可以监测火情，卫星看到的都是明火，往往已经大面积烧起来，而火灾真正要预防，要从源头上预防，激光雷达手段，可以在冒烟的时候就监测到，从而避免火情蔓延。

　　技术瓶颈为白天探测受影响、设备娇贵

　　华商报：这项技术最大的难点在哪里？

　　华灯鑫教授：目前激光雷达最大的瓶颈就是白天探测的问题。因为激光的光谱波长，太阳光谱里边都有，激光遥感的波长与太阳的波长是重叠的，所以目前的技术更适合在晚上进行探测。目前，白天可以测到高度5公里的温度，这也是已经是国际前沿。还有一个难点，激光器是能产生激光的设备，但它比较娇贵，如何把它做得皮实一点，让大家都能买得起，从而实现设备量产。

　　有望助力解决关中平原的干旱问题

　　华商报：这项技术，能为秦岭生态保护、气候研究、水土涵养提供哪些关键支撑？

　　华灯鑫教授：未来期待把激光雷达技术在秦岭南北布设监测点，通过探测到的数据，可以研究秦岭对关中平原气候变化的影响，也可以探索南边水汽向关中平原输送的方法，从而解决陕西关中平原的干旱问题。秦岭是生物基因宝库，其中有未知空白领域，这项技术的可能性还是很大的，比如，可以对灾害性天气作出预警预报。

　　未来将探索产业化服务秦岭生态保护

　　华商报：对于这项技术，未来有哪些规划？

　　华灯鑫教授：激光遥感用于森林的火灾监测，目前已在相关地方进行了应用，实现了原理性的验证，未来要向这方面进行产业化。虽然这套设备现在已经可以实现24小时无人值守，但是体积还是有点大，所以我们现在正在探索如何将设备小型化的，从而能更好地产业化。另外，我们还计划服务秦岭生态保护，研究秦岭对关中气候变化影响，探索更多秦岭气象奥秘。

　　华灯鑫，西安理工大学激光雷达遥感中心负责人、二级教授、博士生导师，教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室主任，“仪器科学与技术”一级博士学科带头人，教育部首批“全国高校黄大年式教师团队”及陕西省首批“三秦学者”创新团队的负责人。主要从事激光遥感、光电测试技术及仪器等方面的研究。发表学术论文350余篇，获国内外授权发明专利50余项。先后主持国家自然科学基金委员会重大科研仪器研制项目、重点类仪器专项、国家重点基础研究发展计划（973计划）、以及科技部国际科技合作等项目。获省部级科学技术奖5项、国家教学成果奖二等奖与中国仪器仪表工程教学成果奖特等奖等。

华商报大风新闻记者 李明 任婷