大氣本底站 “感觸”地球的呼吸

2024年12月1日，我國建于南極拉斯曼丘陵的南極中山國家大氣本底站正式投入業務運行。目前，該站已建成涵蓋臭氧、二氧化碳、氣溶膠等七大類大氣成分多要素的綜合觀測體系。作為我國首個境外大氣本底站以及南極中山雪冰和空間特殊環境與災害國家野外科學觀測研究站，該站將對大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈互動機制開展數據采集與系統分析，以支撐全球應對氣候變化。其觀測數據也已被納入世界氣象組織《南極“臭氧洞”公報》、中國氣象局《極地氣候變化年報》。

對于公眾而言，大氣本底站這個名詞聽上去有些陌生。什么是大氣本底和大氣本底站？大氣本底站是用來做什么的？它與氣象臺站是一回事嗎？我國有多少個大氣本底站，目前都取得了哪些科研成果？

觀測大氣變化的前哨

在介紹有關大氣本底站的知識前，我們先來認識一下大氣本底。

大氣本底是指在全球或區域尺度范圍內，大氣成分及其相關特性的長期平均狀態和變化規律。通俗來講，大氣本底是指不受人類活動與局地環境污染影響區域大氣成分的自然含量，其特性與狀態變化趨勢可作為氣候變化與生態變遷的科學佐證。

觀測大氣本底需在遠離人類活動影響的區域進行，對經過充分混合、不受局地污染物排放影響的大氣成分進行觀測， 以最大限度“ 還原” 大氣的真實狀況與成分構成。

大氣本底站堪稱把握大氣本底變化規律的“ 指示牌”， 其全稱為大氣本底監測站。除了觀測基礎氣象要素外， 大氣本底站的工作人員會圍繞溫室氣體、氣溶膠、反應性氣體、大氣臭氧總量、大氣干濕沉降以及太陽輻射變化等大氣成分要素， 開展定點、長期、連續的觀測。其數據資料可揭示大氣運動的物理和化學過程， 對提高氣候預測準確率、拓展氣象服務領域具有重要意義。另外， 由于這些測量站點周圍的大氣成分相對潔凈穩定、遠離人為干擾， 可讓研究人員準確地感知溫室氣體濃度變化， 捕捉氣候變化的微小信號。經過長期數據積累，能夠逐步摸清本區域的氣候變化趨勢。

全球大氣本底站的建立源于人們對全球變暖與大氣環境污染問題的廣泛關注。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）。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，實施了全球大氣觀測計劃（WMO GAW）， 陸續在全球不同地區開展大氣本底觀測。

世界氣象組織全球大氣觀測計劃按照站址代表性， 將大氣本底站分為兩類， 其中， 全球大氣本底站代表的空間尺度范圍一般在數千千米以上，區域大氣本底站代表的空間尺度范圍僅為幾十至數百千米。目前， 世界范圍內有34個全球大氣本底站、400余個區域大氣本底站。

為何不納入氣象站網

一提到大氣觀測，人們首先想到的就是氣象站。經過多年的發展，我國的氣象站如今已遍布縣及縣以上行政區域，不僅在泰山、黃山、峨眉山等名山大川建有氣象站，而且在漠河市北極村（鎮）、三沙市（南海）永暑礁等祖國邊陲也建有氣象站。不過，在27個國家氣候觀象臺、200 余個國家基準氣候站（ 關鍵節點）、1000 多個國家基本氣象站組成的國家氣象監測站網中，找不到大氣本底站的身影，國家氣候觀象臺才是氣象站中的“頂流”。不僅如此，在全國環境監測站點中也難覓大氣本底站的蹤跡。

這是為什么呢？

既然大氣本底站也是對大氣進行觀測，為何不利用已經建好的氣象臺站與環境監測站點，而是興建專門的大氣本底站？氣象觀測站、環境監測站與大氣本底站到底有什么區別？

大氣本底站是經世界氣象組織布局興建的，具有全球屬性與科考價值，其重要程度遠超國家氣象監測站網與環境監測站點，且它們在觀測內容、觀測尺度、應用領域等方面差異巨大。通俗地說， 氣象站網是給天氣現象做“CT 掃描”，環境站點是給污染空氣做“激光彩超”，大氣本底站則是給大氣成分做“核磁共振”。

從觀測內容看，氣象站觀測氣溫、降水、大風等天氣現象，涉及的觀測要素大多集中在大氣物理領域；而大氣本底站除了觀測常規氣象要素外，主要觀測大氣成分，像臭氧、氮氧化物、黑碳等懸浮顆粒物以及酸雨與降水化學等項目，大多屬于大氣化學范疇，這點與環保部門的空氣質量監測類似，均與生態環境、人體健康密切相關。

只是，環境站的監測集中在城市下墊面、易污染區域、大氣環境復雜場景，聚焦在小范圍污染引發的空氣質量瞬間驟變波幅，監測尺度梯度相對較小；而大氣本底站觀測地處野外，觀測高空、大尺度、不受人為影響、穩定且純凈的大氣長期變化規律，監測尺度梯度相對更大。

在數據應用方面，氣象站與環境站現場觀測的數據主要用于向社會及時發布城市天氣預報與空氣污染預警，均屬常規業務范疇。大氣本底站的觀測數據經歷史累積后獨具科研價值，可用來進行全球或區域氣候變化研究，并可作為國際組織與政府間制定產業政策、改善人居環境、發展綠色經濟的決策依據。

簡單來講，氣象站

記錄生活中的雨雪風霜，環境站關注城市空氣污染，大氣本底站則專門觀測與研究那些涉及“臭氧層”的“高端”活動。冒納羅亞全球大氣本底站該站位于美國夏威夷島冒納羅亞火山荒蕪的北坡，海拔3397 米，高于信風逆溫層，大氣潔凈度極高，是世界上最早建立的全球大氣本底站之一。這里因從1958年開始連續觀測大氣二氧化碳濃度變化而聞名于世。其觀測數據能夠客觀地反映全球溫室氣體變化，成為研究全球氣候變化的科學佐證。

記錄中國大氣萬千變化

1979年，我國政府組織海洋氣象科技代表團訪問美國，參觀了20多家氣象科技單位，其中就包括冒納羅亞全球大氣本底站。這次參觀訪問讓我國的氣象專家意識到，國內在大氣成分監測、空氣污染預報及控制等領域還是一片“空白”。

為填補“空白”，我國從20世紀80年代著手建設大氣本底觀測站網。直到20世紀末，我國的大氣本底觀測站網長期維持著“3+1”的結構布局，其中，“3”是指北京上甸子、浙江臨安、黑龍江龍鳳山三大區域大氣本底站，“1”是指青海瓦里關全球大氣本底站。我國也是世界上較早開展大氣本底觀測的國家之一。

經過幾十年的發展，這些穩定運行的大氣本底站獲得了眾多珍貴的科研成果。

北京上甸子站 問診首都藍天白云

上甸子國家大氣本底站坐落于北京市密云區高嶺鎮上甸子村，是我國第一個大氣本底站，主要承擔華北地區及京津冀地區大氣環境觀測與氣候變化研究的任務。

該站于1958 年開展地面氣象觀測，1981 年在此建設區域大氣本底站，并在1982 年開始進行大氣成分觀測業務，一直關注酸雨、PM10、臭氧總量、大氣飄塵、大氣混濁度、降水化學分析以及二氧化碳氣體的觀測與研究。目前，該站的觀測項目涵蓋《京都議定書》中的六大類近百余種要素。

2005 年，上甸子國家大氣本底站通過了由科技部組織的國家野外站評審，成為全國首批大氣本底國家野外科學研究站。

從大西北刮來的沙塵暴與周邊環境造成的霧霾天，逃不過其敏銳的“眼睛”；燕山區域大氣“變暖”與“變干”的事實，也是根據上甸子站長達60年的氣候觀測數據得出的結論。近10年來的監測數據表明，北京的PM2.5和一氧化碳、二氧化硫濃度呈明顯下降趨勢，二氧化氮濃度下降趨勢不明顯，臭氧與溫室氣體濃度有所增加。這些數據已成為檢驗大氣污染治理成果的“試金石”，從“APEC藍”到“奧運藍”，今天的北京確實較以往擁有了更多的藍天、白云。

浙江臨安站 把脈“長三角”的風向標

1983年，中國氣象局就在浙江臨安獅子山下、西徑山旁的大羅村一座海拔138.6米的小山上建設了臨安國家大氣本底站，其觀測范圍輻射江蘇、浙江、上海等地。

該站通過對氣溶膠與氣態污染物的光學、物理、化學特性分析，再結合臭氧垂直廓線測定，光化輻射通量譜、紫外總輻射、地表通量和輻射平衡觀測，能靈敏捕捉到來自“長三角”城市群大氣成分的變化軌跡與發展趨勢，使自身成為監測該地區大規模工業化、城市化進程中生態環境保護的“消息樹”。

自1984年投入業務運行以來，該站已積累超過40 年的大氣本底觀測數據。浙江省氣象部門還以臨安國家大氣本底站為中心站，建設了覆蓋全省的高質量溫室氣體觀測站網，以便更好地滿足“碳達峰”“碳中和”評估分析需求，為政府決策提供更加有力的數據支撐與科學保障。

2016年，臨安國家大氣本底站順利通過世界氣象組織/世界標校中心（WMO/WCC）的嚴格考核。這標志著，其溫室氣體和地面臭氧觀測系統達到了國際先進水平。

黑龍江龍鳳山站 探尋關東林海雪原

龍鳳山國家大氣本底站始建于1987年，1991年10月投入業務運行。該站地處松嫩平原丘陵地帶張廣才嶺中部，擔負著對周圍大片森林、濕地、農田以及三江流域大氣成分的采樣任務。

該站通過對我國唯一的世界級冰雪旅游帶、“北國稻米之鄉”以及松遼平原廣大區域大氣成分的自然含量、特性與狀態變化趨勢的連續觀測，累計獲取超過百萬組高精度大氣本底數據，找到了打開中溫帶大陸性季風氣候以及生物質燃燒（秸稈焚燒）對北大荒黑土地影響的“密碼鎖”，服務于祖國大糧倉、興安大森工、大慶大油田、煤田大礦山的生態平衡。

不久前，龍鳳山國家大氣本底站正式啟動大氣成分觀測數據集建設工作。該數據集將完整記錄東北亞季風區大氣本底演變過程，成為東北地區首個時間跨度超過30年的高精度大氣本底觀測數據資源，廣泛應用于極端天氣預警、碳收支核算、生態安全評估等領域，為東北亞氣候變化研究和寒地區域生態環境治理提供科學數據。

青海瓦里關站 吐納亞歐大陸呼吸

20世紀90年代，全球二氧化碳濃度不斷升高的趨勢已不容忽視，為了解大氣成分的具體變化情況和發展趨勢，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，但歐亞大陸腹地仍是一片空白。

為彌補全球大氣本底監測網的空白，中國氣象局聯合世界氣象組織自1989年開始啟動全球大氣本底站的選址工作，地處青藏高原三江源腹地的瓦里關山最終成功入圍。瓦里關山海拔3816 米，地勢孤立，人煙稀少，年平均氣溫在0℃以下，平均含氧量相當于海平面的67%，空間和環境代表性較好。

1994年9月17日，瓦里關全球大氣本底站投入業務運行。它也是我國唯一的全球大氣本底站。

作為海拔最高的全球大氣本底站，瓦里關站陸續開展了七大類24項200多種關鍵大氣成分要素的觀測，形成全要素、全覆蓋的完整的大氣本底觀測技術體系。站內的大部分觀測項目可24小時不間斷運行， 每天產生20余萬條數據鏈。

該站最具代表性的成就之一是擁有國內連續時間最長的溫室氣體濃度數據序列。基于瓦里關全球大氣本底站30年準確可靠、國際可比的觀測數據繪制出的“二氧化碳變化曲線”，在國際氣象學領域赫赫有名。經國際對比分析，瓦里關全球大氣本底站觀測到的二氧化碳濃度變化， 與相距數千千米之遙的西太平洋夏威夷島冒納羅亞全球大氣本底站觀測到的二氧化碳濃度變化波幅基本同步，是支持全球溫室氣體濃度持續上升這一論點的有力證據，也是支撐聯合國氣候變化框架公約的重要數據之一。這條曲線被稱為“瓦里關曲線”。

2006年后， 我國陸續新建4 個區域大氣本底站：在新疆阿勒泰興建阿克達拉大氣本底站，觀測天山冰川融水、戈壁大氣成分以及大西洋季風挺進歐亞大陸對中亞區域的影響；在云南迪慶建設香格里拉大氣本底站，觀測云貴高原三江并流生態區域大氣變化以及印度洋季風遠距離輸送對中南半島區域的影響；在湖北咸寧建設金沙大氣本底站，觀測長江中游大氣干濕沉降以及五大湖區水體生態修復進程；在廣東韶關建設的新豐大氣本底站可觀測粵港澳大灣區大氣質量以及西太平洋季風對嶺南低緯度地區的影響。至此，我國的國家級大氣本底核心觀測網絡體系初步建成。

但是，在更長時間尺度的氣候變化影響下，這些本底站的數量遠遠不能滿足需要。為此，中國氣象局于2018年印發《大氣本底站建設指導意見》，提出在環渤海陸海氣、黃淮農田生態、四川盆地環境、錫林郭勒草原、敦煌沙漠陸面過程、青藏高原陸面與大氣過程等8個氣候系統關鍵觀測區新建一批國家大氣本底站，實現16個氣候系統關鍵觀測區國家大氣本底站的全覆蓋。同時，有針對性地在海洋、島嶼以及境外極地等特殊生態功能區建設一批大氣本底站，作為探測全球氣候變化規律的有益補充。

大氣本底站為何選址在野外

大氣本底站選址荒山野嶺，主要是為了還原大氣真實狀況與初始原貌。根據規定，大氣本底站附近30千米范圍為保護區，禁止進行工商業開發建設；1千米范圍內為核心區，盡量保證人煙稀少。為保持觀測數據的連續性，周邊環境在50年內不允許發生大的變化。由于山區相對封閉，大氣成分受風力及風向影響甚小，因而備受青睞，成為大氣本底站建站的不二之選。

超越科學范疇的價值

節能減排是將全球升溫幅度控制在閾值以內最有效的方式，大氣本底觀測數據是檢驗與評判減排效果的最具權威的依據，因而，大氣本底站在延緩全球變暖、推動生態文明建設中具有指標性意義。

我國一直是全球氣候變化多邊談判進程的積極參與者與堅定維護者，“瓦里關曲線”揭示了東亞乃至北半球大氣環流的變化規律，為做出全球溫室氣體濃度持續上升這一結論提供了有力證據，極大地提升了我國在國際氣候變化談判中的話語權。

南北兩極是全球氣候變化的“放大器”。南極中山大氣本底站的建成， 讓我國在極地有了觀測全球氣候變化的“ 瞭望哨”， 有望在未來繪就一條“ 南極中山曲線”。在全球創建“ 有序人類活動” 理論框架中，中國也將為發展中國家推動“碳達峰” 與“ 碳中和” 實踐爭取更大的權益。

【責任編輯】趙菲