從邊界層到中高層大氣的氣候環(huán)境綜合探測與科學研究

夏祥鰲 田玉芳 武云飛 楊靜 吉東生 張金強 張仁健 王普才 陳洪濱 郄秀書 呂達仁

1 華北香河氣候與環(huán)境綜合野外科學觀測研究站 廊坊 065400

2 中國科學院大氣物理研究所 北京 100029

工業(yè)革命以來，隨著社會生產(chǎn)力的大幅提高，人類活動向地球大氣排放的污染成分也大幅增加，嚴重影響了地球大氣的物理、化學和輻射性質(zhì)，導致了全球氣候和環(huán)境顯著變化。全球氣候變暖背景下極端天氣氣候事件的頻繁發(fā)生，也對經(jīng)濟社會和人民生命財產(chǎn)安全等產(chǎn)生了深遠影響。研究人員在代表性野外臺站采用先進觀測儀器設(shè)備，針對關(guān)鍵氣候環(huán)境要素開展長期連續(xù)高質(zhì)量探測，特別是針對復雜過程的集成探測，是深入理解人類活動氣候環(huán)境效應的重要基礎(chǔ)，將顯著促進對區(qū)域乃至全球氣候環(huán)境變化及影響的深入認識，服務(wù)國際經(jīng)濟社會發(fā)展，促進國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，對于氣象和氣候防災減災和國防安全都具有重要科學意義和社會價值。

中國科學院大氣物理研究所（以下簡稱“大氣所”）于1973年在河北省香河縣建立香河大氣綜合觀測試驗站，21世紀初加入中國科學院日地空間環(huán)境觀測網(wǎng)絡(luò)，成為中國科學院開放站，2020年更名為華北香河氣候與環(huán)境綜合野外科學觀測研究站（以下簡稱“香河站”）。建站初期，香河站主要以激光、毫米波測雨雷達和微波輻射計等高新大氣探測技術(shù)研發(fā)為工作重點。在20世紀70年代末香河站開始高空氣球的研發(fā)工作，現(xiàn)已具備研發(fā)定壓和超壓高空氣球能力，多次為重大活動提供保障服務(wù)。始于1979年的臭氧觀測，歷經(jīng)數(shù)代人的不懈努力延續(xù)至今，獲得了我國最長的臭氧總量觀測時間序列，加入世界臭氧和紫外輻射數(shù)據(jù)中心（WOUDC），為研究平流層臭氧耗損等科學問題提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。20世紀80 年代，香河站開展了甚高頻中高層大氣雷達（VHF/ST雷達）研發(fā)。21世紀以來，香河站相繼加入全球氣溶膠監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（AERONET）和國際基準地面輻射觀測網(wǎng)絡(luò)（BSRN），多次開展氣溶膠-云-輻射聯(lián)合觀測試驗和空氣質(zhì)量外場觀測試驗。經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，香河站已建成為從邊界層到中高層大氣多成分和多要素綜合觀測實驗基地，包括對流層-平流層-中間層（MST）雷達、高空氣球、GPS數(shù)字臭氧探空儀、Dobson/Brewer紫外光譜儀、中高層大氣放電探測系統(tǒng)、云-氣溶膠-輻射觀測系統(tǒng)等，并取得了一系列重要成果，在東亞中緯度地區(qū)大氣探測領(lǐng)域具有不可替代的作用，已成為在國內(nèi)外有知名度和顯示度的野外科學觀測研究站。

1 MST雷達連續(xù)探測獲取慣性重力波及湍流參數(shù)特征與分布的新認識

香河站MST雷達是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“子午工程”（以下簡稱“子午工程”）支持建設(shè)的大型核心設(shè)備之一。MST雷達利用大氣湍流等活動造成的大氣折射率不規(guī)則體對雷達發(fā)射電磁波的散射，實現(xiàn)對流層—下平流層（3—25 km）、中間層—低熱層（60—90 km 及以上）水平風、垂直速度、湍流等的全天時高時空分辨率（垂直分辨率≤150 m；時間分辨率≤30 min）連續(xù)探測，是探測研究全大氣層多尺度動力學（風場、波動、湍流等）特征、過程及大氣上下層耦合的獨特且重要的手段。

自2011 年起，MST 雷達為“子午工程”及中國科學院日地空間環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)提供高質(zhì)量連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，服務(wù)保障了多次航空航天探測任務(wù)，多次獲得“子午工程”個人和集體榮譽。在雷達探測能力驗證、反演算法發(fā)展改進、大氣重要參數(shù)提取算法研究，大氣重力波、湍流特征研究等方面取得了一批成果：① 通過與無線電探空及流星雷達數(shù)據(jù)比對分析，驗證了MST雷達在對流層-下平流層以及中間層-低熱層的探測能力與水平風場數(shù)據(jù)的可靠性[1,2]，與HWM07 模式、ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)月平均緯向風時空分布對比，均顯示MST 雷達對3—25 km 及65—100 km大氣水平風有很好的探測能力（圖1），可在大氣上下層動力耦合方面發(fā)揮作用。② 發(fā)展了2種功率譜數(shù)據(jù)反演算法，有效去除飛機雜波等的干擾，顯著提高了垂直速度、譜寬等反演精度[3]，構(gòu)建了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集，獲得授權(quán)專利1項[4]，發(fā)展的反演算法適用于相同探測原理的風廓線雷達。③ 發(fā)展了準確提取各采樣高度重力波參數(shù)的方法，獲得了對流層—下平流層慣性重力波參數(shù)特征與波源的新認識，該方法將MST雷達觀測到的重力波經(jīng)向擾動分解為能量上傳與下傳波動，使得研究結(jié)果更加嚴謹準確（圖2）。④ 基于改進的譜寬數(shù)據(jù)等，首次評估了國際常用湍流參數(shù)計算3種模型的適用性[5]，并首次獲得了我國大陸區(qū)域?qū)α鲗印缕搅鲗痈邥r空分辨率湍流耗散率與垂直湍流擴散系數(shù)[6]，時空剖面如圖3所示，為模式提供重要實測參數(shù)。

圖1 2012年香河站月平均緯向風時空分布圖Figure 1 Time-altitude distribution of monthly mean zonal wind in Xianghe station of 2012

圖2 2012年5月14—18日香河站MST雷達測得的重力波經(jīng)向擾動時空剖面圖Figure 2 Time-altitude sections of meridional wind fluctuations associated with gravity waves observed by MST radar in Xianghe station during 14-18 May 2012

圖3 2012—2014年香河站MST雷達測站上空對流層—下平流層湍流耗散率（a）與垂直湍流擴散系數(shù)的時空剖面（b）［6］Figure 3 Time-altitude distributions of turbulence energy dissipation rate (a) and vertical eddy diffusion coefficient (b) calculated using MST radar observations in troposphere and lower stratosphere over Xianghe station in 2012-2014[6]

香河站MST雷達維護和數(shù)據(jù)分析團隊從雷達原始數(shù)據(jù)處理、算法改進獲得的經(jīng)驗，以及在對大氣多尺度動力研究中提煉的科學問題，為“子午工程”二期青藏高原分系統(tǒng)在西藏羊八井MST雷達的優(yōu)化設(shè)計和數(shù)據(jù)應用提供了很好借鑒。香河站科研團隊充分結(jié)合科學研究與先進探測技術(shù)，確保從科學目標、探測模式、信號數(shù)據(jù)處理到應用研究多鏈條多層次的系統(tǒng)總體規(guī)劃與長期先進性，未來有望實現(xiàn)多MST 雷達組網(wǎng)共同觀測，為基礎(chǔ)前沿和應用問題的研究提供重要數(shù)據(jù)。

2 臭氧觀測揭示北半球中緯度地區(qū)臭氧年際和年代際變化特征

大氣臭氧含量是全球氣候和大氣環(huán)境研究中的重點關(guān)注對象。約10%的臭氧存在于對流層，是重要的溫室氣體和污染氣體；約90%的臭氧存在于平流層吸收太陽紫外輻射，是地球生態(tài)系統(tǒng)的保護傘，也直接影響平流層溫度層結(jié)，調(diào)節(jié)大氣環(huán)流和全球氣候。自然和人類活動導致的對流層和平流層臭氧變化備受關(guān)注。香河站開展的Dobson 臭氧總量觀測數(shù)據(jù)顯示：1984 年智利El Chichon 火山和1991 年菲律賓Pinatubo火山噴發(fā)的硫酸鹽氣溶膠通過化學過程影響了中緯度平流層臭氧濃度；20世紀90年代之前人為前體物氟利昂等物質(zhì)的排放導致中緯度地區(qū)臭氧的耗損[7]，此后香河站臭氧總量總體呈上升趨勢，而2010年以來臭氧總體水平呈下降趨勢（圖4）。

圖4 2001—2018年香河臭氧總量年均時間序列［9］Figure 4 Time series of annual column ozone content over Xianghe during 2001-2018[9]

香河站科研團隊自主研制了單池和雙池臭氧探空儀[8]，并利用該儀器開展了長達20 余年的觀測[9]，獲取了我國大陸地區(qū)目前唯一的長期臭氧廓線探測數(shù)據(jù)集。與Dobson臭氧儀測量的臭氧總量對比驗證了臭氧探空儀測量的可靠性（圖5）。基于臭氧廓線長期探測，結(jié)合數(shù)值模式，研究揭示了香河對流層臭氧變化趨勢，并量化了人類活動和自然過程的相對貢獻。2002—2010 年，香河對流層臭氧呈現(xiàn)明顯上升趨勢，特別是夏季對流層臭氧上升趨勢非常顯著，主要原因是對流層光化學生成，動力過程次之[10]。2013年實施主要污染物總量減排控制措施后，香河對流層臭氧呈現(xiàn)緩慢但不顯著的上升趨勢。

圖5 2001—2019年香河Dobson測量臭氧總量和臭氧探空儀柱總量月均值對比［9］Figure 5 Comparison of monthly average column ozone content over Xianghe from Dobson and ozonesonde measurements from 2001 to 2019 [9]

3 高建筑物上行閃電和中高層瞬態(tài)發(fā)光現(xiàn)象的始發(fā)機制研究

隨著城市的發(fā)展和清潔能源的使用，城市高樓、通訊塔、風力發(fā)電風車等高建筑物逐漸增多，自然界中的上行閃電也引起越來越多的關(guān)注。自2008年起，香河站就架設(shè)了閃電定位儀，通過多站組網(wǎng)，對發(fā)生在北京地區(qū)的閃電進行實時定位，并可以實現(xiàn)閃電通道的三維定位[11,12]。研究表明上行閃電通常由附近閃電活動所誘發(fā)，絕大多數(shù)是被正極性地閃誘發(fā)，特殊條件下也會自發(fā)產(chǎn)生上行閃電[13,14]，此外還取決于正地閃的云內(nèi)先導結(jié)構(gòu)，其中云閃始發(fā)型正地閃的“上正下負”的先導結(jié)構(gòu)有利于上行閃電的始發(fā)，當下層水平發(fā)展的負先導經(jīng)過高建筑時，容易誘發(fā)上行閃電（圖6）[15]。

圖6 一例觸發(fā)了上行閃電的正地閃定位結(jié)果［15］Figure 6 Location result of positive cloud-to-ground flash (+CG) that triggered bolt of tower-initiated upward lightning[15]

對流層雷暴不僅會產(chǎn)生云閃、自雷暴云向地面發(fā)展的地閃，而且還會在雷暴云上方產(chǎn)生瞬態(tài)發(fā)光現(xiàn)象（TLEs）。瞬態(tài)發(fā)光現(xiàn)象出現(xiàn)在雷暴云頂和低電離層之間，可以自雷暴云頂向上發(fā)展直達低電離層，穿過幾個大氣層，對各大氣層間的物質(zhì)能量交換有重要影響，是大氣和空間物理研究的重要前沿領(lǐng)域。研究高層大氣瞬態(tài)發(fā)光現(xiàn)象對于臨近空間的環(huán)境保障和開發(fā)利用也具有重要的應用價值。我國大陸高層大氣瞬態(tài)發(fā)光（稱為“紅色精靈”）形態(tài)主要包括胡蘿卜狀和圓柱狀，空間延伸在40—90 km 之間，持續(xù)時間通常為幾十ms[16,17]，絕大多數(shù)“紅色精靈”由對流層正地閃（將雷暴云內(nèi)正電荷轉(zhuǎn)移到地面）產(chǎn)生，負地閃產(chǎn)生的“紅色精靈”很少；研究發(fā)現(xiàn)不僅大峰值電流的負地閃（＞ 90 kA，大多數(shù)超過 100 kA）能產(chǎn)生“紅色精靈”，小峰值電流的負地閃在合適條件下也能產(chǎn)生“紅色精靈”[18]；對比研究發(fā)現(xiàn)，“紅色精靈”的多寡和與之對應的雷暴云內(nèi)粒子相態(tài)和垂直分布關(guān)系不明顯，沒有發(fā)現(xiàn)與“紅色精靈”相聯(lián)系的特殊特征，研究同時發(fā)現(xiàn)“紅色精靈”的發(fā)生伴隨著閃電頻數(shù)的下降[19,20]。

4 系統(tǒng)評估氣溶膠和云輻射效應，揭示華北大氣環(huán)境管控措施的輻射效應

氣溶膠是影響晴空地面輻射的主要參數(shù)。香河站科研團隊基于長期連續(xù)高質(zhì)量氣溶膠、云和輻射觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合輻射傳輸模式，在國內(nèi)首次分析了氣溶膠直接輻射效應（圖7），建立了輻射效應參數(shù)化方案，不僅考慮氣溶膠對太陽總輻射的影響，同時在國際上較早系統(tǒng)考慮了氣溶膠對散射輻射的影響[21,22]。

圖7 氣溶膠光學厚度與單次散射反照率與地面太陽輻射關(guān)系圖［22］Figure 7 Function of surface solar radiation to aerosol optical depth and single scattering albedo [22]

云是影響地表輻射能量收支的重要參數(shù)，云輻射效應（CRE）與云的宏微觀特性參數(shù)密切相關(guān)。利用香河站高時間分辨率輻射測量數(shù)據(jù)，結(jié)合全天空成像儀觀測數(shù)據(jù)，在云類型識別和云量（CF）估算基礎(chǔ)上，重點探討了云遮蔽和未遮蔽太陽兩種情形下，云量和地表太陽輻射的參數(shù)關(guān)系。香河站CF 年均值為0.50，夏季以積云為主（32%），發(fā)生頻率約等于層云和卷云頻率之和。CRE的年均值為-54.4 W·m-2，冬季和夏季CRE 分別為-29.5 W·m-2和-78.2 W·m-2。太陽未遮蔽情況下，CF 變化主要影響散射輻射，CF 與CRE呈線性關(guān)系。太陽被遮蔽情形下，CF變化同時影響直接輻射和散射輻射，導致CF與CRE非線性相關(guān)，斜率隨CF增加而降低[23]。

近10 年香河站太陽總輻射、直接輻射和散射輻射變化趨勢分析表明總輻射和直接輻射增加，而散射輻射下降，表明氣溶膠濃度下降，且氣溶膠吸收下降是導致散射輻射下降的主要因素[24]。污染防控一方面可有效控制空氣質(zhì)量問題，同時也產(chǎn)生重要氣候環(huán)境效應。在2013 年我國《大氣污染防治計劃行動》實施以來，香河站科研團隊發(fā)現(xiàn)我國中東部地區(qū)地表太陽輻射年均上升0.70—1.16 W·m-2，快速下降的氣溶膠輻射效應是導致地面太陽輻射顯著上升的主要原因[25]，而云的變化對SSR 趨勢的貢獻較小，空氣污染控制在調(diào)節(jié)地面太陽輻射方面發(fā)揮著重要作用，進而對陸面生態(tài)系統(tǒng)和光伏發(fā)電產(chǎn)生重要影響。

5 建立華北太陽能資源評估和短臨預報系統(tǒng)

碳中和目標背景下，中國未來將顯著增加光伏等新能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比。光伏太陽能的間接性和不穩(wěn)定性是太陽能并網(wǎng)中的重大挑戰(zhàn)之一。除了發(fā)展新能源儲能等技術(shù)之外，發(fā)展太陽能短臨預報技術(shù)是提高太陽能利用率的經(jīng)濟有效途徑。我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風云四號（FY-4）的發(fā)射給太陽能短臨預報（＜ 3 h）提供了新的觀測手段。

基于香河站高質(zhì)量輻射觀測數(shù)據(jù)，利用FY-4A 多通道反射率數(shù)據(jù)建立了地表太陽輻照度估算和短臨預報系統(tǒng)[26]。太陽輻照度估算方法采用物理晴天模型和經(jīng)驗云天模型混合估算方法，短臨預報模型的核心是基于FY-4云指數(shù)推導云運動矢量，在此基礎(chǔ)上預報未來3 h 內(nèi)地表太陽輻射。該系統(tǒng)能同時實現(xiàn)水平面總輻射和法向直接輻射的估算和短臨預報。研究工作表明風云四號在地表太陽輻射短臨預報中的廣闊應用前景，將顯著促進我國太陽光伏能源發(fā)展和利用。該系統(tǒng)在華北地區(qū)具備良好的性能，未來進一步改進將側(cè)重于對地表太陽輻照度估算模型的校準并推廣其應用。

6 解析華北大氣污染來源，保障國家重大活動

香河站科研團隊自2004年開始便著手針對華北地區(qū)大氣環(huán)境開展綜合觀測，組織多次國際合作觀測計劃，服務(wù)于大氣污染專項治理。針對大氣重污染發(fā)生—演變—消散全過程的核心科學問題，沿北京東南方向流場，利用香河大氣超級觀測站，形成了針對大氣重污染全過程的閉合研究系統(tǒng)；開展了邊界層氣象和大氣化學的同步觀測，獲取重污染過程氣象要素、大氣污染化學組成和邊界層理化結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵參數(shù)，多角度地揭示了邊界層氣象和大氣污染的演變規(guī)律，為深入研究秋冬季大氣重污染形成機理提供精細化的數(shù)據(jù)集，針對大氣復合型污染形成了一系列的科研成果[27,28]，為空氣質(zhì)量評估提供技術(shù)保障。研究結(jié)果表明，“煤改氣”政策實施以來，京津冀鄉(xiāng)村地區(qū)有機碳（OC）和黑碳（EC）濃度顯著下降，日變化幅度也相應減小；禁煤區(qū)內(nèi)總碳（OC和EC之和）和PM2.5濃度水平下降幅度明顯高于非禁煤區(qū)。相對于2016/2017 年冬季，“煤改氣”政策對2017/2018 年和2018/2019 年冬季EC 濃度下降的貢獻分別為26%和45%，氣象條件的貢獻分別為45%和15%?！懊焊臍狻闭邔?017/2018 年和2018/2019 年冬季一次OC 和PM2.5濃度下降的貢獻分別為50%和33%，對PM2.5濃度下降的貢獻為66%和57%，清潔能源利用對空氣質(zhì)量持續(xù)改善發(fā)揮了重要的作用[29]。

7 結(jié)語與展望

國家野外科學觀測研究站（簡稱“國家野外站”）是重要的國家科技創(chuàng)新基地之一，是國家創(chuàng)新體系的重要組成部分。通過幾代人的不懈努力，香河站構(gòu)建了從近地面到中高層大氣的氣候環(huán)境綜合觀測體系，開展了一系列氣候環(huán)境野外觀測工作，獲取了一批寶貴的觀測數(shù)據(jù)，多次為大型活動的環(huán)境保障等提供了有效支撐，服務(wù)大氣環(huán)境和全球氣候變化等重大基礎(chǔ)科學問題的科學研究。科研人員基于香河站觀測數(shù)據(jù)，獲得了我國最長的臭氧總量和廓線、氣溶膠光學和輻射探測數(shù)據(jù)，獲取了涵蓋從低層到90 km 高度長期大氣風場廓線數(shù)據(jù)，這些高質(zhì)量、長期、連續(xù)、系統(tǒng)的綜合大氣關(guān)鍵要素的探測數(shù)據(jù)集的建立，在全球重大環(huán)境和氣候問題的基礎(chǔ)科學研究中發(fā)揮了重要作用。

本文介紹了香河站部分代表性研究成果，展望未來，香河站將不斷開展先進探測儀器設(shè)備的研制和更新改造，主要從4 個方面著手：① 建立以VHF/MST雷達、多波段激光雷達、GPS數(shù)字臭氧探空儀等為主的立體綜合探測系統(tǒng)，將香河站建設(shè)成以中高層大氣探測為核心，包括邊界層物理化學過程探測的綜合探測平臺，以及集觀測、試驗與研究為一體的野外基地；② 通過香河站長期連續(xù)高質(zhì)量探測數(shù)據(jù)的積累，緊密圍繞中高層大氣過程及天氣氣候效應核心科學問題，提升對中層大氣基本過程、上下大氣層交換過程和機理、臭氧層變化及氣候效應等問題的認識；③ 完善我國華北地區(qū)氣溶膠-云-輻射觀測平臺，加強大氣參數(shù)和氣溶膠廓線探測能力，加強水凝物廓線探測能力，發(fā)展大氣和地表參數(shù)遙感驗證方法和技術(shù)，結(jié)合衛(wèi)星遙感手段和模式模擬手段，深入開展氣溶膠-云-輻射-降水相互作用及其對區(qū)域乃至全球氣候變化的影響研究；④ 積極加入國際觀測網(wǎng)絡(luò)，成為我國代表性站點加入國際碳衛(wèi)星地面驗證網(wǎng)，助力我國碳中和目標順利實現(xiàn)，為我國在全球氣候與環(huán)境談判提供科技支撐。