融合實驗教學的“污染氣象學”課程優(yōu)化建設

凌鎮(zhèn)浩，李 磊，于瀟禹

（中山大學 大氣科學學院，廣東 珠海 519082）

引言

空氣污染（或大氣污染）指的是人為或自然排放的污染物質(zhì)進入大氣，其濃度達到了一定水平并持續(xù)一定的時間，使大氣的成分、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)發(fā)生變化，影響了人體健康、擾亂和破壞了人類的正常生活環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)［1］?？諝馕廴臼悄壳拔覈媾R的最突出環(huán)境問題之一?？刂拼髿馕廴疚锏呐欧攀欠乐慰諝馕廴镜挠行緩?。然而，從人為與自然源排放后，污染物在大氣中的濃度也同時受多種物理與化學過程的共同影響。其中，氣象條件是影響空氣污染的“生消”與空氣質(zhì)量的最關(guān)鍵因素之一，其不僅能影響一次排放污染物的化學轉(zhuǎn)化與二次污染物的生成，亦能影響大氣污染物的擴散、積累與傳輸。當排放變化不大時，天氣過程的演變更是導致逐日空氣質(zhì)量變化的關(guān)鍵。另一方面，大氣污染物也對氣象有重要作用。如污染物（特別是顆粒物）可通過直接或間接輻射強迫影響氣象過程（包括大氣邊界層高度、溫度、濕度等天氣與氣候參數(shù)），進而改變空氣污染所依賴的輸送和擴散條件，同時影響污染相關(guān)的微觀化學過程。

因此，認識與把握污染與氣象的相互作用規(guī)律，對有效控制空氣污染的危害、防治大氣復合污染和防災減災均有重要意義。作為大氣環(huán)境研究與應用的一個重要領(lǐng)域及近代大氣科學的重要分支，污染氣象學以污染物在大氣中的輸送、擴散、清除與轉(zhuǎn)化為研究對象，運用大氣科學原理與方法研究空氣污染物散布與氣象因子的相互作用關(guān)系，預測空氣污染物的濃度分布及其對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。“污染氣象學”課程是大氣科學相關(guān)專業(yè)的重要課程，對于相關(guān)專業(yè)學生理解氣象與大氣環(huán)境的關(guān)系有重要意義，有助于他們未來在工作中為我國大氣環(huán)境質(zhì)量提升提供更好的服務。

一、“污染氣象學”課程在實驗教學內(nèi)容設置上的不足

目前，“污染氣象學”已成為環(huán)境與大氣科學相關(guān)專業(yè)本科生與研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要圍繞如何運用氣象學原理，對空氣污染氣象學的核心問題做基本描述與基本理論處理［2］。因此，該課程的內(nèi)容涵蓋了：（1）空氣污染氣象學與大氣邊界層的基礎(chǔ)介紹（如問題的由來、研究方法與意義等）。（2）運用氣象學原理研究空氣污染物散布的基本描述、基本理論、數(shù)學表達與數(shù)值模擬處理。（3）不同尺度污染物擴散與空氣污染氣象學問題的研究處理。（4）污染氣象學的應用處理?；谝陨蟽?nèi)容，要求學生掌握大氣擴散的基本理論、大氣污染物的散布過程及污染氣象特征、影響大氣擴散的因子、大氣擴散的估算方法及其實際應用，并可進行大氣環(huán)境影響評價、大氣環(huán)境保護、政策管理以及空氣污染預警預報的工作。因此，“污染氣象學”是一門理論性和實踐性都較強的課程。

然而，必須看到，現(xiàn)有課程內(nèi)容雖然涵蓋了空氣污染氣象學的基本理論及基礎(chǔ)應用，但是作為一門具有較強實踐性的課程，過去的“污染氣象學”課程在實驗教學內(nèi)容方面存在一定不足，特別是在教學內(nèi)容以及課程設置上都缺乏觀測以及數(shù)值模型應用實踐教學的支撐，不利于學生對理論知識的深入理解，也十分不利于培養(yǎng)學生應用理論知識解決實際問題能力。因此，為了使學生牢固掌握大氣擴散的基本理論及大氣污染物的散布過程、理論及應用方法，并利用不同的氣象學原理，結(jié)合氣象、環(huán)境、大氣物理與大氣化學多學科交叉，提升學生應用理論指導實踐、解決實際問題的能力，為培養(yǎng)我國理論與實踐結(jié)合、服務于氣象與大氣污染防控事業(yè)的專業(yè)人才，亟須構(gòu)建并優(yōu)化原有“污染氣象學”課程，將外場觀測、數(shù)值模擬應用與理論相融合，形成新的污染氣象教學課程體系。

二、增補實驗教學內(nèi)容的基本思路

“污染氣象學”課程主要集中于從理論上詮釋大氣擴散對污染物濃度分布的影響。目前關(guān)于污染氣象的研究主要是運用外場觀測與數(shù)值模擬開展以下幾方面的工作：（1）基于天氣圖分析揭示氣象條件對污染物濃度及分布，特別是高污染事件發(fā)生的影響，并基于氣象參數(shù)與污染物濃度（或能見度）的相關(guān)性與多元線性回歸分析進一步量化氣象條件對污染物濃度變化的影響（如通過能見度與不同高度假相當位溫垂直差、溫度露點差、水平風垂直切變、表面風速的多元線性回歸結(jié)果解析了2013年1月中國東部超過2/3的霧霾天氣逐日變化的方差）［3］。在微觀分析方面，也有研究結(jié)合高時間分辨率觀測數(shù)據(jù)，分析氣象要素與污染物濃度的脈動量，以量化污染物擴散過程中其他作用對其濃度的影響，并識別關(guān)鍵的動力學與熱力學因子。例如，基于渦動相關(guān)法測量不同污染物的干沉降通量及干沉降速率［4-5］。（2）利用數(shù)值模型，定量評價氣象條件對特定大氣污染物年際變化的貢獻。例如基于區(qū)域化學傳輸模型，LIU Y和 WANG T［6］量化分析了不同氣象參數(shù)對2013—2017年臭氧長時間變化的影響。其中，風場的變化是影響2013—2017年臭氧最大8小時平均濃度上升趨勢的最重要氣象參數(shù)。另外，溫度的增加也會促進生物源揮發(fā)性有機物排放的增加，從而導致更多臭氧的光化學生成。（3）通過實時外場觀測，剖析大氣污染事件形成不同過程中，氣象條件與污染物濃度的雙反饋作用。例如，當PM2.5濃度積累到一定程度（如大于100 μg/m3）時，會導致逆溫形成和邊界層低層相對濕度的增加，從而導致氣象條件進一步往不利于污染物濃度降低的方向發(fā)展，并使PM2.5濃度在數(shù)小時后呈現(xiàn)“爆發(fā)性增長”的現(xiàn)象［7-8］。通過綜合觀測實驗，結(jié)合大氣成分實時在線觀測、地表通量和常規(guī)氣象觀測以及再分析資料和數(shù)值模擬，DING A J［9-10］發(fā)現(xiàn)了生物質(zhì)燃燒氣團和城市、工業(yè)等人為污染的混合產(chǎn)生的高濃度、強輻射特性顆粒物可以導致當日氣溫顯著降低和改變?nèi)諘兘邓畯姸?，并在此基礎(chǔ)上建立了混合污染導致氣溶膠-大氣邊界層-天氣雙向反饋概念模型。

可見，目前的研究將“污染氣象學”理論的數(shù)值計算與模擬應用向?qū)嵉赜^測與數(shù)值模擬相互驗證、氣象參數(shù)-污染物濃度相關(guān)性與多元線性回歸分析、氣象-污染雙反饋等多手段與多角度綜合分析拓展。因此，為進一步拓寬學生的知識面，提升其理論與實踐相結(jié)合的能力，應基于“污染氣象學”理論基礎(chǔ)，結(jié)合目前主流和前沿的研究工作，設置外場觀測、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值模擬相關(guān)的實驗內(nèi)容，幫助學生：（1）驗證“污染氣象學”中湍流發(fā)展與大氣擴散理論，并深入了解污染與氣象的雙反饋作用；（2）了解目前“污染氣象學”的前沿研究和我國目前大氣污染防治工作的重點；（3）深入認識污染氣象中常用的實地觀測的原則、儀器設備的原理與操作以及數(shù)值模式的運行；（4）掌握基本的氣象參數(shù)以及污染物濃度數(shù)據(jù)分析方法。

在此基礎(chǔ)上，作為一門多學科融合的課程，在構(gòu)建實驗體系及設置教學內(nèi)容時，亦可考慮將“污染氣象學”的實驗課程與其他相關(guān)課程結(jié)合，以豐富大氣環(huán)境與大氣物理相關(guān)專業(yè)課程體系的構(gòu)建，促進學生往“寬口徑、厚基礎(chǔ)、個性化”的方向培養(yǎng)，并幫助任課教師教研相長，實現(xiàn)能力的全面提升。例如，通過設置利用渦動相關(guān)系統(tǒng)方法測量大氣污染物干沉降的實驗，能同時加深學生對“污染氣象學”與“邊界層氣象學”中大氣湍流基本理論知識的理解，幫助學生進一步了解邊界層內(nèi)宏觀氣象要素的變化規(guī)律與大氣湍流的觀測、計算以及表示方法，深化對湍流譜結(jié)構(gòu)與譜特征的認識，還能進一步幫助學生理解大氣湍流的相關(guān)觀測、計算與表示方法。另一方面，實驗課程也可融入相關(guān)專業(yè)院系的“第二課堂”人才培養(yǎng)體系中，以“本科生研究性學習”和“本科生入實驗室”之類的計劃為載體，通過導師組結(jié)合科研項目實際需求設置實驗內(nèi)容，在引導學生參與科研項目實施的同時，也可保證學生直接與科研前沿接觸，從而充分調(diào)動學生的主觀能動性，并教育學生要有以專業(yè)知識服務國家戰(zhàn)略需求、服務社會和地方的意識和格局，進一步提升學生把課程理論成果轉(zhuǎn)化成實際生產(chǎn)力、遇到科研難題時善于解決問題的能力。

三、“污染氣象學”實驗建設實例

在綜合考慮“污染氣象學”課程內(nèi)容、教學目的以及學科特點的基礎(chǔ)上，遵循上述思路，筆者已在中山大學大氣科學學院的“污染氣象學”教學實踐中，嘗試構(gòu)建實驗教學課程體系，并已取得初步成效。本節(jié)以部分選題為例詳細描述“污染氣象學”實驗教學內(nèi)容的構(gòu)建。相關(guān)實驗內(nèi)容已依托中山大學大氣科學學院環(huán)珠江口氣候環(huán)境與空氣質(zhì)量變化野外觀察研究站順利開展。

（一）基于梯度塔觀測的氣象要素對大氣穩(wěn)定度及其分類的探討

大氣穩(wěn)定度通常指整層空氣的穩(wěn)定程度，其是衡量大氣湍流運動狀態(tài)的重要指標，也是影響污染物擴散的重要因素。例如，大氣層結(jié)不穩(wěn)定時，大氣湍流發(fā)展旺盛，對流強烈，有助于大氣污染物的擴散，使大氣污染物充分稀釋，從而導致其濃度的有效降低。反之，大氣層結(jié)穩(wěn)定會抑制湍流運動的發(fā)展，使大氣污染物不易擴散稀釋。一般而言，大氣穩(wěn)定度可分為穩(wěn)定、不穩(wěn)定以及中性平衡三種狀態(tài)。另外，Pasquill將大氣穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E、F六個級別，分別對應強不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定狀態(tài)。劃分穩(wěn)定度級別的方法眾多，常用的分類方法有理查遜數(shù)法、風向標準差法（風向脈動）、溫度梯度法、常規(guī)P-T與改進P-T法、溫度梯度與風速結(jié)合法等。然而，在運用不同方法判斷大氣穩(wěn)定度時，所得到的結(jié)果往往不一致。因此，開展基于觀測的氣象要素進行大氣穩(wěn)定度識別分類實驗，能加深學生對大氣穩(wěn)定度分類及其判據(jù)的認識，了解大氣穩(wěn)定度對大氣湍流發(fā)展的影響。本實驗內(nèi)容通過研究站內(nèi)梯度觀測塔以及地面氣象站（如渦動觀測系統(tǒng)）對常規(guī)的氣象要素，如溫度、風、濕度以及太陽輻射進行觀測，獲得不同高度如地面、10米、30米、50米與70米的觀測資料，利用理查遜數(shù)法、風向標準差法（風向脈動）、溫度梯度法、常規(guī)P-T與改進P-T法、溫度梯度與風速結(jié)合法對大氣穩(wěn)定進行分類。該實驗同時考察了大氣穩(wěn)定度的分類及其評估指標的計算方法，與大氣穩(wěn)定度對大氣湍流發(fā)展的影響等相關(guān)理論知識。實驗目的與內(nèi)容主要有：（1）熟悉渦動觀測系統(tǒng)的工作原理及相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取與分析方法；（2）熟悉梯度塔在大氣邊界層內(nèi)氣象要素觀測中的應用；（3）掌握不同穩(wěn)定度分類方法及區(qū)別；（4）認識不同下墊面氣團影響下，垂直與水平穩(wěn)定度的差異；（5）掌握基于觀測數(shù)據(jù)計算大氣湍流強度（如湍強）的方法；（6）分析不同高度處溫度場、風場、濕度場的日變化差異及影響因素。

（二）氣象要素的變化對空氣質(zhì)量的影響分析

大氣邊界層結(jié)構(gòu)及其變化是影響空氣污染物濃度水平及擴散分布的重要因素。因此，為加深學生對大氣邊界層內(nèi)氣象要素的變化如何影響空氣質(zhì)量的認識，有必要開展氣象要素與空氣質(zhì)量參數(shù)的同步觀測實驗。本實驗內(nèi)容依托中山大學大氣科學學院環(huán)珠江口氣候環(huán)境與空氣質(zhì)量變化野外觀察研究站進行開展，利用風廓線雷達與微波輻射計測量不同高度的風與溫度變化，同時結(jié)合地面主要大氣污染物（如臭氧與PM2.5）的觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建目前常用的量化指標（如回流指數(shù)、垂直輸送指數(shù)與穩(wěn)定能量）以量化分析大氣邊界層結(jié)構(gòu)及其變化對空氣質(zhì)量的影響。風廓線雷達主要使用湍流對電磁波的散射作用進行大氣風場的探測。微波輻射計是一種用于測量物體微波熱輻射的被動式的微波遙感設備，其可通過測量天線接收到的輻射功率來反演目標物的亮度溫度，能基于其數(shù)據(jù)資料獲得大氣邊界層溫度、濕度場的垂直分布特征。通過分析風廓線與溫廓線的垂直分布結(jié)構(gòu)，可以進行邊界層高度的判定。

回流指數(shù)（RF）最早由Allwine和Whiteman提出，指的是氣團有效移動距離與實際移動距離的比值，主要是基于風向風速的變化量化分析氣團的水平移動對空氣質(zhì)量的影響。回流指數(shù)越大說明有效距離越接近實際距離，表明氣團在相同的平均風速下移動了更遠的距離，水平風對空氣污染物的輸送更有效。另外，在垂直方向上，可用大氣垂直輸送指數(shù)（VTF）量化分析氣流垂直方向運動對污染物濃度的影響。大氣垂直輸送指數(shù)為氣團在垂直方向上有效移動距離和實際移動距離的比值。因此，基于觀測數(shù)據(jù)，可以獲得特定時間內(nèi)氣團運動的實際距離、有效距離以及實際位移方向，從而計算回流指數(shù)與大氣垂直輸送指數(shù)。

基于微波輻射計測量的溫廓線數(shù)據(jù)，可以計算不同高度顯熱能的差異，以表示氣團在不同高度間運動的穩(wěn)定能量，其可用于衡量低層大氣層結(jié)的穩(wěn)定程度，進而評估大氣邊界層內(nèi)的垂直擴散能力。在此基礎(chǔ)上，通過分析污染物濃度與穩(wěn)定能量的關(guān)系，可量化分析大氣邊界層垂直擴散能力對污染物濃度的影響。

通過以上觀測實驗以及數(shù)據(jù)分析方法，可以幫助學生：（1）熟悉風廓線雷達與微波輻射計的工作原理；（2）熟悉風廓線雷達與微波輻射計數(shù)據(jù)資料的獲取及處理方法；（3）熟悉主要大氣污染物（如臭氧與PM2.5）的在線測量方法及原理；（4）掌握利用風廓線雷達與微波輻射計數(shù)據(jù)資料，確定大氣邊界層高度，分析垂直方向上風廓線與溫廓線的特征及其變化的方法；（5）掌握利用常規(guī)氣象參數(shù)與大氣污染物濃度量化分析氣象要素對大氣污染物濃度影響的方法。

（三）基于渦動相關(guān)方法的大氣污染物垂直通量觀測

沉降是大氣污染物的一個重要去除途徑，包括了干沉降與濕沉降。其中，大氣干沉降是指無降水條件下，大氣中的污染物受湍流運動影響被下墊面吸收，形成向地面遷移的過程［11-12］。渦動相關(guān)法最早由Swinbank提出，其主要是基于觀測數(shù)據(jù)獲取各物理量的湍流脈動值以計算湍流通量的方法［13-14］。在運用該方法進行大氣污染干沉降測量計算時，主要包括兩個方面：（1）基于流體力學與微氣象學原理，利用觀測儀器對各物理量（三維風速、污染物濃度）進行高頻的測量并獲取其湍流脈動量；（2）計算大氣湍流運動中產(chǎn)生的三維風速和污染物濃度脈動的協(xié)方差計算該物理量的湍流通量，以此測量污染物垂直方向上的質(zhì)量通量交換。本實驗通過對氣象要素與污染物濃度（如O3、CO2、SO2與揮發(fā)性有機物等）進行高分辨率觀測，通過計算獲得這些污染物的垂直通量，原理如下式：

式中，x為污染物的濃度，w為風的垂直分量。x′與w′分別為風的垂直分量與污染物濃度的脈動值?！渲傅氖莾烧叩某朔e于一段典型時間內(nèi)的平均值（如30分鐘）。該實驗同時考查了大氣邊界層湍流及其形成的理論基礎(chǔ)，也契合理論課程內(nèi)容探究了湍流的發(fā)展對污染物散布的影響，幫助學生：（1）深入認識湍流的測量與表示方法，并了解大氣湍流的主流測量方法及湍流觀測儀器的基本工作原理；（2）掌握渦動相關(guān)法進行物理量通量觀測計算的原理及適用范圍；（3）掌握常規(guī)氣象參數(shù)如溫度、濕度、風速脈動，以及污染物濃度脈動量的獲取及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法（如野點剔除、坐標旋轉(zhuǎn)等）；（4）掌握湍流水汽通量、熱量通量與污染物垂直通量的計算方法，并分析其污染物垂直通量的時空變化特征。

除基于觀測的實驗內(nèi)容外，“污染氣象學”實驗課程也可在儀器設備條件具備的條件下，結(jié)合外場觀測與數(shù)值模擬開展與研究前沿或研究熱點相契合的綜合性實驗，如探究大氣污染與氣象的雙反饋作用的綜合實驗，以進一步拓展學生知識面以及考查學生多種理論實踐課程的學習效果。

四、課程內(nèi)容優(yōu)化帶來的效果

學生的課程反饋及評價結(jié)果表明，經(jīng)過課程優(yōu)化后，學生在“污染氣象學”課程學習以及參與科學研究性學習方面表現(xiàn)出更大的關(guān)注和興趣。在課程展示、課程論文、課程考核開放式題目回答以及研究性學習時，學生開始關(guān)注：（1）具體的科學問題與哪些理論和原理相關(guān)；（2）這些科學問題是否屬于當前的熱點，是否滿足國家的需求；（3）如何運用理論與原理解決這些問題。這些關(guān)注與興趣大大激發(fā)了學生的熱情與自主性。根據(jù)中山大學大氣科學學院2017級與2018級近200 名本科生的課程反饋以及考核結(jié)果統(tǒng)計，有將近80%的學生在課程展示及課程論文環(huán)節(jié)，選題更關(guān)注：（1）當前我國面臨的大氣污染問題；（2）污染氣象研究手段與技術(shù)，如觀測實驗與數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展；（3）如何運用污染氣象原理及理論詮釋氣象要素對我國大氣復合污染的影響以及如何運用這些原理及理論指導我國大氣污染問題的防治；（4）相關(guān)的占比比往屆沒有參與課程優(yōu)化的學生平均占比高出了近40%，表明認識理論、原理及運用理論解決實際的能力有了顯著提高。另外，學生對污染氣象相關(guān)儀器設備的原理及應用也有了更深入的理解。在研究性學習中選擇污染氣象以及大氣污染相關(guān)研究的學生占比比2016級高出了30%（包含一部分原計劃選擇大氣科學其他領(lǐng)域作為研究生以及本科畢業(yè)設計的，其選題更多的是從興趣與熟悉更多交叉學科角度出發(fā)），表明更多的學生敢于拓展自己的研究興趣，對大氣領(lǐng)域的分支及交叉學科有了更多關(guān)注。

五、總結(jié)與展望

本文對“污染氣象學”課程教學內(nèi)容中的不足進行了梳理，指出了實驗教學內(nèi)容的缺乏是過往“污染氣象學”教學體系中的不足之處。在此基礎(chǔ)上，本文提出了在“污染氣象學”中增補實驗教學內(nèi)容的思路，并結(jié)合筆者的教學實踐給出了課程實驗內(nèi)容建設的實例。

總體而言，“污染氣象學”是一門具有較強應用性的課程。因此，在理論學習的基礎(chǔ)上，必須從多方面著手開展與理論知識點、當前研究熱點與前沿相結(jié)合的實驗教學，方能有效幫助學生深化對“污染氣象學”理論及其運用的認識，加強學生多課程理論知識的融會貫通。同時，實驗教學也需在加強學生獨立開展科學研究能力方面著手，重點培養(yǎng)學生獨立發(fā)現(xiàn)、分析與解決問題的能力，幫助其將所學的知識融合和應用到實際工作與國家需求中，進而培養(yǎng)出掌握專業(yè)知識、勇于創(chuàng)新、能科學服務于國家大氣環(huán)境污染防治工作的復合創(chuàng)新型人才。