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      大氣本底站描摹地球“呼吸之本”

      發布時間:2023年11月01日 來源:中國氣象報社

      編者按:1994年9月,在位于海拔3816米的瓦里關山,我國建成了瓦里關中國全球大氣本底基準觀象臺(以下簡稱“瓦里關本底站”),開始了為地球“測溫”的歷程,這也是世界氣象組織唯一設立在歐亞大陸腹地的全球大氣本底站。時光走過近三十年,在一代代氣象工作者的努力下,我國形成了國家級大氣本底觀測核心網絡?!笆奈濉逼陂g,還將陸續新建9個國家大氣本底站,實現16個氣候系統關鍵觀測區國家大氣本底站全覆蓋。

      那么,什么是大氣本底站?與常規氣象觀測站相比,大氣本底站的觀測要素、建站選址有何不同?我國大氣本底站建設經歷了怎樣的發展歷程?“瓦里關曲線”又講述了一個怎樣的故事?本期科普看臺帶您一探究竟。

      專家顧問:中國氣象局氣象探測中心正高級工程師 張曉春

      本版策劃:李倩 趙曉妮 王亮

      為“發燒”的地球“測體溫”

      說起氣象觀測站,最為大家熟知的便是可以同時觀測溫度、濕度、氣壓、風速、風向等氣象要素的地面氣象站。而大氣本底站,除了上述基礎氣象要素觀測外,主要觀測與天氣、氣候、環境和健康密切相關的大氣成分,是地球不可或缺的“體溫計”。那么,大氣本底站究竟具備何種“特異功能”,使其能夠探秘出全球變暖的奧秘呢?

      觀測尺度更加廣闊

      揭開大氣本底站的神秘面紗之前,先來看一看大氣本底是“何方神圣”。

      大氣本底是指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,這也意味著測量的大氣成分既要相對穩定,又要混合均勻。因此,大氣本底站的觀測除了基礎要素外,也基本圍繞大氣成分展開,其主要觀測內容包括溫室氣體、氣溶膠、反應性氣體、大氣臭氧柱總量、太陽輻射、大氣沉降(酸雨和降水化學)等要素。

      既然是為地球“測體溫”,觀測的氣候尺度代表性自然也更加廣闊,目前世界氣象組織/全球大氣觀測(WMO/GAW)將大氣本底站分為全球大氣本底站和區域大氣本底站兩類。其中,全球大氣本底站的代表空間尺度范圍一般是數千公里,區域站的代表尺度范圍則為數百公里。

      站點選址“百里挑一”

      那么,如何在數百數千公里的廣闊尺度上,選取既體現區域氣候代表性,又能反映觀測資料準確性和可比性的合適點位呢?

      人跡罕至、少有干擾。由于觀測結果體現著較大尺度下大氣成分不直接受人為活動影響且混合均勻之后的平均狀況,并且所觀測的大氣成分在大氣中的含量極少,屬于微量或痕量成分,很容易受到干擾和污染。因此,要想獲取高質量的觀測數據,就必須避免人為活動的影響,選在遠離人類活動的偏遠地區,保證所觀測的大氣較為“清潔”,以捕捉到氣候變化的微小信號?!耙舱虼?,在瓦里關本底站不允許炒菜,否則會產生氣體和顆粒等污染,有時過往的車輛也會顯著影響觀測結果?!敝袊鴼庀缶謿庀筇綔y中心正高級工程師張曉春介紹道。

      代表性強、反映真實。除了要遠離干擾以外,選址時也要考慮具有典型氣候代表性,正所謂“站得高看得遠”,建站一般位于海拔較高的地點,例如瓦里關本底站位于海拔3816米的瓦里關山,能夠真實反映北半球乃至全球尺度大氣成分的平均混合狀態。同時,在選址時,還要充分考慮下墊面的特征、周邊污染源的分布與排放情況,以及土地利用規劃;在確定為意向性站址后,還需要對站址的代表性進行為期至少一年的可行性科學論證試驗,以確保其具有較好的區域代表性。

      保障有力、綜合考慮。除了考慮外部環境外,選址時也要充分考慮建成以后設備的運行和維護以及人、財、物后勤保障等因素,以保障觀測站能夠正常運轉。

      觀測技術“非同尋?!?/strong>

      同其他觀測站相比,大氣本底站由于觀測目標不同,采用的技術方法、對設備的要求也有所不同?!昂喍灾?,對大氣本底觀測的要求更高、更嚴,觀測也更難。舉個例子,當前全球大氣二氧化碳平均濃度為410ppm左右,但年增長率僅兩個多ppm,要想準確地監測到其變化,我們所用的儀器設備精度就要達到0.1ppm,至少要比年增長率低一個數量級?!睆垥源赫f道。

      對于大氣成分觀測設備,早期主要依靠國外進口。近年來,國產儀器覆蓋范圍越來越廣,技術水平不斷提高,尤其是隨著中國氣象局觀測自動化工作不斷深入,國產儀器得到了快速發展?!澳壳?,在通用的大氣成分觀測設備中,有近九成是國產設備,但是國產設備的檢驗和準入還任重道遠?!背艘懈呔?、高靈敏度的觀測設備以外,統一的標準規范體系、計量溯源保障體系、質量管理體系,也需要進一步完善和建立,以確保觀測的準確、可靠。當然,業務科研隊伍也是保證大氣本底觀測永續發展的重要力量。

      設備的不斷發展,讓觀測也變得更智能,但數據的準確性卻仍然不能忽視。世界氣象組織每兩年組織一次國際巡回標定和比對,用嚴格的標準衡量測出的數據是否符合要求。瓦里關本底站建立近30年,每一次巡回檢查都達到了質量管理要求,支撐了數據的可靠性。

      觀測數據彌足珍貴

      “大氣本底觀測數據,是我們重要的家底?!睆垥源簭娬{。

      我國作為較早開展大氣本底觀測業務的國家之一,通過瓦里關本底站多年觀測數據,繪制出建站以來近30年的二氧化碳濃度變化曲線——即“瓦里關曲線”,成為證明全球溫室氣體濃度持續上升的有力證據,填補了歐亞大陸腹地沒有大氣本底觀象站的空白,推動了國際社會在氣候變化問題上形成共識,對減少溫室氣體排放具有重要意義。

      現如今,大氣本底數據不僅幫助我們全面了解我國大氣成分的變化情況,同時,這些數據資料也是研究氣候變化和國家環境外交談判的基礎。中國的大氣本底觀測,是中國氣象局代表中國政府履行國際義務的重要體現和具體行動。大氣本底觀測數據讓我國在全球大氣觀測等領域有了自己的國際話語權,也在應對氣候變化行動和生態文明建設中發揮著重要作用。(李倩 安濤)

      圖為瓦里關本底站溫室氣體觀測設備?供圖/張曉春

      我國為什么增建大氣本底站?

      “十四五”期間,我國將在現有7個國家大氣本底站和即將建成的廣東新豐國家大氣本底站的基礎上,在膠東半島、黃淮、四川盆地等區域選址新建9個國家大氣本底站,實現16個氣候系統關鍵觀測區國家大氣本底站的全覆蓋。自2022年6月以來,中國氣象局推進國家大氣本底站建設工作,加快完善國家大氣本底觀測站網,提升關鍵大氣成分長期觀測能力,助力應對氣候變化。

      “我們為什么要在‘十四五’時期新建9個大氣本底站?最為關鍵的就是應對氣候變化和服務于國家生態文明建設?!敝袊鴼庀缶謿庀筇綔y中心正高級工程師張曉春說。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告的綜合報告指出,人類活動導致的氣候變化毋庸置疑,要實現全球溫升控制在閾值內,減排是最重要的方式,而大氣成分觀測則是評判減排效果、應對氣候變化的關鍵和基礎。

      早在四十多年前,我國就已經開始了區域大氣本底站相關建設工作。

      20世紀80年代初,我國在北京上甸子、浙江臨安和黑龍江龍鳳山建設了3個區域大氣本底站,對酸雨、飄塵(PM10)和大氣混濁度等進行觀測;20世紀90年代初,通過選址、科學試驗論證等,著手建設瓦里關本底站;21世紀,隨著大氣監測自動化一期工程的實施,大氣本底站觀測能力不斷提升……目前,我國已建成了1個全球大氣本底站——青海瓦里關本底站,以及北京上甸子、浙江臨安、黑龍江龍鳳山、新疆阿克達拉、云南香格里拉、湖北金沙等6個區域大氣本底站,廣東新豐區域大氣本底站也正在建設之中。

      那么,這幾十年來穩定運行的大氣本底站,獲得了哪些珍貴成果呢?

      “1+3”的瓦里關和上甸子、龍鳳山、臨安四個大氣本底站,在2005年加入科技部遴選的國家大氣成分本底野外研究臺站體系,也是目前中國唯一的4個國家級大氣成分本底野外研究站。多年來,多名大氣本底站的工作人員先后參加南極科學考察,也有多名工作人員先后獲得了野外科技工作先進個人和廳局級、省部級的先進個人、先進工作者等榮譽稱號,瓦里關本底站也被科技部授予了國家野外科技工作先進集體稱號;更值得一提的是,瓦里關本底站因其高質量的大氣本底觀測數據,尤其是二氧化碳的連續變化曲線以及突出的科研成績,于2015年被周光召基金會授予“氣象科學獎”。

      此外,大氣本底站積累了大量的第一手大氣本底觀測數據,并應用于IPCC評估報告、全球溫室氣體公報、世界氣象組織全球地面臭氧評估報告以及中國氣候變化公報、中國溫室氣體公報等,服務國家生態文明建設。大氣本底站積累的大氣成分觀測數據,除了揭示了人類活動對天氣、氣候的影響以外,也為一系列科研、業務成果等提供了有力的數據支撐。以氣象部門為主編制的溫室氣體觀測相關國家和氣象行業標準而言,目前已發布7項國家標準和7項行業標準,在研3項行業標準,這些標準已為相關行業、企業開展溫室氣體觀測、國產設備研制等發揮了重要的指導作用。

      由此可看出,大氣本底站對應對氣候變化、推進國家生態文明建設具有重要意義。

      2020年,習近平總書記提出“雙碳”戰略。中國氣象局作為國內最早開展溫室氣體本底觀測業務的單位,依托良好的觀測和運行保障基礎,率先成立溫室氣體與碳中和監測評估中心,在中國氣象局的領導和中國工程院張小曳院士的帶領下,20多個省份成立了碳中和監測評估分中心,先后建立了60個高精度溫室氣體觀測站,深化監測評估工作,進一步提高了中國氣象局溫室氣體監測能力,在國內外都有很高的影響力。

      “十四五”是碳達峰的關鍵期、窗口期,結合氣候系統關鍵觀測區的觀測要求,中國氣象局將在尚未開展大氣本底觀測的氣候系統關鍵觀測區新增國家大氣本底站,實現16個氣候系統關鍵觀測區國家大氣本底站的全覆蓋。

      眼下,世界各國都針對氣候變化提出自己的主張,在國際“談判桌”上,我們必須摸清家底,了解我國真實、準確的大氣本底情況,才能掌握主動權。如今的中國已經走向世界,在應對氣候變化行動中,中國從參與者、貢獻者,逐步成為引領者,向世界貢獻了更多的中國智慧,展現大國擔當。(李悅 安濤

      圖為瓦里關本底站降水采樣器?供圖/張曉春

      “畫”給世界的這條曲線

      1994年以來,作為世界氣象組織全球大氣觀測網(WMO/GAW)32個全球大氣本底站之一的瓦里關本底站,按照觀測規范、質量標準和技術要求,持續觀測二氧化碳、甲烷等溫室氣體,以及反應性氣體、氣溶膠、太陽輻射、降水化學/酸雨等要素,用了近30年時間和準確可靠、國際可比的數據繪制出了國際氣象界赫赫有名的“瓦里關曲線”。

      經過國內外專家的對比分析,瓦里關本底站觀測到的二氧化碳濃度變化,與相距數千公里之遙的美國夏威夷冒納羅亞全球大氣本底站觀測結果幾乎一致,這揭示了大氣二氧化碳變化與氣候變化的深刻關系,是支撐聯合國氣候變化框架公約的重要數據。

      看似簡單的曲線,卻是全年無休、一刻不停地觀測獲取具有全球代表性數據的縮影——其背后融入了無數氣象工作者的智慧與心血,而緩慢上升的趨勢也直觀反映了全球溫室氣體變化的嚴峻態勢。

      繪制“瓦里關曲線”的關鍵取決于連續、高質量的觀測數據,一旦出現數據不準確、不連續的情況,就會影響對氣候變化形勢的評估以及氣候變化相關領域的研究,進而影響管理決策的研判與制定。為了獲取歐亞大陸腹地沒有人為因素干擾的全球大氣中各種大氣成分要素的濃度數據,瓦里關本底站利用高精度溫室氣體在線觀測系統、溫室氣體氣相色譜觀測系統、臭氧光譜儀等等各類先進儀器,實現了對諸多大氣成分要素的全天候、高密度觀測,每天產生6萬多個大氣成分觀測數據。

      數據所反映的氣候變化問題關系到國家的經濟發展、能源消耗、環境保護等方方面面?!跋胍趪H上有話語權,我們的數據就必須準確、可靠,有說服力?!敝袊鴼庀缶謿庀筇綔y中心正高級工程師張曉春介紹,“準確、連續的曲線代表了我國的氣象觀測能力和站網運行保障支撐能力,為我國在氣候變化談判中打足了底氣?!边@條曲線,不僅反映了氣候變化的科學事實,也見證了中國在應對氣候變化方面的決心和行動,是我國承擔國際責任、履行國際義務的重要體現,也是我們積極參與全球氣候適應與治理、作出中國貢獻的具體行動。(史光浩)

      每逢周三,瓦里關本底站觀測人員要抽取空氣運往中國氣象局和世界氣象組織進行監測分析。供圖/金泉才

      延伸閱讀:全球大氣本底觀測站網發展歷程

      全球大氣本底觀測站的建立源于全世界對于大氣環境問題的廣泛關注。1972年,聯合國組織召開人類環境有關重大國際問題的會議。至此,環境問題特別是快速工業化導致的大氣變化相關問題進入了人們的視野。

      在這樣的背景下,20世紀60年代后期,世界氣象組織建立了背景大氣本底污染監測網(BAPMoN),開始對溫室氣體、反應性氣體、氣溶膠、降水化學等進行觀測。1989年,世界氣象組織將背景大氣本底污染監測網與全球臭氧觀測系統合并,實施了世界氣象組織全球大氣觀測計劃(WMO/GAW),在全球范圍內開展大氣本底觀測。

      20世紀90年代,全球二氧化碳濃度不斷升高的趨勢越來越不容忽視,政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第一次評估報告發布,世界氣象組織在南北極等地,陸續開始建立大氣本底觀測站。1994年,我國在青海省瓦里關山建立了第一個全球大氣本底觀測站,填補了當時歐亞大陸腹地的觀測空白。

      如今,經過幾十年發展,世界氣象組織已建成全球最大、功能最全的國際性大氣成分監測網絡,共有32個全球大氣本底觀測站,以及400多個區域大氣本底觀測站,可以對具有重要天氣、氣候、環境、生態意義的大氣成分進行長期、系統和精確的綜合觀測。為進一步提升天地一體化的大氣溫室氣體監測能力,2009年前后,日本和美國先后發射了碳衛星,以進一步監測大氣溫室氣體的排放;2016年,我國也開始開展衛星監測溫室氣體的科學實驗,發射首顆二氧化碳觀測科學實驗衛星TanSat,成為全球第三個可提供碳衛星數據的國家;2023年,為了支持減少溫室氣體排放的緊急行動,進一步推進全球溫室氣體的監測評估,第19屆世界氣象大會通過了全球溫室氣體監測計劃,旨在將天基和地基觀測系統以及建模和數據同化能力集中在一起,提升對溫室氣體排放準確評估的能力。(穆俊宇)

      瓦里關本底站全景?供圖/金泉才

      (責任編輯:閆泓)

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