中国科学院大气物理研究所
Institute of Atmospheric Physics (IAP), Chinese Academy of Sciences (CAS)
大气边界层物理和大气化学国家重点实验室
State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry (LAPC)

大气边界层物理和大气化学的结合

观测站网

实验室长期致力于建设运行国家/区域尺度的大气边界层物理和大气化学观测研究网,获取大规模、多层面、长时间和系统性的联网观测资料,支撑实验室围绕主攻方向开展系统综合集成研究,为国家解决环境污染、气候变化和生态影响等重大问题提供科技支撑。持续的技术创新和长期的数据积累,驱动实验室引领大气边界层物理和大气化学学科发展和交叉,同时也为其他相关学科发展提供了大量的实验观测资料。


1. 国家尺度联网观测研究

1.1 CERN气象辐射联网观测研究

中国生态系统研究网络(CERN)是与美国长期生态研究网络(LTER)、英国环境变化网络(ECN)齐名的3大国家网络之一,本实验室负责CERN气象辐射观测网(MROS)的建设和运行,MROS始建于1989年,到1998年建成并开始运行,支撑着CERN近四分之一的长期业务观测工作。实验室发展了标定核心技术方法,研制了新一代生态系统气象辐射观测标定技术平台,支撑了观测网(45站)第二次更新改造。系列技术方法创新与地理资源所、中国环境科学院、南京土壤研究所等单位共同获2011年国家科技进步二等奖(王跃思排名第三)。

利用近10年联网观测资料研究发现,我国紫外辐射(UV)长期时空变化对气溶胶和地表反射率变化的敏感性高于臭氧和大气可降水量,晴空时气溶胶对UV衰减9-41%,衰减率取决于AOD的大小,细颗粒物占比高则衰减率大。我国UV衰减率最大值出现在长江中下游,北京、鄂尔多斯和太湖地区气溶胶对UV的衰减率呈现单峰季节变化,其余各站呈双峰变化(Hu et al., AR, 2010);创建的晴空指数重构UV参数化方法,弥补了UV气候学研究中缺乏长期连续观测数据的缺陷。研究发现,北京90年代UV辐射强度最低,之后逐渐上升,到21世纪出现一个相对平稳期(Hu et al., Tellus B, 2010)。同行评议认为“简易而高精度的全天候紫外辐射重构方法,在生态系统过程研究中的各种生态类型的生长动态与产量模拟方面具有重要意义”;武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室使用本实验室提供的研究方法和数据,两年内合作发表12篇高水平SCI论文,对UV衰减的研究结果得到“国际气候学杂志”副主编Ian McKendry教授的认可,他认为这一发现“填补了亚洲区域此研究的不足,对于全球辐射平衡研究具有重要意义。”


1.2 中国科学院区域大气本底观测网(CAS-GAW)

实验室联合院内五家单位,在中国科学院的支持下,2005年在东北长白山、西北阜康、华北兴隆、西南贡嘎山和华南鼎湖山建成中国科学院区域大气本底观测网(CAS-GAW)。这是中科院一项以长期基础性研究为主的全国范围联网观测研究项目,以参与世界气象组织全球大气监测计划(GAW),对未来大气成分的变化起着早期预警、监视的作用,将长期、稳定、连续地获取全球基准大气本底/区域大气本底监测资料,为集成研究、综合评价、早期预测大气成分变化,进而研究对气候变化的影响提供科学数据集。

实验室创新了温室气体、化学活性气体和气溶胶观测技术方法,获得3项国家发明专利(孙扬等,ZL 201110314550.7)和5项实用新型专利,支撑完成了观测网技术升级改造,增设了PM2.5、气溶胶化学组分和AOD观测,成为中科院“碳专项”温室气体全国联网观测基准站,实现了5个区域大气本底站为基准的全国温室气体联网观测,观测资料通过国家综合地球观测数据共享平台 定时向外发布。可为现有模式模拟提供校验数据,也可为我国发射碳卫星的观测提供连续准确的地基数据集。为此,实验室2011年与安徽光机所等单位共获国家科技进步二等奖(王跃思排名第二,孙扬排名第十)。


1.3 中国区域气溶胶光学特性地基联网观测研究

我国缺乏卫星观测大气气溶胶光学厚度(AOD)的高技术,国家尺度AOD数据常常受制于人,短期内难以改变。2004年,实验室建立了“中国区域太阳分光光度计地基观测网-CHSNET”,并一直提供国家尺度联网观测数据至今。本评估期内,实验室对CHSNET观测网仪器和标定方法进行了全面更新升级,现已有36个联网观测站点。利用近10年观测数据的分析研究,揭示出我国区域背景气溶胶光学与辐射特性时空变化特征,构建出我国气溶胶光学特性与颗粒物浓度及成分间的关系(Wang et al., JGR, 2011;Xin et al., AE, 2011),实现了对国内外多颗卫星气溶胶产品(MODIS、MISR、HJ-1、GF-1、FY-3)在中国区域AOD反演结果精度的追踪评估,为国内外多个气候/环境模型(RegCM3、RAMS-CMAQ、MATCH、GEOS-Chem、WRF-Chem、NAQPMS、NICAM、GOCART、AeroCom等模式)的气溶胶模拟提供验证数据。观测网原创性工作已与国内外22家科研机构50多名研究者开展数据共享与合作研究,正在成为气溶胶模型模拟与卫星遥感反演研究之间的重要衔接纽带,为减小我国气溶胶辐射特性研究的不确定性做出了有价值的贡献。本项研究工作已累计发表22篇SCI论文,并被大量引用(累计IF大于70,被SCI论文引用超过330)。如佐证材料4在JGR发表2年半已被SCI引用19次。


1.4 建立中国大气气溶胶化学成分观测网-“CARE-China” 

在多个国家尺度观测网提供技术支撑的条件下,实验室2011年承担中科院战略先导专项(碳专项)课题“中国气溶胶组分和浓度的时空分布地面联网观测研究”,主要依托CERN观测站点,联合6家科研单位,建成了“中国大气气溶胶理化特性观测网”,简称“CARE-China”。该网采用统一仪器设备、统一实验标准和统一数据规范,系统展开气溶胶及其前体物联网观测研究;获取中国典型区域PM2.5、PM10和TSP连续质量浓度谱;分9个粒径段的气溶胶化学成分谱,包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机碳(包括OC和SOA)、黑碳、海盐和矿尘等7类/100种以上的化学成分谱(Tian et al., JHM, 2014);气态污染物(SO2、NOx、O3、VOCs和CO)的时空分布和季节变化规律。获得分粒径段的中国区域气溶胶化学组成及浓度变化时空分布联网观测数据集,为我国及亚洲气溶胶气候效应模式模拟的不确定性研究提供更加详实的系统实测比对数据;为国家/区域尺度气溶胶及前体物协同减排措施的制定和实施效果评估提供科学依据;为国际卫星大气气溶胶光学特性观测反演结果和发展我国的环境卫星技术提供地基校验平台。“CARE-China”的成果得到国内外同行的认可,观测研究方法论文被美国气象学会会刊接受,并已在网络发表(BAMS,IF=11.57;Jinyuan Xin; Yuesi Wang, Yuepeng Pan et al, Bulletin of the American Meteorological Society2014, DOI: BAMS-D-14-00039.1)。


2. 区域尺度联网观测研究

在国家领导人和中科院领导的直接批示下,实验室于2007年北京奥运会前期,作为首席科学家单位参与组织中国科学院“北京大气环境监测行动计划”,建立“北京及周边地区大气环境监测网”;2008年得到中科院和北京市的共同资助,观测网升级为 “北京及周边地区奥运大气环境监测和预警网”,为北京实现“绿色奥运”的梦想做出了重要贡献(Xin et al., CSB, 2010);跨上次和本次评估期的2009-2011年,承担北京市科委课题,建立“北京及近周边大气复合污染综合立体监测网”;实验室建立了“京津冀大气霾污染溯源观测网”和“区域大气污染物沉降通量观测网”。系列区域联网观测研究,取得系列亮点研究成果。


2.1 京津冀大气臭氧联网观测

跨上次和本次评估期,实验室建立“北京及近周边大气复合污染综合立体监测网”。共计建立31个国际标准空气质量监测站(其中6个高塔子站)的地面监测网,结合地面遥测、高塔观测和卫星数据反演,共同组成了示范性“北京及周边地区天-空-地一体化区域大气污染立体监测网”。通过监测网实时提供的数据,结合天气形势,对重点污染物臭氧、细粒子设定超标警戒,对可能出现的严重污染天预警提供基础数据,为预测预报模式提供第一时间初始场和验证资料。利用观测网络数据,分析了京津冀区域大气臭氧变化的周末效应,阐明了大气臭氧的时空分布特征,讨论了时空分布特征与气象要素及前体物排放的关系,证明了大气臭氧污染的区域传输特征和协同减排的重要性,并提出了区域臭氧消减控制策略。研究成果发表在国际知名杂志ACP上(Tang et al., ACP, 2012; Wang et al., ACP, 2014)。同行评议认为 “该文章对华北区域光化学污染进行了全面深入的研究,观测数据和研究方法对快速发展的华北区域的大气污染控制极具参考价值”。作为基础论据解释了“华北区域对流层臭氧近年来的变化趋势”(Fu et al., 2014, Tellus-B)和“香港地区臭氧变化”(Guo et al., 2013, ACP)。佐证材料9被美国NCAR著名大气化学家S. Madronich 认为,“研究数据对于大气对流层臭氧研究有很好的时空覆盖性......弥补了该研究区域的空白”。本工作直接支持了北京市环保局编制《北京市2013-2017年清洁空气行动计划》等重要工作,推动了京津冀一体化大气污染源头治理政策制定及总体规划出台。


2.2 京津冀大气霾污染溯源联网观测研究

2012年10月,中科院启动“大气灰霾追因与控制”战略先导专项,实验室王跃思研究员任第二项目“大气灰霾溯源”首席科学家。实验室迅速协同合作单位科研人员在京津冀、长三角和珠三角建立了3个区域大气霾污染物理化学特性观测网,并将京津冀观测网作为重点,逐渐升级为“天-空-地”一体化大气霾污染观测网(20个站点)。

观测网首先在2013年1月席卷我国中东部地区的大面积强霾污染监测研究过程中起到了重要作用,根据实时观测结果的分析,及时向上级部门和公众媒体发布了北京强霾污染形成的复杂原因,并对污染物的来源进行了合理解析。对该次强霾污染的研究论文一经发表,就被国际著名学术刊物“PNAS”引用。论文揭示了在城市大气中,以汽车尾气排放为主的NOx催发了燃煤排放SO2向颗粒态硫酸盐的转化,是城市重霾污染“爆发”式形成和“长时间”保持的重要原因之一(Wang et al., SCES, 2014)。这一外场观测研究结果,迅速被“烟雾箱”实验证实,成果合作发表在“SCIENTIFIC REPORTS”上。为我国城市大气复合污染协同减排、区域污染源协同控制机制的提出和措施的制定提供了重要科学依据。

利用霾污染溯源观测网数据,实验室成员对PMF源解析模型进行了改进和发展。率先将PMF应用于解析颗粒物物理性质(数谱分布)、化学性质(组分及模态)以及气态前体物相耦合的归一化数据(Liu et al., AE, 2014),提高了模型解析能力以及解析结果的时间分辨率;利用AMS观测结果,将PMF应用于解析PM1中有机组分和无机组分统一合并的质谱信息,并发展了多元线性回归技术解析气溶胶质谱三维(3-D)粒径谱的新方法(Sun et al., ACP, 2012; Zhang et al., ACP, 2014)。其中,对2013年1月北京重污染研究的论文被ACP主编推荐为亮点文章刊登在杂志网页和EGU网站的“Journal Highlights”栏目;该论文还被推荐在“EGU newsletter”中报道,成为该季度ACP推荐重点阅读的4篇论文之一(共186篇文章)。

PM1对大气水平能见度影响占比超过80%,利用AMS实时在线观测结果分析,精确定量PM1的化学组成和比例,结合改进的IMPROVE方程,对2013年1月第五污染过程PM1各组分对光散射的贡献进行了计算,对应的有机物、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵对散射的贡献比例分别为54%,12%,24%和10%(论文已在2014年接受,2015年1月ACP发表:Atmos. Chem. Phys., 2015(15):3205-3215)。华盛顿大学David Covert 教授认为“该研究对于华北平原地区气溶胶光学和物理特性的研究是一个有价值的贡献”。

覆盖京津冀25万平方公里的“天-空-地”一体化大气霾污染观测网将持续运行,并正在通过“CERN生态气象辐射观测网”向全国拓展;霾污染溯源研究也正在全面展开。评估期内针对霾污染溯源研究已发表高水平SCI论文20余篇,对于京津冀区域重霾形成机制和来源解析,观测网综合研究结果已经趋向一致。即,京津冀重霾污染期间,人为化石燃料燃烧排放贡献>70%,对大气消光贡献>70%,其中,OC所占比重最高,但NOx为最为关键污染物。有关报告被国办采纳并批复。我国大气霾污染研究尚处于起步阶段,实验室“大气霾污染溯源联网观测研究”必将为我国今后5-20年大气霾污染防控治理做出重要科学贡献,并充分体现实验室在大气霾污染研究领域的先导作用。


2.3 区域大气污染物沉降通量联网观测研究

评估期内,实验室高度关注大气污染物的汇研究,在华北区域建立了包括10个站点的 “大气污染物沉降通量观测网”, 涵盖京津冀鲁典型城市群、工业区、农田、城郊和森林背景区域,采用统一技术规范,每年采集几千个样品,综合分析营养物质(碳、氮、硫和磷)和污染物(重金属和多环芳烃等)的干湿沉降量。3年连续观测研究发现,华北已成为我国乃至全球氮和硫等酸性物质沉降量最高区域之一,沉降量水平与欧美历史最高观测记录相当,2008-2010年,华北区域每平方公里每年平均大气氮和硫沉降量分别达到了6.1吨(Pan et al., ACP, 2012)和6.5吨(Pan et al., ACP, 2013),重金属铅的年均沉降量已达每平方公里14千克(Pan, Y. P. and Wang, Y. S,ACP,2015(15):951-972)。系列成果在ACP等国际著名刊物连续发表,下载量已突破13000次。同行评议认为“该研究在方法学上具有重要科学意义,观测数据对大气污染控制和生态学研究都极具参考价值”。研究结果被ACP、GCB、JGR、GRL、AE和EP等著名刊物发表的相关文章引作主要证据,北京大学方精云院士课题组引用本研究结果,认为“酸沉降是导致我国森林土壤酸化和草地土壤碳库降低的重要原因”。观测技术方法和数据被国内外多位科学家用于比对卫星观测及验证模型。


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