鐵塔之下的大氣科研
——大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

北京地區(qū)盛行西北風(fēng)，為了更好地獲取代表性的氣象觀測資料，相關(guān)部門于1979年在北京西北角的上風(fēng)方向——海淀區(qū)北三環(huán)馬甸橋北，北土城西路健德門橋的西南角，建成了一座高達(dá)325米、亞洲第一的氣象塔。作為中國科學(xué)院大氣物理研究所的基礎(chǔ)科研設(shè)備之一，這座氣象塔可以為研究城市大氣污染和大氣邊界層物理提供高質(zhì)量的觀測資料，為北京市乃至全國提供服務(wù)。依托于中國科學(xué)院大氣物理研究所的大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry，英文縮寫LAPC，以下簡稱“實(shí)驗(yàn)室”）就坐落在氣象塔下的小院內(nèi)，固定人員80余人。實(shí)驗(yàn)室于1988年利用世界銀行貸款籌建，1991年經(jīng)中國科學(xué)院批準(zhǔn)正式成立并對(duì)外開放；1995年通過國家計(jì)委驗(yàn)收；2000年、2005年、2010年、2015年通過國家的4次評(píng)估，成績良好。

堅(jiān)持交叉學(xué)科優(yōu)勢進(jìn)行全鏈條布局

大氣邊界層是指離地球表面約1000～2000米高度的低層大氣。它是地圈、水圈、冰雪圈、生物圈與大氣圈間物質(zhì)、能量交換的界面和關(guān)鍵區(qū)域，對(duì)氣候和環(huán)境的變化有極為重要的影響。人類的日?；顒?dòng)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及普通軍事活動(dòng)均集中在該層，工程活動(dòng)如航空航天、高層建筑設(shè)計(jì)、風(fēng)能和太陽能利用等也與大氣邊界層密切相關(guān)。大氣邊界層一直是國內(nèi)外大氣科學(xué)的前沿研究領(lǐng)域之一。

大氣邊界層物理是研究在大氣邊界層中所發(fā)生的物理現(xiàn)象的學(xué)科，是大氣科學(xué)的一個(gè)重要分支。邊界層的大氣，既受氣壓梯度力、科里奧利力的湍流粘性力的作用，又受地面摩擦作用和由輻射引起的溫度分布不均勻性的影響，運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，具有渦旋和可壓縮流體的湍流特征。大氣邊界層物理是建立在大氣湍流理論基礎(chǔ)上的學(xué)科。大氣化學(xué)是研究大氣組成和化學(xué)過程的學(xué)科，是大氣科學(xué)的一個(gè)重要分支，涉及氣象、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生態(tài)、計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科。研究對(duì)象包括大氣微量氣體、氣溶膠、大氣放射性物質(zhì)和降水等；研究空間范圍涵蓋對(duì)流層和平流層，水平尺度從城市、區(qū)域到全球；研究時(shí)間尺度從幾天到幾年，以至幾十年；研究手段包括現(xiàn)場觀測、實(shí)驗(yàn)室模擬和數(shù)值模擬等。

中國科學(xué)院大氣物理研究所325米北京氣象塔園區(qū)

實(shí)驗(yàn)室定位于低層大氣中物理和化學(xué)過程的基礎(chǔ)研究，面向國際學(xué)科前沿和國家重大需求，堅(jiān)持觀測實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合，引領(lǐng)我國大氣邊界層物理和大氣化學(xué)學(xué)科發(fā)展與交叉。實(shí)驗(yàn)室致力于培養(yǎng)杰出人才，建設(shè)優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)，在大氣邊界層基礎(chǔ)理論、大氣污染成因與模擬預(yù)測、地球生物化學(xué)循環(huán)關(guān)鍵過程、大氣化學(xué)過程與氣候變化相互影響等關(guān)鍵研究領(lǐng)域，開展關(guān)鍵性、前瞻性的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，成為該領(lǐng)域代表國家水平、具有國際影響力的一流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)目標(biāo)，是促進(jìn)大氣邊界層物理和大氣化學(xué)學(xué)科發(fā)展并推動(dòng)人才培養(yǎng)和應(yīng)用研發(fā)；在大氣邊界層物理、地氣交換與碳氮循環(huán)、大氣化學(xué)及氣候變化等研究領(lǐng)域，做出國際上有重要影響的基礎(chǔ)研究和基礎(chǔ)性工作；在大氣環(huán)境與大氣污染預(yù)報(bào)等應(yīng)用基礎(chǔ)研究方向，為我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展作出重大貢獻(xiàn)，為國家氣候和環(huán)境外交提供關(guān)鍵科技支撐。

30年來，實(shí)驗(yàn)室始終堅(jiān)持學(xué)科交叉優(yōu)勢，充分利用多種研究手段，形成了三大主要研究方向：大氣邊界層物理與探測、大氣化學(xué)與大氣環(huán)境、地氣交換與碳氮循環(huán)。

大氣邊界層物理與探測主要研究復(fù)雜下墊面湍流相干結(jié)構(gòu)和邊界層陣風(fēng)機(jī)制，非均勻下墊面大氣邊界層結(jié)構(gòu)和交換過程，典型生態(tài)系統(tǒng)地-氣湍流物質(zhì)、能量交換規(guī)律及特征，海洋大氣邊界層物理過程，大氣邊界層過程參數(shù)化及其模式應(yīng)用，特大城市大氣邊界層理化結(jié)構(gòu)探測與模擬。

大氣化學(xué)與大氣環(huán)境是大氣邊界層物理和大氣化學(xué)聯(lián)網(wǎng)觀測與系統(tǒng)集成研究，包含二次有機(jī)氣溶膠來源解析技術(shù)，區(qū)域大氣復(fù)合污染的形成機(jī)制、輸送過程與演變機(jī)理，空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式研制和多模式集合預(yù)報(bào)方法，突發(fā)性大氣污染風(fēng)險(xiǎn)場模擬預(yù)報(bào)技術(shù)及移動(dòng)平臺(tái)研制。

地氣交換與碳氮循環(huán)專注溫室氣體濃度及界面交換通量觀測技術(shù)，溫帶半干旱、高寒草甸草原和青藏高原物質(zhì)與能量交換，溫帶林地碳氮過程和界面物質(zhì)能量交換通量特征及環(huán)境變化響應(yīng)，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程模型自主研制與應(yīng)用。

除此之外，實(shí)驗(yàn)室也是國內(nèi)唯一一家從微觀到宏觀全鏈條布局的大氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，小到湍流，大到全球大氣輸送，從分子尺度到全球尺度，進(jìn)行全面廣泛的研究布局，盡力確保每個(gè)研究方向都有人做。這些年，經(jīng)費(fèi)狀況、需求狀況不斷變化，但是實(shí)驗(yàn)室頂住壓力，給予各個(gè)研究方向穩(wěn)定支持，讓科研人員能夠安心坐冷板凳，無后顧之憂。

建設(shè)觀測研究網(wǎng)支撐多學(xué)科發(fā)展

實(shí)驗(yàn)室長期致力于建設(shè)運(yùn)行國家/區(qū)域尺度的大氣邊界層物理和大氣化學(xué)觀測研究網(wǎng)，獲取大規(guī)模、多層面、長時(shí)間和系統(tǒng)性的聯(lián)網(wǎng)觀測資料，支撐實(shí)驗(yàn)室圍繞主攻方向開展系統(tǒng)綜合集成研究，為國家解決環(huán)境污染、氣候變化和生態(tài)影響等重大問題提供科技支撐。持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和長期的數(shù)據(jù)積累，驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室引領(lǐng)大氣邊界層物理和大氣化學(xué)學(xué)科發(fā)展和交叉，同時(shí)也為其他相關(guān)學(xué)科發(fā)展提供了大量的實(shí)驗(yàn)觀測資料。

在國家尺度聯(lián)網(wǎng)觀測研究上，實(shí)驗(yàn)室形成了CERN氣象輻射聯(lián)網(wǎng)觀測研究，建立和發(fā)展了中國科學(xué)院區(qū)域大氣本底觀測網(wǎng)（CAS-GAW），進(jìn)行了中國區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性地基聯(lián)網(wǎng)觀測研究，建立了中國大氣氣溶膠化學(xué)成分觀測網(wǎng)（CARE-China）。

中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）是與美國長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)（LTER）、英國環(huán)境變化網(wǎng)絡(luò)（ECN）齊名的三大國家網(wǎng)絡(luò)之一，實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)CERN氣象輻射觀測網(wǎng)（MROS）的建設(shè)和運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了標(biāo)定核心技術(shù)方法，研制了新一代生態(tài)系統(tǒng)氣象輻射觀測標(biāo)定技術(shù)平臺(tái)，支撐了觀測網(wǎng)（45站）第二次更新改造。系列技術(shù)方法創(chuàng)新與地理資源所、中國環(huán)境科學(xué)院、南京土壤研究所等單位共同獲2011年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。此外，實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國科學(xué)院5家單位，在中國科學(xué)院的支持下，2005年在東北長白山、西北阜康、華北興隆、西南貢嘎山和華南鼎湖山建成中國科學(xué)院區(qū)域大氣本底觀測網(wǎng)（CASGAW）。實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新了溫室氣體、化學(xué)活性氣體和氣溶膠觀測技術(shù)方法，獲得3項(xiàng)國家發(fā)明專利和5項(xiàng)實(shí)用新型專利，因?yàn)橥怀龅某晒?，?shí)驗(yàn)室2011年與安徽光機(jī)所等單位共獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

在區(qū)域尺度聯(lián)網(wǎng)觀測研究上，在國家領(lǐng)導(dǎo)人和中國科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的直接批示下，實(shí)驗(yàn)室于2007年北京奧運(yùn)會(huì)前期，作為首席科學(xué)家單位參與組織中國科學(xué)院“北京大氣環(huán)境監(jiān)測行動(dòng)計(jì)劃”，建立“北京及周邊地區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)”；2008年得到中國科學(xué)院和北京市的共同資助，觀測網(wǎng)升級(jí)為“北京及周邊地區(qū)奧運(yùn)大氣環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警網(wǎng)”，為北京實(shí)現(xiàn)“綠色奧運(yùn)”的夢想作出了重要貢獻(xiàn)；2009年—2011年，實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)北京市科委課題，建立“北京及近周邊大氣復(fù)合污染綜合立體監(jiān)測網(wǎng)”；實(shí)驗(yàn)室建立了“京津冀大氣霾污染溯源觀測網(wǎng)”和“區(qū)域大氣污染物沉降通量觀測網(wǎng)”。系列區(qū)域聯(lián)網(wǎng)觀測研究取得系列亮點(diǎn)研究成果。

為了能夠凝聚人心，實(shí)驗(yàn)室從2011年起，實(shí)行“研究員大會(huì)”制度進(jìn)行決策：針對(duì)制度的事項(xiàng)，采取實(shí)名投票；針對(duì)個(gè)人的事項(xiàng)，則實(shí)行匿名投票。不僅如此，每個(gè)研究員還均有機(jī)會(huì)當(dāng)選大會(huì)的輪值主席，每人為期3個(gè)月。由此，人人都能夠站在全室的高度和他人的角度去思考和決策，從而團(tuán)結(jié)隊(duì)伍，并始終圍繞國家需求展開科研工作。如今，風(fēng)雨兼程30年，鐵塔之下的幽靜小院，仍然不忘初心，默默堅(jiān)守大氣科研。