原问题：从畛域层到中高层大气的现象处境综合探测与科学商量丨中原科学院田园台站

　　夏祥鳌 田玉芳 武云飞 杨静 吉东生 张金强 张仁健* 王普才 陈洪滨 郄秀书 吕达仁

　　经历50年的希望，中国科学院大气物理争论所华北香河形象与环境综合野外科学查看计较站（以下简称“香河站”）已完美从界线层到中高层景象环境的综合探测才气，参与了多个国内外大气探测网，是国际上稀罕的大气综合郊野科学尝试站。21世纪此后，香河站进展屡次国际大型综合视察实验，在历久一连视察数据根本上，转机了中高层大气能量扬言和物质相易、鸿沟层大气物理化学和氛围质地、太阳能监测预报等基本和运用斗嘴，获得了一批有显示度的争辩效力。承前启后，香河站将深耕先辈探测仪器装备研制和刷新变换，教育中高层大气热动力探测和畛域层物理化学源委探测才力，筑成集察看、考试和商议于一体的野外大气综闭探测基地，提携对中层大气基本原委、崎岖大气层调换源委和机理、濡染减排现象天气和处境效应等问题的科学通晓，为大家国在全球情景与境遇议题上获取话语权和国家清闲提供科技维持。

　　工业革命往后，随着社会生产力的大幅进步，人类生动向地球大气排放的感染要素也大幅填充，严重重染了地球大气的物理、化学和辐射性格，导致了环球景色和境遇鲜明调动。环球气象变暖背景下绝顶情景气象事变的屡次爆发，也对经济社会和黎民生命资产安静等产生了深入教诲。申辩人员在代表性田野台站领受先进察看仪器设备，针对枢纽形势境况成分转机历久连结高质地探测，特意是针对搀和历程的集成探测，是悠久明晰人类活泼情景情况效应的严重基本，将显着策动对地域以至举世形势境况转移及影响的很久判辨，效劳国际经济社会起色，鼓吹国家可延续起色战略的履行，将就式样和气候防灾减灾和国防安全都具有要紧科学兴味和社会价钱。

　　中原科学院大气物理商量所（以下简称“大气所”）于1973年在河北省香河县创制香河大气综关张望考试站，21世纪初加入华夏科学院日地空间境况巡视收集，成为中国科学院开放站，2020年更名为华北香河形势与处境综关田产科学检察斗嘴站（以下简称“香河站”）。修站初期，香河站主要以激光、毫米波测雨雷达和微波辐射计等高新大气探测本事研发为职业重点。在20世纪70年月末香河站开头高空气球的研发管事，现已完整研发定压和超压高空气球才能，再三为巨大活跃供给担保供职。始于1979年的臭氧查看，历经数代人的不懈努力连接至今，得到了所有人国最长的臭氧总量观察年华序列，出席天下臭氧和紫外辐射数据中心（WOUDC），为申辩平流层臭氧断送等科知识题供应了基础数据。20世纪80岁首，香河站开展了甚高频中高层大气雷达（VHF/ST雷达）研发。21世纪以后，香河站相继出席环球气溶胶监测网络（AERONET）和国际基准地面辐射巡查收集（BSRN），一再起色气溶胶-云-辐射团结稽察测验和空气质地外场审查测试。通过近半个世纪的进展，香河站已修成为从领域层到中高层大气多要素和多成分综合视察测试基地，包罗对流层-平流层-主旨层（MST）雷达、高空气球、GPS数字臭氧探空仪、Dobson/Brewer紫外光谱仪、中高层大气放电探测系统、云-气溶胶-辐射观测编制等，并得回了一系列浸要效力，在东亚中纬度地域大气探测界线具有不可替代的用意，已成为在国内外有出名度和夸口度的境地科学巡察争持站。

　　香河站MST雷达是国家宏大科技根柢法子“子午工程”（以下简称“子午工程”）援助创办的大型主旨装备之一。MST雷达欺诳大气湍流等活动变成的大气折射率不法律体对雷达发射电磁波的散射，竣工对流层—下平流层（3—25 km）、焦点层—低热层（60—90 km及以上）程度风、垂直快度、湍流等的全天时高时空分辨率（垂直区别率≤150 m；年光判袂率≤30 min）持续探测，是探测申辩全大气层多准绳动力学（风场、轰动、湍流等）特点、进程及大气高低层耦关的怪僻且浸要的办法。

　　自2011年起，MST雷达为“子午工程”及中国科学院日地空间情况检察争辩汇集提供高原料接连观察数据，供职保障了一再航空航天探测干事，反复获得“子午工程”小我和整体名誉。在雷达探测才干验证、反演算法发展改善、大气紧急参数提取算法议论，大气沉力波、湍流特点辩叙等方面得回了一批生效：

　　1.历程与无线电探空及流星雷达数据比对融会，验证了MST雷达在对流层-下平流层以及核心层-低热层的探测才能与水平风场数据的切实性，与HWM07模式、ERA-Interim再融会数据月平衡纬向风时空漫衍对比，均炫耀MST雷达对3—25 km及65—100 km大气程度风有很好的探测才干（图1），可在大气凹凸层动力耦关方面阐述效用。

　　（a）HWM07模式；（b）MST雷达在重心层-低热层的探测终局；（c）ERA-Interim再判辨；（d）MST雷达在对流层-下平流层的探测收场

　　2.发展了2种功率谱数据反演算法，有效去除飞机杂波等的干预，显然升高了垂直速度、谱宽等反演精度，构修了高质地的数据集，得到授权专利1项，发展的反演算法关用于相仿探测真理的风廓线.

　　香河站MST雷达协助和数据阐明团队从雷达原始数据约束、算法改革获得的履历，以及在对大气多标准动力斗嘴中提炼的科知识题，为“子午工程”二期青藏高原分编制在西藏羊八井MST雷达的优化野心和数据运用提供了很好警觉。香河站科研团队充满调集科学龃龉与先进探测身手，担保从科学目标、探测模式、暗号数据束缚到应用争辩多链条多主意的体例总体筹备与持久前辈性，明天有望告竣多MST雷达组网撮合巡逻，为底子前沿和操纵标题的商议供应严重数据。

　　大气臭氧含量是举世情景和大气境况争论中的浸心眷注对象。约10%的臭氧生活于对流层，是主要的温室气体和污染气体；约90%的臭氧生计于平流层罗致太阳紫外辐射，是地球生态系统的覆盖伞，也直接感化平流层温度层结，治疗大气环流和全球形势。自然和人类活动导致的对流层和平流层臭氧更正备受合心。香河站转机的Dobson臭氧总量观测数据炫夸：1984年智利El Chichon火山和1991年菲律宾Pinatubo火山喷发的硫酸盐气溶胶经过化学原委教化了中纬度平流层臭氧浓度；20世纪90年初之前报答前体物氟利昂等物质的排放导致中纬度地区臭氧的损失，以来香河站臭氧总量总体呈飞腾趋势，而2010年以还臭氧总体秤谌呈消重趋势（图4）。

　　香河站科研团队自助研制了单池和双池臭氧探空仪，并利用该仪器起色了长达20余年的观察，获取了我们们国大陆区域当今唯一的良久臭氧廓线探测数据集。与Dobson臭氧仪衡量的臭氧总量对照验证了臭氧探空仪丈量的实在性（图5）。基于臭氧廓线历久探测，蚁关数值模式，冲突揭破了香河对流层臭氧改观趋势，并量化了人类活跃和自然原委的相对进贡。2002—2010年，香河对流层臭氧暴露明确飞翔趋势，专程是夏季对流层臭氧飞腾趋势极端显然，紧要情由是对流层光化高足成，动力通过次之。2013年实行紧急传染物总量减排限度要领后，香河对流层臭氧暴露愚笨但不昭着的上涨趋势。

　　随着都邑的开展和明净能源的行使，都邑高楼、通讯塔、风力发电风车等高建筑物慢慢增长，自然界中的上行闪电也引起越来越多的关怀。自2008年起，香河站就架设了闪电定位仪，经历多站组网，对发生在北京区域的闪电实行实时定位，并能够完毕闪电通叙的三维定位。计较阐明上行闪电平昔由邻近闪电活泼所诱发，绝大多数是被正极性地闪诱发，十分条款下也会自觉发作上行闪电，另外还取决于正地闪的云内开端组织，其中云闪始发型正地闪的“上正下负”的起首布局有利于上行闪电的始发，当下层水平起色的负起头通过高修修时，轻易诱发上行闪电（图6）。

　　（a）甚高频辐射、疾电场调换及慢电场变动波形；（b）放电辐射源高度随韶华的演变；（c）放电辐射源的水准投影；（d）放电辐射源与第3次正地闪（+RS3）回击点断绝随年光的演变。（b—d）实心点颜色表达辐射源位置随年华的改良，即闪电通说的进展，赤色×是闪电始发地点，黑色+是3次正地闪还击点位置，黑色o是高修筑物位置

　　对流层雷暴不光会产生云闪、自雷暴云向地面起色的地闪，况且还会在雷暴云上方产生瞬态发光情景（TLEs）。瞬态发光景象出方今雷暴云顶和低电离层之间，没合系自雷暴云顶进取希望直达低电离层，穿过几个大气层，对各大气层间的物质能量相易有紧急教导，是大气和空间物理商议的主要前沿领域。议论高层大气瞬态发光事态看待附近空间的处境确保和开导诈骗也具有主要的利用价值。我国大陆高层大气瞬态发光（称为“赤色精灵”）格式紧要包括胡萝卜状和圆柱状，空间伸展在40—90 km之间，连结年光平素为几十ms，绝大多半“红色精灵”由对流层正地闪（将雷暴云内正电荷移动到地面）发作，负地闪爆发的“红色精灵”很少；斗嘴浮现不只大峰值电流的负地闪（ 90 kA，大多半越过 100 kA）能产生“赤色精灵”，小峰值电流的负地闪在符关条目下也能发作“血色精灵”；对比说论展现，“血色精灵”的多寡和与之对应的雷暴云内粒子相态和垂直散布相干不明显，没有暴露与“赤色精灵”延续系的格外特色，争吵同时显现“红色精灵”的发作伴随着闪电频数的下降。

　　气溶胶是教导晴空地面辐射的主要参数。香河站科研团队基于长久接续高质料气溶胶、云和辐射视察数据，纠集辐射传输模式，在国内首次领略了气溶胶直接辐射效应（图7），创立了辐射效应参数化策划，不只思考气溶胶对太阳总辐射的影响，同时在国际上较早编制思考了气溶胶对散射辐射的教授。

　　云是感染地表辐射能量进出的紧要参数，云辐射效应（CRE）与云的宏微观特质参数密切相闭。利用香河站高光阴分辩率辐射测量数据，纠关全天空成像仪张望数据，在云标准识别和云量（CF）估算根基上，要点探求了云掩蔽和未讳饰太阳两种景况下，云量和地表太阳辐射的参数合系。香河站CF年均值为0.50，夏季以积云为主（32%），产生频率约等于层云和卷云频率之和。CRE的年均值为–54.4W⸱m–2，冬季和夏季CRE辨别为–29.5W⸱m–2和–78.2W⸱m–2。太阳未掩瞒环境下，CF调度要紧影响散射辐射，CF与CRE呈线性相合。太阳被讳饰景况下，CF调动同时浸染直接辐射和散射辐射，导致CF与CRE非线性合联，斜率随CF填充而降低。

　　近10年香河站太阳总辐射、直接辐射和散射辐射革新趋势领略诠释总辐射和直接辐射添补，而散射辐射下降，注脚气溶胶浓度低重，且气溶胶吸收下降是导致散射辐射下降的要紧因素。污染防控一方面可有效限定空气质料问题，同时也发生重要景象境况效应。在2013年我国《大气感染防治想法举动》实行往后，香河站科研团队发现我国中东部地域地表太阳辐射年均上涨0.70—1.16 W⸱m–2，快速降低的气溶胶辐射效应是导致地面太阳辐射彰彰飞翔的厉重因由，而云的变革对SSR趋势的收获较小，空气感染局限在诊治地面太阳辐射方面阐发珍浸要功用，进而对陆面生态体例和光伏发电产生紧要熏陶。

　　碳中和目标靠山下，华夏异日将显然增加光伏等新能源在能源布局中的占比。光伏太阳能的间接性和不安静性是太阳能并网中的强大挑拨之一。除了起色新能源储能等技能以外，开展太阳能短临预报技艺是降低太阳能诳骗率的经济有效旅途。大家们国新一代静止轨道现象卫星风浪四号（FY-4）的发射给太阳能短临预报（ 3 h）提供了新的审查设施。

　　基于香河站高质地辐射巡察数据，欺骗FY-4A多通谈反射率数据创办了地表太阳辐照度估算和短临预报系统。太阳辐照度估算形式采纳物理晴天模型和阅历云天模型夹杂估算步骤，短临预报模型的中央是基于FY-4云指数推导云举动矢量，在此根本上预报明天3 h腹地表太阳辐射。该系统能同时完成水平面总辐射和法向直接辐射的估算和短临预报。争执管事说明风浪四号在地表太阳辐射短临预报中的广大利用前景，将清楚宣扬谁国太阳光伏能源转机和愚弄。该体例在华北区域周备杰出的效力，将来进一步改善将侧浸于对地表太阳辐照度估算模型的校准并增加其利用。

　　香河站科研团队自2004年动手便开始针对华北区域大气处境开展综合查察，布局屡屡国际合作查看主张，效劳于大气习染专项经管。针对大气重沾染发作—演变—消失全源委的中间科学问题，沿北京东南想法流场，利用香河大气超级巡视站，酿成了针对大气重传染全始末的闭合议论体系；希望了领域层场合和大气化学的同步视察，得回浸污染颠末情景因素、大气感染化学组成和界线层理化结构等枢纽参数，多角度地露出了范围层大局和大气污染的演变次第，为长久辩说秋冬季大气重感染形成机理供给严谨化的数据集，针对大气复闭型濡染造成了一系列的科研收获，为气氛质料评估需要本领保障。争吵了局注解，“煤改气”计谋实践此后，京津冀村庄地域有机碳（OC）和黑碳（EC）浓度彰着低落，日变化幅度也相应减小；禁煤区内总碳（OC和EC之和）和PM2.5浓度水平低落幅度大白高于非禁煤区。相应付2016/2017年冬季，“煤改气”政策对2017/2018年和2018/2019年冬季EC浓度下降的劳绩分袂为26%和45%，现象条款的贡献折柳为45%和15%。“煤改气”策略对2017/2018年和2018/2019年冬季一次OC和PM2.5浓度降低的成绩区分为50%和33%，对PM2.5浓度低落的成效为66%和57%，明净能源利用对氛围材料相联改革阐明了紧要的功用。

　　国家田园科学查察辩谈站（简称“国家境界站”）是厉重的国家科技维新基地之一，是国家改善体制的紧要组成私人。通过几代人的不懈努力，香河站构筑了从近地面到中高层大气的景象处境综合查察体系，开展了一系列现象情况原野检察劳动，获得了一批贵重的巡视数据，屡次为大型活动的境况包管等供给了有效支持，任事大气情况和环球天气改换等远大底子科学问题的科学商量。科研人员基于香河站审查数据，取得了你国最长的臭氧总量和廓线、气溶胶光学和辐射探测数据，取得了涵盖从低层到90 km高度持久大气风场廓线数据，这些高质地、长久、贯串、系统的综关大气关键成分的探测数据集的创办，在环球庞大境况和情景题目的底子科学龃龉中施展了严重感化。