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(yè)務(wù)運(yùn)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(gè)境外大氣本底站以及南極中山雪冰和空間特殊環(huán)境與災(zāi)害國家野外科學(xué)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(dòng)機(jī)制開展數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)分析，以支撐全球應(yīng)對氣候變化。其觀測數(shù)據(jù)也已被納入世界氣象組織《南極“臭氧洞”公報(bào)》、中國氣象局《極地氣候變化年報(bào)》。

對于公眾而言，大氣本底站這個(gè)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(tái)站是一回事嗎？我國有多少個(gè)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(guān)大氣本底站的知識(shí)前，我們先來認(rèn)識(shí)一下大氣本底。

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

觀測大氣本底需在遠(yuǎn)離人類活動(dòng)影響的區(qū)域進(jìn)行，對經(jīng)過充分混合、不受局地污染物排放影響的大氣成分進(jìn)行觀測， 以最大限度“ 還原” 大氣的真實(shí)狀況與成分構(gòu)成。

大氣本底站堪稱把握大氣本底變化規(guī)律的“ 指示牌”， 其全稱為大氣本底監(jiān)測站。除了觀測基礎(chǔ)氣象要素外， 大氣本底站的工作人員會(huì)圍繞溫室氣體、氣溶膠、反應(yīng)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(diǎn)、長期、連續(xù)的觀測。其數(shù)據(jù)資料可揭示大氣運(yùn)動(dòng)的物理和化學(xué)過程， 對提高氣候預(yù)測準(zhǔn)確率、拓展氣象服務(wù)領(lǐng)域具有重要意義。另外， 由于這些測量站點(diǎn)周圍的大氣成分相對潔凈穩(wěn)定、遠(yuǎn)離人為干擾， 可讓研究人員準(zhǔn)確地感知溫室氣體濃度變化， 捕捉氣候變化的微小信號(hào)。經(jīng)過長期數(shù)據(jù)積累，能夠逐步摸清本區(qū)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(huán)境污染問題的廣泛關(guān)注。20 世紀(jì)60 年代后期， 世界氣象組織建立了背景大氣本底污染監(jiān)測網(wǎng)（BAPMoN）。1989 年，世界氣象組織將背景大氣本底污染監(jiān)測網(wǎng)與全球臭氧觀測系統(tǒng)合并，實(shí)施了全球大氣觀測計(jì)劃（WMO GAW）， 陸續(xù)在全球不同地區(qū)開展大氣本底觀測。

世界氣象組織全球大氣觀測計(jì)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(shù)千千米以上，區(qū)域大氣本底站代表的空間尺度范圍僅為幾十至數(shù)百千米。目前， 世界范圍內(nèi)有34個(gè)全球大氣本底站、400余個(gè)區(qū)域大氣本底站。

為何不納入氣象站網(wǎng)

一提到大氣觀測，人們首先想到的就是氣象站。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國的氣象站如今已遍布縣及縣以上行政區(qū)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(zhèn)）、三沙市（南海）永暑礁等祖國邊陲也建有氣象站。不過，在27個(gè)國家氣候觀象臺(tái)、200 余個(gè)國家基準(zhǔn)氣候站（ 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)）、1000 多個(gè)國家基本氣象站組成的國家氣象監(jiān)測站網(wǎng)中，找不到大氣本底站的身影，國家氣候觀象臺(tái)才是氣象站中的“頂流”。不僅如此，在全國環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)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(jìn)行觀測，為何不利用已經(jīng)建好的氣象臺(tái)站與環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)，而是興建專門的大氣本底站？氣象觀測站、環(huán)境監(jiān)測站與大氣本底站到底有什么區(qū)別？

大氣本底站是經(jīng)世界氣象組織布局興建的，具有全球?qū)傩耘c科考價(jià)值，其重要程度遠(yuǎn)超國家氣象監(jiān)測站網(wǎng)與環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)，且它們在觀測內(nèi)容、觀測尺度、應(yīng)用領(lǐng)域等方面差異巨大。通俗地說， 氣象站網(wǎng)是給天氣現(xiàn)象做“CT 掃描”，環(huán)境站點(diǎn)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(nèi)容看，氣象站觀測氣溫、降水、大風(fēng)等天氣現(xiàn)象，涉及的觀測要素大多集中在大氣物理領(lǐng)域；而大氣本底站除了觀測常規(guī)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(xué)等項(xiàng)目，大多屬于大氣化學(xué)范疇，這點(diǎn)與環(huán)保部門的空氣質(zhì)量監(jiān)測類似，均與生態(tài)環(huán)境、人體健康密切相關(guān)。

只是，環(huán)境站的監(jiān)測集中在城市下墊面、易污染區(qū)域、大氣環(huán)境復(fù)雜場景，聚焦在小范圍污染引發(fā)的空氣質(zhì)量瞬間驟變波幅，監(jiān)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(wěn)定且純凈的大氣長期變化規(guī)律，監(jiān)測尺度梯度相對更大。

在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，氣象站與環(huán)境站現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)主要用于向社會(huì)及時(shí)發(fā)布城市天氣預(yù)報(bào)與空氣污染預(yù)警，均屬常規(guī)業(yè)務(wù)范疇。大氣本底站的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)歷史累積后獨(dú)具科研價(jià)值，可用來進(jìn)行全球或區(qū)域氣候變化研究，并可作為國際組織與政府間制定產(chǎn)業(yè)政策、改善人居環(huán)境、發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的決策依據(jù)。

簡單來講，氣象站

記錄生活中的雨雪風(fēng)霜，環(huán)境站關(guān)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(dòng)。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(fēng)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(xù)觀測大氣二氧化碳濃度變化而聞名于世。其觀測數(shù)據(jù)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(xué)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(tuán)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(shí)到，國內(nèi)在大氣成分監(jiān)測、空氣污染預(yù)報(bào)及控制等領(lǐng)域還是一片“空白”。

為填補(bǔ)“空白”，我國從20世紀(jì)80年代著手建設(shè)大氣本底觀測站網(wǎng)。直到20世紀(jì)末，我國的大氣本底觀測站網(wǎng)長期維持著“3+1”的結(jié)構(gòu)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(qū)域大氣本底站，“1”是指青海瓦里關(guān)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(jīng)過幾十年的發(fā)展，這些穩(wěn)定運(yùn)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(lán)天白云

上甸子國家大氣本底站坐落于北京市密云區(qū)高嶺鎮(zhèn)上甸子村，是我國第一個(gè)大氣本底站，主要承擔(dān)華北地區(qū)及京津冀地區(qū)大氣環(huán)境觀測與氣候變化研究的任務(wù)。

該站于1958 年開展地面氣象觀測，1981 年在此建設(shè)區(qū)域大氣本底站，并在1982 年開始進(jìn)行大氣成分觀測業(yè)務(wù)，一直關(guān)注酸雨、PM10、臭氧總量、大氣飄塵、大氣混濁度、降水化學(xué)分析以及二氧化碳?xì)怏w的觀測與研究。目前，該站的觀測項(xiàng)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(xué)研究站。

從大西北刮來的沙塵暴與周邊環(huán)境造成的霧霾天，逃不過其敏銳的“眼睛”；燕山區(qū)域大氣“變暖”與“變干”的事實(shí)，也是根據(jù)上甸子站長達(dá)60年的氣候觀測數(shù)據(jù)得出的結(jié)論。近10年來的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)已成為檢驗(yàn)大氣污染治理成果的“試金石”，從“APEC藍(lán)”到“奧運(yùn)藍(lán)”，今天的北京確實(shí)較以往擁有了更多的藍(lán)天、白云。

浙江臨安站 把脈“長三角”的風(fēng)向標(biāo)

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(shè)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(tài)污染物的光學(xué)、物理、化學(xué)特性分析，再結(jié)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(fā)展趨勢，使自身成為監(jiān)測該地區(qū)大規(guī)模工業(yè)化、城市化進(jìn)程中生態(tài)環(huán)境保護(hù)的“消息樹”。

自1984年投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，該站已積累超過40 年的大氣本底觀測數(shù)據(jù)。浙江省氣象部門還以臨安國家大氣本底站為中心站，建設(shè)了覆蓋全省的高質(zhì)量溫室氣體觀測站網(wǎng)，以便更好地滿足“碳達(dá)峰”“碳中和”評估分析需求，為政府決策提供更加有力的數(shù)據(jù)支撐與科學(xué)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(biāo)校中心（WMO/WCC）的嚴(yán)格考核。這標(biāo)志著，其溫室氣體和地面臭氧觀測系統(tǒng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

黑龍江龍鳳山站 探尋關(guān)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(yè)務(wù)運(yùn)行。該站地處松嫩平原丘陵地帶張廣才嶺中部，擔(dān)負(fù)著對周圍大片森林、濕地、農(nóng)田以及三江流域大氣成分的采樣任務(wù)。

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

不久前，龍鳳山國家大氣本底站正式啟動(dòng)大氣成分觀測數(shù)據(jù)集建設(shè)工作。該數(shù)據(jù)集將完整記錄東北亞季風(fēng)區(qū)大氣本底演變過程，成為東北地區(qū)首個(gè)時(shí)間跨度超過30年的高精度大氣本底觀測數(shù)據(jù)資源，廣泛應(yīng)用于極端天氣預(yù)警、碳收支核算、生態(tài)安全評估等領(lǐng)域，為東北亞氣候變化研究和寒地區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

青海瓦里關(guān)站 吐納亞歐大陸呼吸

20世紀(jì)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(fā)展趨勢，世界氣象組織在南北極等地陸續(xù)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(bǔ)全球大氣本底監(jiān)測網(wǎng)的空白，中國氣象局聯(lián)合世界氣象組織自1989年開始啟動(dòng)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(guān)山最終成功入圍。瓦里關(guān)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(dāng)于海平面的67%，空間和環(huán)境代表性較好。

1994年9月17日，瓦里關(guān)全球大氣本底站投入業(yè)務(wù)運(yùn)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(guān)站陸續(xù)開展了七大類24項(xiàng)200多種關(guān)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(shù)體系。站內(nèi)的大部分觀測項(xiàng)目可24小時(shí)不間斷運(yùn)行， 每天產(chǎn)生20余萬條數(shù)據(jù)鏈。

該站最具代表性的成就之一是擁有國內(nèi)連續(xù)時(shí)間最長的溫室氣體濃度數(shù)據(jù)序列。基于瓦里關(guān)全球大氣本底站30年準(zhǔn)確可靠、國際可比的觀測數(shù)據(jù)繪制出的“二氧化碳變化曲線”，在國際氣象學(xué)領(lǐng)域赫赫有名。經(jīng)國際對比分析，瓦里關(guān)全球大氣本底站觀測到的二氧化碳濃度變化， 與相距數(shù)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(xù)上升這一論點(diǎn)的有力證據(jù)，也是支撐聯(lián)合國氣候變化框架公約的重要數(shù)據(jù)之一。這條曲線被稱為“瓦里關(guān)曲線”。

2006年后， 我國陸續(xù)新建4 個(gè)區(qū)域大氣本底站：在新疆阿勒泰興建阿克達(dá)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(fēng)挺進(jìn)歐亞大陸對中亞區(qū)域的影響；在云南迪慶建設(shè)香格里拉大氣本底站，觀測云貴高原三江并流生態(tài)區(qū)域大氣變化以及印度洋季風(fēng)遠(yuǎn)距離輸送對中南半島區(qū)域的影響；在湖北咸寧建設(shè)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(qū)水體生態(tài)修復(fù)進(jìn)程；在廣東韶關(guān)建設(shè)的新豐大氣本底站可觀測粵港澳大灣區(qū)大氣質(zhì)量以及西太平洋季風(fēng)對嶺南低緯度地區(qū)的影響。至此，我國的國家級大氣本底核心觀測網(wǎng)絡(luò)體系初步建成。

但是，在更長時(shí)間尺度的氣候變化影響下，這些本底站的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。為此，中國氣象局于2018年印發(fā)《大氣本底站建設(shè)指導(dǎo)意見》，提出在環(huán)渤海陸海氣、黃淮農(nóng)田生態(tài)、四川盆地環(huán)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(gè)氣候系統(tǒng)關(guān)鍵觀測區(qū)新建一批國家大氣本底站，實(shí)現(xiàn)16個(gè)氣候系統(tǒng)關(guān)鍵觀測區(qū)國家大氣本底站的全覆蓋。同時(shí)，有針對性地在海洋、島嶼以及境外極地等特殊生態(tài)功能區(qū)建設(shè)一批大氣本底站，作為探測全球氣候變化規(guī)律的有益補(bǔ)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(shí)狀況與初始原貌。根據(jù)規(guī)定，大氣本底站附近30千米范圍為保護(hù)區(qū)，禁止進(jìn)行工商業(yè)開發(fā)建設(shè)；1千米范圍內(nèi)為核心區(qū)，盡量保證人煙稀少。為保持觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，周邊環(huán)境在50年內(nèi)不允許發(fā)生大的變化。由于山區(qū)相對封閉，大氣成分受風(fēng)力及風(fēng)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(xué)范疇的價(jià)值

節(jié)能減排是將全球升溫幅度控制在閾值以內(nèi)最有效的方式，大氣本底觀測數(shù)據(jù)是檢驗(yàn)與評判減排效果的最具權(quán)威的依據(jù)，因而，大氣本底站在延緩全球變暖、推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)中具有指標(biāo)性意義。

我國一直是全球氣候變化多邊談判進(jìn)程的積極參與者與堅(jiān)定維護(hù)者，“瓦里關(guān)曲線”揭示了東亞乃至北半球大氣環(huán)流的變化規(guī)律，為做出全球溫室氣體濃度持續(xù)上升這一結(jié)論提供了有力證據(jù)，極大地提升了我國在國際氣候變化談判中的話語權(quán)。

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(chuàng)建“ 有序人類活動(dòng)” 理論框架中，中國也將為發(fā)展中國家推動(dòng)“碳達(dá)峰” 與“ 碳中和” 實(shí)踐爭取更大的權(quán)益。

【責(zé)任編輯】趙菲