任小波,王跃思.中国科学院区域大气本底观测研究网络现状及未来发展思考[J].中国科学院院刊,2009,(2):194-198,106.

中国科学院区域大气本底观测研究网络现状及未来发展思考

任小波
中国科学院资源环境科学与技术局


王跃思
中国科学院大气物理研究所

         大气本底;观测研究网络;未来发展

        中国科学院区域大气本底观测研究网络(Global Atmosphere Watch,CAS-GAW)立足于中科院中国生态系统研究网络(CERN)的创建与发展,已完成了5个区域大气本底观测站和一个联网观测质量控制与管理(QA/QC)中心的建设,创新完成CERN大气气溶胶光学特性地基观测网和中国陆地生态系统碳通量观测网络建设。CAS-GAW将建成国际标准的特色区域大气成分观测基地及环境、气候效应综合研究平台,继续主导和引领我国大气环境科学地基联网观测、理论研究、技术开发和应用示范,为大气科学以及相关科学研究提供基础数据,为国家应对气候变化和环境外交谈判等战略需求提供科学基础。

        　　工业革命以来,人口膨胀和经济增长伴随的矿物燃料大量使用、森林砍伐、生物质燃烧、土地利用变化等加剧了各种大气成分,尤其是具有明显辐射效应和化学活性微量成分的急剧变化,并由此引发了一系列大气环境问题,例如全球变暖、臭氧层破坏、酸性沉降加剧、空气质量下降、大气能见度降低等等。这些问题对当今人类社会和经济的可持续发展构成了巨大威胁,也是当前科技界和各国政府所面临的严峻挑战。为从科学上认识这些问题,并为制订有效的控制对策提供科学依据,多年来,国内外科技界和有关机构已开展了大量的与大气成分及其变化有关的科学研究和业务观测工作,建立了不同级别的大气本底观测站,开展大气成分及其相关要素的长期观测,为制订有效的控制对策提供科学依据。　

        　　上世纪70年代,世界气象组织(WMO)协调建设了背景大气本底污染监测网(BAPMoN),开始对温室气体、反应性气体、气溶胶、降水化学等进行观测。随着全球变化问题的日益突出,WMO又于1989年开始组建全球大气观测网(GAW),在全球范围内开展大气本底化学成分观测,经过近20年发展,已成为当前全球最大、功能最全的国际性大气成分监测网络,可对具有重要气候、环境、生态意义的大气成分进行长期、系统和精确的综合观测。目前已有60个国家近 400多个本底监测站(其中全球基准站24个)加入GAW网络,开展了大气中温室气体、气溶胶、臭氧、反应性微量气体、干??湿沉降化学、太阳辐射、持久性有机污染物和重金属、稳定和放射性同位素等的长期监测,共涉及200多种观测要素。美国、欧洲和加拿大等国家和地区分别建立了大气能见度保护联合会(IMPROVE)、环境监测与评价项目(EMAP)、加拿大大气与降水监测网(CAPMon)观测网络,关注诸如温室气体、气溶胶和臭氧等大气成分的变化。

         WMO于2006年和2007年陆续发布的三份全球温室气体公报,指出,大气中主要温室气体CO2、CH4和NO的浓度达到了历史最高水平。这一科学事实的主要依据是60多个国家陆续建立的200多个区域大气本底站(其中24个是全球大气本底台站)温室气体长期观测资料。其中,美国夏威夷Mauna Loa全球大气本底站自1957年开始观测的CO2浓度长期序列就是全球变化的重要证据之一。当前,国际上大气成分和大气化学的研究领域及内容不断扩展和深入、观测要素成倍增加,观测平台日益多样化、立体化,包括地基、海洋、船舶、探空、飞机和卫星遥感观测等。大气成分观测主要以在线连续观测为主,在典型气候、生态区和人类活动影响较大的主要经济区域开展气溶胶、温室气体、反应性气体、大气臭氧、降水化学等观测。

         我国在大气本底化学成分变化观测研究方面起步晚于西方发达国家。20世纪80年代,在原国家科委、中国气象局和中科院的支持下,我国曾建立了早期的中国大气本底观测网,观测站包括青藏高原瓦里关山、东北长白山、华北兴隆、华南鼎湖山和西南贡嘎山;同时,中国气象局建立了东北龙凤山、浙江临安和北京上甸子观测站。两个观测网均将瓦里关山观测站作为全球内陆大气本底基准观测站,其余站点作为区域大气本底观测站。随着WMO全球大气本底观测网的进一步扩大和发展,全球基准站已由22个扩增到24个,区域站在全球范围内增加了近百个。中国气象局在现有的1个全球大气本底监测站和3个区域大气本底监测站的基础上,在新疆、云南和湖北又建立了3个区域大气本底监测站;国家环保部也正在丽江、武夷山、神农架、五指山和长岛等地筹建区域大气本底观测站。

        　　2002年9月,中科院知识创新工程启动了“中国科学院野外台站网建设项目”。“大气本底观测网建设项目”作为其中子项目之一,确立了长白山、兴隆、鼎湖山、贡嘎山、阜康区域大气本底观测站的建设,采用国际通用的高精度大气本底观测仪器作为观测仪器。

         CAS-GAW建设总目标为:建成可观测主要温室气体(CO2、CH4、N2O、 CFCs)、臭氧(O3)和气溶胶等大气背景浓度的监测网,长期、持续、系统和有效地监测它们在大气中的浓度及变化趋势,并对全球C、N、S、P、O循环有重要影响的其它微量气体和干湿沉降中的重要化学成分进行监测分析,为有关科学问题研究提供基础资料,为我国制定温室气体减排政策、区域环境与生态规划以及在国际气候与环境变化事务谈判中争取主动权提供科学依据。

         据此,CAS-GAW制定了近期和中长期建设目标。首先从CERN和特殊环境与灾害监测网络中选取4—5个站和1个中心(CERN大气分中心),按照国际GAW标准,建立5个区域本底观测站和1个仪器标定、数据质量控制、管理与服务中心(简称“中心”),启动并正常开展7类16项观测内容,即:①温室气体(包括CO2、CH4、N2O和CFCs);②臭氧(O3);③大气气溶胶光学厚度(AOD)和气溶胶化学成分;④太阳辐射、紫外辐射和气象参数;⑤大气沉降(湿沉降和干沉降量与化学成分);⑥大气化学活性气体(CO、S2O和氮氧化物);⑦其它成分(挥发性有机物(VOCs)、持久性有机污染物(POPs)等。

         CAS-GAW站点基本情况:

        　　(1)长白山站(127°42′E,41°41′N,海拔736m),周围环境为森林和零散居民区,在观测网中代表区域为我国东北地区,该站作为CERN重点站还承担着我国北温带森林生态系统碳收支观测研究。2004年7月建成,主管单位沈阳应用生态所。

        　　(2)兴隆站(117°30′E,40°24′N,海拔940m),周围环境为森林、零散居民区和小镇,代表区域为华北。2005年4月建成,主管单位国家天文台。

        　　(3)鼎湖山站(112°32 ′E,23°10′N,海拔100.5m),周围环境为森林、零散居民和小镇,代表区域为华东,该站作为CERN重点站同时还承担着我国亚热带森林生态系统碳收支观测任务。2005年1月建成,主管单位华南植物园。

        　　(4)贡嘎山站(102°00′E,29°33′N,海拔1 640m),周围环境为森林和零散居民,代表区域为西南。2004年5月建成,主管单位成都山地灾害与环境所。

        　　(5)阜康站(87°45′E,44°30′N,海拔461m),周围环境为荒漠、农田和零散居民,代表区域为西北。2005年8月建成,主管单位新疆生态与地理所。

        　　立足于CERN雄厚的科研基础和技术力量,深入开发和综合利用CAS-GAW监测功能和监测数据,本着优势互补、资源共享的宗旨,CAS-GAW建设承担单位大气物理所联合国内外多家高校和科研院所于2004年7月发起了中国区域背景大气气溶胶光学特性联网观测计划,建立了CERN大气气溶胶光学特性地基观测网。观测网包括19个CERN生态环境定位站、4个典型城市站以及河北香河与西藏拉萨2个长期标定站。观测网依托CERN大气科学分中心,采用新一代便携式4波段LED型太阳光度计进行同步联网观测,建立了Langley定标、传递定标、CIMEL对比校正和稳定性追踪等严格的仪器标定和数据质量控制体系,每年7、8月定时对观测网仪器进行统一标定,保证观测网的准确性和网络数据的有效性;制定了完善的地基联网观测技术、数据上传与质量控制技术及观测站点责任制管理体系。截至2007年8月,观测网已圆满完成3年观测任务,目前已与CAS-GAW并网运行。

        　　CAS-GAW的气象辐射要素观测依托于CERN生态气象辐射观测网。自2004年10月,大气分中心对CERN生态气象观测网的 37个气象辐射观测站的仪器进行了技术更新改造,并且每两年对观测仪器进行集中标定和现场比对观测,保证气象辐射观测仪器高质量运行。利用近40个站的观测数据分析得到了我国各个区域紫外辐射、光合有效辐射时空分布特征。2007年,大气分中心利用腔体表、太阳跟踪器建立了符合WMO标准的高精度总辐射仪器的标定系统和相应的标定规程,同期配套完成的“CERN气象辐射数据质控、存贮和共享平台”为CAS-GAW设置了数据接口,实现了CAS-GAW数据的网络发布和共享需求。CERN生态气象观测研究是CAS-GAW的坚实基础和成果来源之一,大气化学成分的变化是否会引起区域和全球气候与环境的变化有待于气象观测网长期连续观测证实。

        　　2001年,为应对温室气体诱发的全球环境问题,中科院启动了“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”重大项目,该项目在原有CERN的基础上,采用静态箱法和微气象法,建立了中国陆地生态系统碳通量观测网络(ChinaFlux)。其中,以静态箱/气相色谱法为主要观测手段的16个CERN台站分布全国,涵盖了农田、森林、草地、湿地、淡水湖泊等中国典型的陆地生态系统,从而形成了中国陆地生态系统温室气体观测网的雏形。各站点采用统一技术方案,配置统一采样设备、分析仪器,统一的数据格式和数据质控手段,对各种生态类型进行CO2、CH4和N2O排放通量的同步观测。通过对15个典型生态站点温室气体的浓度水平的摸底调研,为CAS-GAW的进一步发展和完善进行了颇具价值的前沿性探索。

        　　CAS-GAW顺利完成了第一期建设,包括5个区域大气本底观测站和QA/QC中心,实现了院知识创新工程二期建设目标;同期,观测网建设进一步拓展CERN网络的大气本底监测功能,创新完成CERN大气气溶胶光学特性地基观测网(CSHNET);并结合CERN生态气象辐射观测网和ChinaFlux的建设,对我国整个生态区域太阳分光辐射分布和大气本底区域温室气体浓度水平与变化进行了卓有成效的探索性研究。在观测网络建设过程中,总结了新形势下组织实施区域大气本底监测网络建设的成功经验,探索出一套符合我国国情和现阶段环境科学研究要求的科学管理模式和方法,培养了一支高素质的大气本底和大气环境观测队伍,实现了出成果、出经验、出人才的科学要求。

        　　CAS-GAW建设期间,2人获国家杰出青年基金;引进“百人计划”2名,其中1名已以优秀成果评估结题;10人获得博士学位,其中1人获中科院50篇优秀博士学位论文;6人获硕士学位。目前正在培养4位博士研究生,另有2名博士研究生通过学位论文答辩后被大气物理所聘为CAS-GAW管理高级工程师,继续负责大气本底站的建设与维护工作。

        　　(1)建立了CO2、NO、CH4、CFCs和CO气瓶采样和分析系统;(2)完成了大气本底观测数据集(序列)的整编工作;(3)建立了大气本底观测数据库管理系统;(4)完成了大气本底观测技术规程的编写、修订;(5)对大气本底观测资料进行了综合分析;(6)典型生态区域气溶胶光学特性的时空分布;(7)研究组已发表79篇学术论文,其中SCI 收录27篇,EI收录20篇,包括JGR 3篇、Atmospheric Chemistry and Physics Discussions 1篇、Atmospheric Environment 1篇、《科学通报》 2篇。上述成果得到国外专家的高度认可,有的文章发表不到1年,就被国内外学者引用10次以上。除此之外,其他有关观测资料和研究结果也在陆续发表之中,预计会得到更加广泛的认可和引用。

        　　本着监测??研究??示范的中科院野外站建站原则,继续高质量维持大气本底观测网运行,根据国内外大气环境监测研究发展趋势,拓展观测网监测功能、监测范围、自动化水平、科学研究及业务服务功能,积极参加国际合作和国际重大科学计划,实行合作建网、项目责任制和运行业务化相结合的高效管理模式,逐步建成开放的、国际标准的、综合研究应用型的区域大气本底监测网,使其成为我国开展温室气体、大气痕量气体、大气气溶胶、气象辐射要素乃至区域大气污染全面监测的长久性观测研究基地。CAS-GAW的进一步升级建设,将更高地提升我院大气成分综合观测与研究能力,进一步增强我院在区域环境变化和全球气候变化研究领域的引领地位,更加有效地提升我院资环领域科研创新和国际竞争能力,为我国政府制定相关决策、参与环境外交等提供宝贵的科学依据。

        　　面向国际科技前沿,以科研理论创新和技术创新为驱动力,采用合作建网、科研与业务相结合的管理模式,对我院现有大气本底观测网主体站点进行资源集中、研究集中、技术集中、多监测功能交叉的拓展建设;以科研带动网络发展,以长期联网观测数据寻找新的学科增长点,通过院知识创新工程的进一步投入,使其5个主体观测站点和QA/QC中心逐步达到能够进行国际示范的能力,把CAS-GAW及其衍生观测网络建成满足国家需求、功能齐全、技术先进、结构优化的研究型、开放式的综合大气监测研究网络。

        　　针对国家需求和科学前沿,以CERN野外定位站为基础支撑,以现有大气本底观测网及其衍生网络为牵引,在我国重点和典型地区进一步建设大气本底支撑性观测网站,在中东部地区逐渐发展以服务环境变化研究为主的观测网;在西北内陆地区则发展以服务于气候变化为主的观测网;在条件成熟时,考虑申请加入GAW,与国际组织共享观测数据、技术手段、管理模式。进一步加强三维探测能力,提高科研业务水平,拓展数据产品和数据服务能力,加强各类观测站网和中心标定/分析实验室的建设,加强科技支撑能力和技术人员培训等;进一步发展与卫星大气成分观测的比对技术,开发卫星定量遥感大气成分产品。通过10—15年的纵深发展,完成国家级大气成分分析研究中心和全国大气成分观测网体系建设,形成资源配置集中、多学科交叉、技术先进并与国际接轨的大气成分科研型业务观测与服务体系;起步于我国区域大气本底成分监测研究,放眼于全球大气成分变化、气候变化和环境变迁,发挥我国在全球变化研究中的关键地位,为国家应对气候变化和国际环境外交谈判等战略需求提供坚实的科学基础。

        　　致谢 大气物理研究所孙扬、辛金元、胡波和吉东升博士为本文撰写提供了大量原始资料,并对全文提出了有益的意见和建议,特此致谢。

         (相关图片请见封二)

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        　　任小波 男,中国科学院资源环境科学与技术局大气海洋科学处副处长,副研究员。1971年5月出生,籍贯四川。1999年获北京大学理学博士学位,2001年在中科院大气物理所完成博士后研究。主要研究全球及区域气候变化分析和数值模拟,季风区气候动力学,全球海洋环流研究和数值模拟。现从事大气科学和海洋科学科研管理以及中科院大气本底观测研究网络和近海海洋观测研究网络的管理工作。曾发表多篇大气科学和海洋科学的学术或管理论文。E-mail:xbren@cashq.ac.cn

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