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中國網/中國發展門戶網訊 工業反動以來，隨著社會生產力的年夜幅進步，人類活動向地球年夜氣排放的淨化成分也年夜幅增添，嚴重影響了地球年夜氣的物理、化學和輻射性質，導致了全球氣候和環境顯著變化。全球氣候變熱佈景下極端天氣氣候事務的頻繁發生，也對經濟社會和國民性命財產平安等產生了深遠影響。研討人員在代表性野外臺站采用先進觀測儀器設備，針對關鍵氣候環境要素開展長期中正區 水電行連續高質量探測，特別是針對復雜過程的集成探測，是深刻懂得人類活動氣候環境效應的主要基礎，將顯著促進對區域甚至全球氣候環境變化及影響的深刻認識，服務國際經濟社會發展，促進國家可持續發展戰略的實施，對于氣象和氣候防災減災和國防平安都具有主要科學意義和社會價值。

中國科學院年夜氣物理研討所（以下簡稱“年夜氣所”）于1973年在河北省噴鼻河縣樹立噴鼻河年夜氣綜合觀測試驗站，21世紀初參加中國科學院日地空間環境觀測網絡，成為中國科學院開放站，2020年改名為華北噴鼻河氣候與環境綜合野內科學觀測研討站（以下簡稱“噴鼻河站”）。建站初期，噴鼻河站重要以激光、毫米波測雨雷達和微波輻射計等高新年夜氣探測技術研發為任務重點。在20世紀70年月末噴鼻河站開始地面氣球的研發任務，現已具備研發定壓和超壓地面氣球才能，屢次為嚴重活動供給保證服務。始于1979年的臭氧觀測，歷經數代人的不懈盡力延續至今，獲得了我國最長的臭的。一個混蛋。氧總量觀測時間序列，參加世界臭氧和紫外輻射數據中間（WOUDC），為研討平流層臭氧耗損等科學問題供給了基礎數據。20世紀80年月，噴鼻河站開展了甚高頻中高層年夜氣雷達（VHF/ST雷達）研發。21世紀以來，噴鼻河站相繼參加全球氣溶膠監測網絡（AERONET）和國際基準空中輻射觀測網絡（BSRN），屢次開展氣溶膠-云-輻射聯合觀測試驗和空氣質量外場觀測試驗。經過近半個世紀的發展，噴鼻河站已建成為從邊界層到中高層年夜氣多成分和多要素綜合觀測實驗基地，包含對流層-平流層-中間層（MST）雷達、地面氣球、GPS數字臭氧探空儀、Dobson/Brewer紫外光譜台北 水電儀、中高層年夜氣放電探測系統、云-氣溶膠-輻射觀測系統等，并獲得了一系列主要結果，在東亞中緯度地區年夜氣探測領域具有不成替換的感化，已成為在國內外有著名度和顯示度的野內科學觀測研討站。

MST雷達連續探測獲取慣水電師傅性重力涉及湍流參數特征與分布的新認識

噴鼻河站MST雷達是國家嚴重科技基礎設施“子午工程”（以下簡稱“子午工程”）支撐建設的年夜型焦點設備之一。MST雷達應用年夜氣湍流等活動形成的年夜氣折射率不規則體對雷達發射電磁波的散射，實現對流層—下平流層（3—25 km）、中間層—低熱層（60—90 km及以上）程度風、垂直速率、湍流等的全天時高時空辨別率（垂直辨別率≤150 m；時間辨別率≤30 min）連續探測，是探測研討全年夜氣層多標準動力學（風場、波動、湍流等）特征、過程及年夜氣高低層耦合的獨特且主要的手腕。

自2011年起，MST雷達為“子午工程”及中國科學院日地空間環境觀測研討網絡供給高質量連續觀測數據，服務保證了屢次航空航天探測任務，屢次獲得“子午工程”個人和集體榮譽。在雷達探測才能驗證、反演算法發展改進、年夜氣主要參數提取算法研討，年夜氣重力波、湍流特征研討等方面獲得了一批結果：通過與無線電探空及流星雷達數據比對剖析，驗證了MST雷達在對流層-下平流層以及中間層-低熱層的探測才能與程度風場數據的靠得住性，與HWM07形式、ERA-Interim再剖析數據月均勻緯向風時空分布對比，均顯示MST雷達對3—25 km及65—100 km年夜氣程度風有很好的探測才能（圖1），可在年夜氣高低層動力耦合方面發揮感化。發展了2種功率譜數據反演算法，有用往除飛機雜波等的干擾，顯著進步了垂直速率、譜寬等反演精度，構建了高質量的數據集，獲得授權專利1項，發展的反演算法適用于雷同探測道理的風廓線雷達。發展了準確提取各采樣高度重力波參數的方式，獲得了對流層—下平流層慣性重力波參數特征與波源的新認識，該方式將MST雷達觀測到的重力波經向擾動分化為能量上傳與下傳波動，使得研討結果加倍嚴謹準確（圖2）。基于改進的譜寬數據等，初次評估了國際常用湍流參數計算3種模子的適用，并初次獲得了我國年夜陸區域對流層—下平流層高時空辨別率湍流耗散率與垂直湍流擴散系數，時空剖面如圖3所示，大安區 水電為形式供給主要實測參數。

圖1 2012年噴鼻河站月均勻緯向風時空分布圖

Figure 1Time-altitude distribution of monthly mean zonal wind in Xianghe station of 2012

（a）HWM07形式；（b）MST雷達在中間層-低熱層的探測結果；（c）ERA-Interim再剖析；（d）MST雷達在對流層-下平流層的探測結果

(a) HWM07 model; (b) MST radar observations in mesosphere-lower thermosphere; (c) ERA-Interim data; (d) MST radar observations in troposphere-lower stratosphere

圖2 2012年5月14—18日噴鼻河站MS“媽媽，我女兒沒說什麼。”藍玉華低聲說道。T雷達測得的重力波經向擾動時空剖面圖

Figure 2Time-altitude sections of meridi藍玉華當然聽出了她的心意，但又無法向她解釋，這只是一場夢，又何必在意夢中的人呢？更何況，以她現在的心態，真不覺onal wind fluctuations associated with gravity waves observed by MST radar in Xianghe station during 14–18 May 2012

（a）經向風擾動；（b）重力波能量上傳時的經向風擾動；（c）重力波能量下傳的經向風擾動

(a) Meridional wind fluctuations; (b) decomposed meridional wind fluctuations associated with energy upward propagating gravity waves; (c) decomposed meridional wind fluctuations associated with energy downward propagating gravity waves

圖3 2012—2014年噴鼻河站MST雷達測站上空對流層—下平流層湍流耗散率（a）與垂直湍流擴散水電網系數的時空剖面（b）

Figure 3Time-altitude distributions of turbulence energy dissipation rate (a) and vertical eddy diffusion coefficient (b) calculated using MST radar observations in troposphere and lower stratosphere over Xianghe station in 2012–2014

紅色星號表現應用探空數據計算的對流層頂高度

Red stars indicate the tropopause height obtained using the Beijing radiosonde observations

噴鼻河站MST雷達維護和數據剖析團隊從雷達原始數據處理、算法改進獲得的經驗，以及在對年夜氣多標準動力研討中提煉的科學問題，為“子午工程台北 水電 維修”二期青躲高原分系統在西躲羊八井MST雷達的優化設計和數據應用供給了很好借鑒。噴鼻河站科研團隊充足結合科學研討與先進探測技術，確大安區 水電行保從科學目標、探測形式、信號數據處理到應用研討多鏈條多層次的系統總體規劃與長期先進性，未來無望實現多MST雷達組網配合觀測，為基礎前沿和應用問題的研討供給主要數據。

信義區 水電行臭氧觀測提醒北半球中緯度地區臭氧年際和年月際變化特征水電網

年夜氣臭氧含量是全球氣候和年夜氣環境研討中的重點關注對象。約10%的臭氧存在于對流層，是主要的大安區 水電行溫室氣體和淨化氣體；約90%的臭氧存在于平流層接收太陽紫外輻射，是地球生態系統的保護傘，也直接影響平流層溫度層結，調節年夜氣環流和全球氣候。天然和人類活動導致的對流層戰爭流層臭氧變化備受關注。噴鼻河站開展的Dobson臭氧總量觀測數據顯示：1984年智利El Chichon火山和1991年菲律賓Pinatubo火山噴發的硫酸鹽氣溶膠通過化學過程影響了中緯度平流層臭氧濃度；20世紀90年月之後人為前體物氟利昂等物質的排放導致中緯度地區臭氧的耗損，此后噴鼻河站臭氧總量總體呈上升趨勢，而2010年以來臭氧總體程度呈降落趨勢（圖4）。

中正區 水電圖4 2001—2018年噴鼻河臭氧總量年均時間序列

Figure 4Time series of annual column ozone content over Xianghe during 2001–2018

噴鼻河站科研團隊自立研制了單池和雙池臭氧探空儀，并應用該儀器開展了長達20余年的觀測，獲取了我國年夜陸地區今朝獨一的長期臭氧廓線探測數據集。與Dobson臭氧儀測量的臭氧總量對比驗證了臭氧探空儀測量的靠得住性（圖5）。基于臭氧廓線長期探測，結合數值形式，研討提醒了噴鼻河對流層臭氧變化趨勢，并量化了人類活動和天然過程的相對貢獻。2002—2010年，噴鼻河對流層臭氧呈現明顯上升趨勢，特別是夏日對流層臭氧上升趨勢很是顯著，重要緣由是對流層光化學天生，動力過程次之。2013年實檀越要淨化物總量減排把持辦法后，噴鼻河對流層臭氧呈現緩慢但不顯著的上升趨勢。

圖5 2001—2019年信義區 水電噴鼻河Dobson測量臭中正區 水電行氧總量和臭氧探空儀柱總量月均值對比

Figure 5Comparison of monthly average column ozone content over Xianghe from Dobson大安區 水電 and ozonesonde measurements from 2001 to 2019 

高建筑物下行閃電和中高層瞬態發光現象的始發機制研討

隨著城市的發展和清潔動力的應用，城市高樓、通訊塔、風力發電風車等高建筑物逐漸增多，天然界中的下行閃電也惹起越來越多的關注。自2008年起，噴鼻河站就架設了閃電定位儀，通過多站組網，對發生在北京地區的閃電進行實時定位，并可以實現閃電通道的三維定位。研討表白下行閃電凡是由四周閃電活動所誘發，絕年夜多數是被正極性地閃誘發，特別條件下也會自發產生下行閃電，此外還取決于正地閃的云內先導結構，此中云閃始發型正地閃的“上正下負”的先導結構有利于下行閃電的始發，當下層程度發展的負先導經過高建筑時，不難誘發下行閃電（圖6）。

台北 水電

對流層雷暴不僅會產生云閃、自雷暴云向空中發展的地閃，並且還會在雷暴云上方產生瞬態發光現象（TLEs）。瞬態發光現象出現在雷暴云頂和低電離層之間，可以自雷暴云頂向上發展直達低電離層，穿過幾個年夜氣層，對各年夜氣層間的物質能量交換有主要影響，是年夜氣和空間物理研討的主要前沿領域。研討高層年夜氣瞬態發光現象對于臨近空間的環境保證和開發應用也具有主要的應用價值。我國年夜陸高層年夜氣瞬態發光（稱為“紅色精靈”）形態重要包含胡蘿卜狀和圓柱狀，空間延長在40—90 km之間，持續時間凡是為幾十ms，絕年夜多數“紅色精靈”由對流層正地閃（將雷暴云內正電荷轉移到空中）產生，負地閃產水電行生的“紅色精靈”很少；研討發現不僅年夜峰值電流的負地閃（> 90 kA，年夜多數超過 100 kA）能產生“紅色精靈”，小峰值電流的負地閃在合適條件下也能產生“紅色精靈”；對比研討發現，“紅色精靈”的多寡和與之對應的雷暴云內粒松山區 水電子相態和垂直分布關系不明顯，沒有發現與“紅色精靈”相聯系的特別特征，研討同時發現“紅色精靈”的發生伴隨著閃電頻數的降落。

圖6 一例觸發了下水電行閃電的正地閃定位結果

Figure 6Location result of positive cloud-to-ground flash (+CG) that triggered bolt of tower-initiated upward lightning

（a）甚高頻輻射、快電場變化及慢電場變化波形；（b）放電輻射源高度隨時間的演變；（c）放電輻射源的程度投影；（d）放電輻射源與第3次正地閃（+RS3）回擊點距離隨時間的演變。（b—d）實心點顏色表現輻射源地位隨時間的變化，即閃電通道的發展，紅色×是閃電始發地位，玄色+是3次正地閃回擊點地位，玄色o是高建筑物地位

(a) VHF radiation, fast E-field changes, and slow E-fie松山區 水電ld changes; (b) time variation in altitude of located radiation; (c) plan view of located radiation; (d) time variation in distance to the third positive return stroke (+RS3). In (b–d), the color of solid points is time-coded to show the development of lightning channels. The red cross indicates the start of lightning. The black pluses give three ground terminations of +CG. The black circle represents the location of the tall building

系統評估氣溶膠和云輻射效應，提醒華北年夜氣環境管控辦法的輻射效應

氣溶膠是影響晴空位面輻射的重要參數。噴鼻河站科研團隊基于長期連續高質量氣溶膠、云和輻射觀測數據，結合輻射傳輸形式，在國內初次剖析了氣溶膠直接輻射效應（圖7），樹立了輻射效應參數化計劃，不僅考慮氣溶膠對太陽總輻射的影響，同時在國際上較早系統考慮了氣溶膠對散射輻射的影響。

圖7 氣溶膠光學厚度與單次散射倒映率與空中太陽輻射關系圖

Figure 7Function of surface solar radiation to aerosol optical depth and single scattering albedo

散點：觀測；實線：輻射傳輸模擬；SZA：太陽天頂角；SSA：單次散射倒映率；STD：標準誤差

Scattering dot: observation; solid line: radiative transfer model simulations; SZA: solar zenith angle; SSA: single scattering albedo; STD: standard deviation

云是影響地表輻射能量出入的主要參數，云輻射效應（CRE）與云的宏微觀特徵參數親密相關。應用噴鼻河站高時間辨別率輻射測量數據，結合全天空成像儀觀測數據，在云類型識別和云量（CF）預算基礎上，重點探討了云掩蔽和未掩蔽太陽兩種情況下，云量和地表太陽輻射的參數關系。噴鼻河站CF年均值為0.50，夏日以積云為主（32%），發生頻率約等于層云和卷云頻率之和。CRE的年均值為–54.4 W⸱m–2，夏季和夏日CRE分別為–29.5 W⸱m–2和–78.2 W⸱m–2。太陽未掩蔽情況下，CF變化重要影響散射輻射，CF與CRE水電 行 台北呈線性關系。太陽被掩蔽情況下，CF變化同最終，藍媽媽總結道：“總之，彩秀那丫頭說的沒錯，時間久了就會看到人心，我們等著瞧就知道了。”時影響直接輻射和散射輻射，導致CF與CRE非線性相關，斜率隨CF增添而下降。

近10年噴鼻河站太陽總輻射、直接輻射和散射輻射變化趨勢剖析表白總輻射和直接輻射增添，而散射輻射降落，表白氣溶膠濃度降落，且氣溶膠接收降落是導致散射輻射降水電師傅落的重要原因。淨化防控一方面可有用把持空氣質量問題，同時也產生主要氣候環境效應。在2013年我國《年夜氣淨化防治計劃行動》實施以來，噴鼻河站科研團隊發現我國中東部地區地表太陽輻射年均上升0.70—1.16 W⸱m–2，疾速降落的氣溶膠輻射效應是導致空中太陽輻射顯著上升的重要緣由，而云的變化對SSR趨勢的貢獻較小，空氣淨化把持水電師傅在調節空中太陽輻射方面發揮著主要感化，進而對陸面熟態系統和光伏發電產生主要影響。

樹立華北太陽能資源評估和短臨預報系統

碳中和目標佈景下，中國未來將顯著增添光伏等新動力在動力結構中的占比。光伏太陽能的間接性和不穩定性是太陽能并網中的嚴重挑戰之一。除了發展新動力儲能等技術之外，發展太陽能短臨預報技術是進步太陽能應用率的經濟有用途徑。我國新一代靜止軌道氣象衛星風云四號（FY-4）的發射給太陽能短臨預報（< 3 h）供給了新的觀測手腕。

基于噴鼻河站高質量輻射觀測數據，應用FY-4A多通道反射率數據樹立了地表太陽輻照度預算和短臨預報系統。太陽輻照度預算方式采用物理好天模子和經驗云天模子混雜預算方式，短臨預報模子的焦點是基于FY-4云指數推導云運動矢量，在此基礎上預報未來3 h內地表太陽輻射。該系統能同時實現程度面總輻射和法向直接輻射的預算和短臨預報。研討任務表白風云四號在地表太陽輻射短臨預報中的廣闊應用遠景，將顯著促進我國太陽光伏動力發展和應用。該系統在華北地區具備傑出的機能，未來進一個步驟改進將側重于對地表太陽輻照度預算模子的校準并推廣其應用。

解析華北年信義區 水電行夜氣淨化來源，保證國家嚴重活動

噴鼻河站科研團隊自2004年開始便著手針對華北地區年夜氣環境開展綜合觀測，組織屢次國際一起配合觀測計劃，服務于年夜氣淨化專項管理。針對年夜氣重淨化發生—演變—消失全過程的焦點科學問題，沿北京東南邊向流場，應用噴鼻河年夜氣超級觀測站，構成了針對年夜氣重淨化全過程的閉合研討系統；開展了邊界層氣象和年夜氣化學的同步觀測，獲取重淨化過程氣象要素、年夜氣淨化化學組成和邊界層理化結構等關鍵參台北 水電行數，多角度地提醒了邊界層氣象和年夜氣淨化的演變規律，為深刻研討秋夏季年夜氣重淨化構成機理供給精細化的數據集，針對年夜氣復合型淨化構成了一系列的科研結果，為空氣質量評估供給技術保證。研討結果表白，“煤改氣”政策實施以來，京津冀鄉村地區有機碳（OC）和黑碳（EC）濃度顯著降落，日變化幅度也相應減小；禁煤區內總碳（OC和EC之和）和PM2.5濃度程度降落幅度明顯高于非禁煤區。相對于2016/2017年夏季，“煤改氣”政策對2017/2018年和2018/2019年夏季EC濃度降落的貢獻分別為26%和45%，氣象條件的貢獻分別為45%和15%。“煤改氣”政策對2017/2018年和2018/2019年夏季一次OC和PM2.5濃度降落的貢獻分別為50%和33%，對PM2.5濃度降落的貢獻為66%和57%，清潔動力應用對空氣質量持續改良發揮了主要的感化。

結語與瞻望

國家野內科學觀測研討站（簡稱“國家野外站”）是主要的國家科技創新基地之一，是國家創新體系的主要組成部門。通過幾代人的不懈盡力，噴鼻河站構建了從近空中到中高層年夜氣的氣候環境綜合觀測體系，開展了一系列氣候環境野外觀測任務，獲取了一批寶貴的觀測數據，屢次為年夜型活動的環境不知道被什麼驚醒，藍玉華忽然睜開了眼睛。最先映入她眼簾的，是在微弱的晨光中，躺在她身邊的已成為丈夫的男人熟睡的臉保證等供給了有用支撐，服務年夜氣環境和全球氣候變化等嚴重基礎科學問題的科學研討。科研人員基于噴鼻河站觀測數據，獲得了我國最長的臭氧總量和廓線、氣溶膠光學和輻射探測數據，獲取了涵蓋從低層到90 km高度長期年夜氣風場廓線數據，這些高質量、長期、連續、系統的綜合年夜氣關鍵要素的探測數據集的樹立，在全球嚴重環境和氣候問題的基礎科學研討中發揮了主要感化。

本文介紹了噴鼻河站部門代表性研討結果，瞻望未來，噴鼻河站將不斷開展先進探測儀器設備的研制和更換新的資料改革，重要從4個方面著手：松山區 水電行樹立以VHF/MST雷達、多波段激光雷達、GPS數字臭氧探空儀等為主的立體綜合探測系統，將噴鼻河站建設成以中高層年夜氣探測為焦點，包含邊界層物理化學過程探測的綜合探測平臺，以及集觀測、試驗與研討為一體的野外基地；通過噴鼻河站長期連續高質量探測數據的積累，緊密圍繞中高層年夜氣過程及天氣氣候效應焦點科學問題，晉陞對中層年夜氣基礎過程、高低年夜氣層交換過程和機理、臭氧層變化及氣候效應等問題的認識；完美我國華北地區氣溶膠-云-輻射觀測平臺，加強年夜氣參數和氣溶膠廓線探測才能，加強水凝物廓線探測才能，發展年夜氣和地表參數遙感驗證方式和技術，結合衛星遙感手腕和形式模擬手腕，深刻開展氣溶膠-云-輻射-降水彼此感化及其對區域甚至全球氣候變化的影響研討；積極參加國際觀測網絡，成為我國代表性站點參加國際碳衛大安 區 水電 行星空中驗證網，助力我國碳中和目標順利實現大安 區 水電 行，為我國在全球氣候與環境談判供給科技支撐。

（作者：夏祥鰲、田玉芳、武云飛、楊靜、吉東生、張金強、張仁健、王普才、陳洪濱、郄秀書、呂達仁，華北噴鼻河氣候與環境綜合野內科學觀測研討站 中國科學院年夜氣物理研討所。《中國科學院院刊》供稿）