新形勢下我國大氣本底觀測研究型業務發展概述

■ 靳軍莉 周青 張勇 荊俊山 姚波 顏鵬 張國慶 馬志強 宋慶利 馬千里 江初 李鄒 王建林 王凱

大氣本底觀測是指對全球或區域尺度范圍內大氣成分及其相關特性的平均狀態及變化特征的長期觀測，根據世界氣象組織（WMO）的定義，大氣本底觀測“以有效的質量控制和質量保障，開展全球性的大氣化學組成及相關物理特性的長期觀測，為用戶提供綜合性產品服務，以滿足了解和控制人類活動對全球大氣日益增加的影響的需求”。當前與大氣成分變化相關的全球變化問題日益引發全球社會高度關注，大氣成分特別是大氣本底觀測從單純的科學觀測活動演變為全面應對全球變化策略和行動的重要組成部分，成為相關國際公約談判的重要支撐。為了在全球范圍內應對全球變暖、臭氧層耗減和酸雨等大氣環境惡化問題，WMO于1957年建立了全球臭氧觀測系統（Global Ozone Observing System ，GOOS）監測臭氧總量及廓線；20世紀60年代末建設了本底大氣污染監測網（Background Air Pollution Monitoring Network，BAPMoN）關注降水化學、氣溶膠和二氧化碳觀測等。1989年WMO整合上述兩個觀測網形成了現在所說的全球大氣監測計劃（Global Atmosphere Watch, GAW），在全球范圍內開展大氣本底化學成分觀測 ，旨在加強大氣成分要素全球性觀測站網的整體功能。經過30余年的發展，WMO/GAW已經成為當前全球最大、功能最全的國際性大氣成分（大氣化學）觀測網絡，可對氣候、環境、生態具有重要意義的大氣成分及其物理和化學特性進行長期、系統和準確的綜合觀測，并為研究全球大氣變化對氣候、環境和生態系統影響提供可靠的基礎資料。

我國自20世紀80年代起加入WMO/GAW計劃，并以此作為我國履行相關國際公約義務的具體行動。之后，中國氣象局在WMO和聯合國環境規劃署（UNEP）援助下，先后建設了北京上甸子（以下簡稱上甸子站）、浙江臨安（以下簡稱臨安站）、黑龍江龍鳳山（以下簡稱龍鳳山站）WMO/GAW區域大氣本底站，和青海瓦里關我國唯一的WMO/GAW全球大氣本底站（中國大氣本底基準觀象臺，以下簡稱瓦里關站）。21世紀以來，中國氣象局對瓦里關站等4個大氣本底站進行業務升級建設，并新建了湖北金沙（以下簡稱金沙站）、云南香格里拉（以下簡稱香格里拉站）、新疆阿克達拉（以下簡稱阿克達拉站）3個國家區域大氣本底站，至此形成“1+3+3”大氣本底觀測網基本框架。瓦里關、上甸子、臨安、龍鳳山4個大氣本底站先后入選國家大氣成分本底野外科學觀測研究站及中國氣象局首批野外科學試驗基地和國家氣候觀象臺，2019年阿克達拉本底站亦入選第二批中國氣象局業務科學試驗基地。 我國大氣本底站業務體系已初具規模，觀測數據序列較為連續，覆蓋了當時較重要的觀測要素，觀測要素主要涵蓋溫室氣體、氣溶膠、反應性氣體、干濕沉降、臭氧總量及廓線、UV輻射等6大類，為國家實施可持續發展戰略、建設生態資源友好型低碳經濟的科學決策提供不可或缺的基礎數據和科技支撐，同時也培養出一批業務和科研人才，為大氣本底觀測業務的未來發展奠定了較好的基礎。

然而也應看到，大氣本底觀測業務所涉及的站點數量少、觀測種類有限，綜合觀測業務能力較弱。觀測資料以報送WMO數據中心和科研應用為主，其在國家和地方的氣象業務和服務中應用不足，大氣本底站科學水平發展遇到瓶頸等問題突出，總體上不能滿足應對氣候變化、推進生態文明建設等國家戰略需求，與新形勢下氣象業務現代化改革和發展的整體要求不相適應。

《國家應對氣候變化規劃（2014—2020年）》中提出要“加強溫室氣體本底監測及相關研究,建立長序列、高精度的歷史數據庫和綜合性、多源式的觀測平臺，重點推進氣候變化事實、驅動機制、關鍵反饋過程及其不確定性等研究”。2019年4月，中國氣象局印發《研究型業務建設指導意見》（中氣函〔2019〕82號），明確了新時代研究型業務內涵、建設內容以及實施、保障措施等。本文在充分考慮新的發展時期對我國大氣本底觀測提出的前所未有的高要求，以及我國所承擔的國際義務和應對氣候變化、推進生態文明建設等可持續發展一系列戰略需求的基礎上，深入分析我國大氣本底站業務現狀和發展需求，順應氣象現代化業務和研究型業務發展的整體要求，一方面從國家級層面研究中國氣象局大氣本底觀測業務的科學布局并凝練共性的關鍵技術難題，以期指導大氣本底站對接新形勢下的新要求并突破目前的業務技術發展瓶頸；另一方面以各有側重、差異化發展的思路，結合各大氣本底站所處區域特點、對接其戰略需求，有組織、有依據地規劃其發展方向和主要任務旨在推動我國大氣本底觀測研究型業務形成高質量、高水平、可持續性發展的良好態勢。

1 我國大氣本底觀測業務現狀

中國氣象局在WMO和UNEP援助和自籌資金投入下，自20世紀80年代起逐步建成了7個大氣本底站（其中1個WMO/GAW全球大氣本底站、3個WMO/GAW區域大氣本底站、3個國家區域大氣本底站，圖1）。

圖1 我國大氣本底觀測站分布

各大氣本底站所處地理位置及氣候環境不同，均代表了不同氣候關鍵區大氣本底狀態（表1）。瓦里關站地處青藏高原東北部青海南山山脈東端，是歐亞大陸唯一的全球大氣本底站，其獲得的觀測資料具有較好的歐亞大陸腹地大尺度本底特性；上甸子站地處燕山山脈南麓的淺山，其長期觀測資料能夠較好地反映我國華北區域氣候變化和大氣本底特征；龍鳳山站、臨安站、金沙站、香格里拉站、阿克達拉站分別代表東北平原、長三角區域、華中區域、云貴高原、新疆北疆的大氣本底狀態。2019年中國氣象局確定了新豐國家大氣本底站，位于廣東省韶關市新豐縣西北大頂山，屬于東江流域新豐江水庫新豐集雨區生態環境保護范圍，能代表華南和珠三角區域的本底特點。

表1 我國大氣本底站基本情況表

經過30余年的建設和發展，我國大氣本底觀測業務在以下幾方面取得了長足進展。

1.1 本底觀測業務能力得到進一步提高

首先，在中國氣象局綜合氣象觀測自動化專項連續三年（2018—2020年）支持下，大氣本底觀測臺站端業務軟件解決了4類大氣本底站新型號設備的自動化觀測、數據采集與資料上傳問題。其次，2018年以來，大氣本底站網氣溶膠質量濃度、黑碳、反應性氣體等多要素觀測項目的國家級數據入庫、監控、質量控制、觀測實況顯示、業務管理等實時業務有史以來首次進入國家級實時業務平臺；到2021年底，溫室氣體、氣溶膠質量濃度和光學特性、反應性氣體、酸雨和臭氧柱總量等在線觀測項目，以及溫室氣體人工采樣分析、氣溶膠膜采樣、酸雨業務考核、大氣成分維護校準信息填報等實時和非實時業務功能將全部上線，大氣本底觀測實時業務能力顯著提升。

1.2 觀測質量管理體系得到不斷完善

近年來，中國氣象局分別發布了《大氣成分觀測業務規范（試行）》《大氣成分觀測業務規章制度（試行）》和《大氣成分觀測業務運行管理暫行規定》（簡稱《規定》）；發布和在編國家標準14項、氣象行業標準54項。中國氣象局作為WMO/GAW全球大氣觀測研究在中國唯一指定的執行機構，代表中國接受WMO世界標定中心的現場督察和考核；大氣本底站溫室氣體、地面臭氧、降水化學等觀測項目直接溯源WMO及國際最高質量標準、參與國際質量督察和巡回比對。溫室氣體瓶罐采樣、氣溶膠化學組分、降水化學組分等人工采樣分析項目按照《規定》要求，樣品到報、分析率100%，溫室氣體、氣溶膠、反應性氣體等在線觀測項目實現定期質控處理；2016—2019年，大氣本底站溫室氣體在線觀測平均數據可用率整體提高，2019年達到91%，大氣本底觀測業務運行質量穩步提高。

1.3 科學支撐、資料應用和決策服務成果顯著

2012年起，中國氣象局基于瓦里關等大氣本底站溫室氣體觀測結果編制《中國溫室氣體公報》《WMO溫室氣體公報解讀材料》等決策服務產品，產品已連續發布8期，是我國觀測時間序列最長、較為權威的國家級溫室氣體監測和應對氣候變化決策服務產品。瓦里關站接近30年大氣二氧化碳（CO）濃度變化曲線（圖2），顯示其濃度特征與同緯度地區的美國夏威夷冒納羅亞（Mauna Loa）全球大氣本底站基本一致，很好地代表了北半球中緯度地區大氣二氧化碳的平均狀況，被我國代表團在多次國際會議引用。我國大氣本底站地面臭氧及柱總量觀測資料參與國際數據評估服務，是全球對流層臭氧評估報告（Tropospheric Ozone Assessment Report，TOAR）的重要組成部分（圖3）。近年來，我國大氣本底站氣溶膠質量濃度、地面臭氧和降水化學等資料參與《中國氣候變化藍皮書》《大氣環境氣象公報》等6份國家決策服務報告，展示關鍵氣候變量的長期變化特征、為氣候變化和環境氣象決策提供科學觀測依據。基于本底站長期、高質量觀測研究在國內外期刊發表了大量學術論文，揭示了我國青藏高原、京津冀、長三角、東北、華中、西南、西北等關鍵氣候生態地區的溫室氣體、臭氧層損耗物質、氣溶膠、臭氧及總量等本底濃度水平、年代際變化特征及趨勢，為氣候變化研究、生態環境效應評估、大氣污染治理評估等提供了堅實的科學支撐。

圖2 瓦里關站和美國夏威夷冒納羅亞站（Mauna Loa, MLO）大氣CO2月平均濃度長期變化（引自2020年《中國溫室氣體公報》）

圖3 2000—2014年全球非城區站冬季日間地面臭氧變化趨勢，中國區域內淡綠色箭頭為瓦里關站（引自DOI: https://doi.org/10.1525/elementa.291.f13）

2 我國大氣本底業務發展存在的問題

2.1 大多數氣候系統關鍵區缺乏大氣本底觀測

對照中國氣候觀測網（CCOS）的規劃布局（如《中國氣候觀測系統》圖3所示），目前大氣本底站的數量明顯不足，對我國氣候觀測關鍵區的覆蓋不及五成。在國際上，我國的大氣本底站網規模不僅無法與美、歐等發達地區（分別建有162個和100個GAW本底站及貢獻站）相比，即便是與印度、越南（分別建有17個和2個大氣本底站）等發展中國家相比，其數量也是偏少的。

2.2 缺乏多種大氣屬性以及其相互作用的監測

目前我國大氣本底站開展了6大類23項業務觀測，仍不能覆蓋WMO/GAW的所有推薦項目，與WMO/GAW數據中心收集的300余種觀測要素相比明顯偏少，且業務需求迫切的一些觀測要素（如氣溶膠吸濕特性、臭氧及其前體物NO等垂直廓線、揮發性有機物等）尚處于觀測空白。另外，只有極少數大氣本底站開展了氣溶膠散射特性、化學組分等項目觀測，觀測項目配置不能滿足WMO要求。

大氣是參與地球系統多圈層之間的能量、物質循環的重要媒介和載體，天氣和氣候模式發展需要詳細的觀測天氣系統變量和變化，需要對氣候系統各圈層之間相互作用進行清晰的描述，這些物理過程參數化方法的建立和檢驗，需要有完備的多圈層天氣和氣候變量觀測支撐。大氣本底觀測業務面臨地球系統多圈層綜合觀測的新視角帶來的業務需求。但是，目前大氣本底觀測業務中缺乏對典型下墊面地球圈層間重要大氣成分物質循環等動態觀測和科學研究（如CO和氣溶膠顆粒物的通量觀測研究），缺少開展大氣物理、生物、化學等多種屬性交叉的觀測試驗和科學研究，這都制約了我國大氣本底觀測為氣候變化研究、氣候系統監測和影響評估、氣候模擬預測及化學天氣預報業務等觀測基礎支撐。

2.3 缺乏垂直觀測及星地校驗及資料融合應用

目前開展的大氣本底觀測以地面觀測為主，大氣成分垂直觀測僅開展了氣溶膠光學厚度和少量的臭氧總量觀測，WMO/GAW要求的溫室氣體、氣溶膠和反應性氣體等關鍵氣候變量（ECV）的垂直觀測均未開展；WMO臭氧探空業務觀測已開展60年左右、目前全球有百余臭氧探空站在業務運行，但我國尚未開展臭氧探空。地基高光譜儀、激光雷達、多軸差分吸收光譜儀等主被動地基遙感探測大氣成分垂直分布的手段以及飛機、探空等探測平臺技術的業務應用尚未起步，與大氣成分衛星觀測密切相關的垂直遙感探測能力極為薄弱。

近兩年我國衛星探測大氣成分技術有了進步，但當前地面觀測大氣成分要素的觀測項目、方式、精度以及范圍等都無法滿足空基觀測校驗和資料融合應用對地基觀測的需求。另外，隨著我國大氣復合污染特征的進一步演化，區域污染與天氣、氣候變化緊密聯系，NO、臭氧等是光化學反應的重要成分和二次氣溶膠的重要前體物，氣溶膠顆粒粒徑垂直分布以及光學性質又對溫濕的垂直分布、云凝結核的形成等有影響，從而影響到成云、降水和輻射平衡。大氣成分垂直綜合觀測以及大氣成分衛星觀測產品的星地校驗開展嚴重不足，重要大氣成分要素的前瞻性觀測和基礎數據貯備嚴重缺乏。

2.4 關鍵儀器國產化程度低業務保障能力不足

全國大氣本底觀測業務使用的大部分技術設備嚴重依賴進口設備、國產化率不足20%。一方面在國外技術封鎖日趨嚴重的形勢下，低國產化率給觀測穩定性和業務延續性帶來一定的不安全因素；另一方面，高比例的進口設備因其價格高、維修周期長等給大氣本底站業務有效保障造成較大影響。例如，進口設備單機和部件價格高昂、采購流程復雜周期長，大氣本底站網關鍵觀測備機配備也嚴重不足，7個大氣本底站溫室氣體CO/CH在線觀測系統僅有1臺備機（備機比7：1）、遠遠不滿足備機比3：1的業務規定；其次，進口設備一旦發生故障需要返廠維修，則維修停測（或停止分析標校工作）周期長達半年或更長。

3 我國大氣本底研究型業務發展的思考與原則

3.1 堅持面向應對氣候變化研究

充分認識應對氣候變化研究工作是中國氣象局的一項重要任務，助力于加深社會公眾對氣候變化、大氣污染的認識越來越深入，推動中國關鍵氣候區大氣本底站科學論證建設和關鍵氣候變量觀測能力建設，提升服務于應對氣候變化的關鍵大氣成分長期觀測水平與能力。

3.2 堅持面向天氣氣候影響研究

從垂直和水平兩個維度推動擴展對天氣過程及氣候變化有重要影響的大氣成分觀測獲取能力，尤其是氣溶膠、臭氧及其前體物以及溫室氣體等大氣成分的觀測技術和實現能力，提供高質量、多要素、綜合垂直以及水平分辨率更高的觀測數據。進一步研究氣溶膠和溫室氣體對季風和降水方式和分布的影響，研究氣溶膠對強對流和降水的增強作用等。

3.3 堅持面向環境氣象預報服務

提高氣候關鍵地區大氣本底觀測的立體維度和資料密度，促進檢驗和改進環境氣象預報服務和預報模式，以及不斷增加的對大氣成分觀測資料同化與模式預報應用的水平。

3.4 堅持面向國家生態文明建設

加強大氣成分對作物生長、植被、森林的影響研究，開展顆粒物、反應性氣體等通量觀測，深入研究大氣成分通過沉積在作物、植物葉面影響作物呼吸、植物代謝等影響，加深大氣氣溶膠通過對光合有效輻射和散射輻射影響作物的光合作用，大氣中的酸性污染氣體和酸雨破壞森林和植被等科學認識。

4 我國大氣本底研究型業務發展方向及任務

4.1 國家級業務科研單位主要發展方向及任務

4.1.1 提升我國大氣本底綜合觀測業務能力

我國大氣本底觀測站的規模偏小，且觀測要素尚未完全覆蓋WMO/GAW所有的推薦項目，因此需規劃國家大氣本底站網全面建成對溫室氣體、氣溶膠、反應性氣體、臭氧總量及廓線、大氣酸沉降等6大類觀測項目的基本業務探測能力；新增建設9個大氣本底站，逐步形成覆蓋我國16個氣候關鍵區的布局更為完善的大氣本底觀測網絡；針對典型下墊面上地球圈層間重要大氣成分物質循環等的動態觀測和科學研究，設計在大氣本底站補齊開展大氣光化學（揮發性有機物、過氧乙酰硝酸酯等）、大氣光學（吸收/散射）、氣溶膠化學組分及粒徑譜及顆粒物物理、化學、吸濕特性觀測系統，增加臭氧、CO、NO、SO對流層柱總量等關鍵氣候變量的垂直觀測、提升大氣本底綜合及三維立體探測能力，觀測指標滿足WMO要求。

4.1.2 開展大氣成分綜合立體觀測技術研究

對接WMO全球綜合觀測系統2040年遠景目標要求，探索對氣溶膠光學特性及氮氧化物、二氧化硫和甲醛等大氣組分的垂直廓線的獲取實現定常化及合作建立全球臭氧探空業務觀測網。結合激光雷達、激光云高儀、多軸差分吸收光譜儀、溫室氣體垂直觀測設備等多種主被動遙感系統，配合反演算法研究和光譜解析技術，研究針對氣溶膠、臭氧及其前體物NO等反應性氣體的地面濃度及垂直廓線的協同觀測技術，實現國產多種大氣成分垂直立體結構的高時空分辨率分布探測能力；將大氣本底站建設成衛星遙感產品地面檢驗基地，開展氣溶膠光學、臭氧及前體物等大氣成分地面觀測與衛星遙感對比驗證試驗，利用地面、衛星、地基遙感、飛機等綜合觀測手段，探測氣溶膠對云物理特性影響及氣溶膠與云、輻射、降水相互作用；研究綜合利用飛機、平流層大氣廓線采樣、邊界層探空氣球、激光雷達、地基高光譜儀開展溫室氣體垂直觀測和衛星校驗。

4.1.3 面向生態文明的應用服務技術研究

借助大數據分析技術，對氣象、環保、地理、人文、經濟發展等數據進行多源數據融合，研究大氣氣溶膠和反應性氣體干、濕沉降清除機制和速率，定量研究氣象條件，包括溫度、降水、極端天氣等，在大氣成分的排放和清除中的作用；研究全球變化和社會決策（包括氣候變化、能源選擇、土地利用）對大氣成分排放與清除的作用等；對各種痕量氣體與顆粒物的大氣沉降對生態系統的影響進行定量化研究；識別和定量研究全球大氣中的各營養物和污染物的化學成分、轉化、生物可用性，及其與生物圈的相互作用；研究在全球變化背景下，大氣化學與生物圈之間的重要反饋過程和機制。

5 大氣本底站主要發展方向及任務

大氣本底站是中國氣象局研究型業務的重要開展主體和基地，大氣本底站應充分利用其多渠道資金支持、圍繞其地域性觀測需求，有計劃、分步驟地主動謀劃完善觀測項目以及超齡觀測設備的國產化更新，提升其綜合觀測能力和業務保障能力。另外，大氣本底站及所屬省氣象局在廣泛調研和征求意見的基礎上，梳理凝練主要發展方向及任務（表2）。

表2 中國氣象局大氣本底站研究型業務發展方向及任務

深入閱讀

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