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车慧正:探秘气溶胶 为减排献策

来源:  发布时间:2016-03-15

本刊记者 汲晓奇
  
  天空湛蓝,阳光刺目,在中国气象科学研究院一幢楼的楼顶上,整齐地排布着一列列观测设备,车慧正和他的学生们在它们中间紧张地忙碌着。
  车慧正,我国气象研究人中的一员,沉浸大气气溶胶理化特征观测、光学特性遥感以及气溶胶气候效应等方面研究10余载,默默耕耘,为我国气象事业添砖加瓦。
  
气溶胶观测站
  
  气溶胶为何物?由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系,又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点,大小为0.001~100微米。天空中的云、雾、尘埃,工业和运输业上用的锅炉和各种发动机里未燃尽的燃料所形成的烟,采矿、采石场磨材和粮食加工时所形成的固体粉尘,人造的掩蔽烟幕和毒烟……都是气溶胶的具体实例。
  大众或许并不熟悉这个微小的污染物,但对温室气体一定不陌生,二氧化碳、甲烷、氧化亚氮……使地球表面变得更暖,从而产生“温室效应”。而气溶胶恰恰相反,散布在大气中的气溶胶微粒对太阳光具有反射效应,进而可以“遮蔽”全球变暖的影响。但挪威国际气候和环境研究中心的气候科学家Gunnar Myhre在science杂志上报告说,他的研究发现冷却效应并不像此前研究预测的那么强烈。
  那么,气溶胶对气候到底有何影响?这还需要通过观测气溶胶光学特性进行判断,地基遥感是监测地区气溶胶光学特性及大气环境变化的常用手段之一。由于全球面积广大,监测范围不可能覆盖每一寸土地,惯用的方法是只在某个区域设立几个站点,用得到的监测数据来表征这一区域的气溶胶平均变化特征。
  追溯到上世纪80年代,世界气象组织开展了一项“全球大气观测计划”,发展至今,在全球选定了20多个地区建立观测站。在我国,只有一个站,位于青海瓦里关,这一个站点代表了整个欧亚大陆的大气平均状况。
  但是,在我国,一个站要代表960万平方公里的国土,精准成了一大问题。为此,中国气象局后来又陆续建设了一些区域代表性站点,以用来监测不同区域的大气状况。
  有了站点,便有了数据,下一步就涉及数据处理。在我国,对大气气溶胶的光学特性观测还尚不成熟,欠缺对一些关键光学特性参数的科学理解,在这个背景下,车慧正主持的国家自然基金青年基金项目“中国不同区域背景大气状况下气溶胶光学特性观测及其与气象条件的关系”应运而生了。
  车慧正以中国气象局6个大气本底站(青海瓦里关、北京上甸子、浙江临安、黑龙江龙凤山、云南香格里拉和新疆阿克达拉)的多波段光度计网络化观测资料为对象,分别研究了欧亚大陆腹地、我国北方工业区、东部工业区、东北平原、西南地区、西北干旱/半干旱地区区域背景大气状况下(受局地条件和人为活动直接影响很少、经充分混合的大气平均特征),气溶胶关键光学特性参数的时空分布及其变化特征。并结合气象常规观测及后向轨迹统计模式,了解气象条件、外来源地及传输路径对气溶胶光学特性的影响。
  项目已于2013年顺利结题,其不仅完成了从天气学角度分析气象条件对我国不同区域背景大气状况下气溶胶光学特性的影响,还评估了不同外来源区及传输路径的贡献,值得肯定的是,研究成果对今后区域大气污染防治和预报预警具有一定的指示意义。
  回顾整个项目,它最大的创新意义体现在利用长时间、高精度、高分辨率的地基网络化观测数据。车慧正给出了我国不同区域背景大气状况下气溶胶光学特性的基本特性——光学厚度,还包括单次散射反照率、粒子谱分布、不对称因子、复折射指数等关键光学特性参数的时空分布及变化特征。他利用已有国际网络的同步反演结果及气溶胶吸收特性、散射特性等较为丰富的实测资料相互验证,以确保反演结果更加可信,还通过分型学方法初步评价不同区域自然或人为因素对背景大气状况下气溶胶光学特性的影响程度。
  “这些都对于提高我国不同区域背景大气状况下气溶胶光学特性的科学理解水平,有一定程度的贡献。”
  
发挥监测数据的价值
  
  经过漫长发展,目前我国观测站的地基气溶胶光学特性遥感取得了长足进展,气象、环保、海洋、科学院、大学等研究单位购置了多台太阳光度计,这为全面系统了解我国不同区域气溶胶特性及其气候效应奠定了坚实的基础。
  但实践中,也不可避免地暴露出诸多问题,比如多数站点常常是单机运行,仪器细微故障难以发现,标定与反演算法各异,滤云后的气溶胶光学特性数据中仍然存在云累积效应的影响等因素,这都最终导致地基气溶胶光学特性遥感存在一定的不确定性。
  “这种不确定性对气溶胶辐射强迫的计算显然会带来一定的影响。”监测数据更精准、可信是气象人的追求,车慧正也视其为必需。
  所以,车慧正希望,采用同步对比观测试验研究手段,进一步认识观测设备“非正常”运行、“云累积”效应、标定方法及反演算法等关键影响因素对气溶胶光学特性所造成的不确定性,初步了解非AERONET(美国)光度计反演结果与AERONET公开发布的反演结果之间差异大小及可比性程度。并依据试验获得的气溶胶光学特性参数,结合辐射传输模式,初步了解气溶胶光学特性参数不确定性对气溶胶直接辐射气候效应模拟的影响。
  于是,他申请了国家自然基金面上基金项目“气溶胶光学特性地基遥感过程中的不确定性对直接辐射强迫影响的研究”。
  他计划采用地基观测、算法反演、模式模拟等多种手段相结合,研究气溶胶光学特性地基遥感过程中的不确定性及其对直接辐射强迫计算的影响。首先,针对仪器自身运行过程中影响气溶胶光学特性的因素进行详细分析,同时评估不同标定方法获得气溶胶光学特性反演结果间的差异,获得仪器自身系统问题对气溶胶光学特性不确定性的影响程度;其次,结合激光雷达和太阳光度计观测数据,筛选出高空卷云和气溶胶同时存在的天气状况,计算云的光学厚度及整层气溶胶光学厚度,确定云累积效应对气溶胶光学特性的干扰程度;最后,比较不同算法获得的气溶胶光学特性参数之间的差异并分析具体原因。
  若项目进展顺利,最终成果可提高我国气溶胶地基网络化遥感结果精度、降低气溶胶辐射气候效应不确定性,并为卫星反演结果校正、区域大气污染预报和控制对策研究等方面提供科学依据。
  其实,车慧正的工作不是单纯的基础科学研究,也会做一些与我们的生活息息相关,与社会需求、实际效益结合紧密的数据积累,以提供政策支撑。
  2008年奥运会,北京第一次进行了大规模的限排措施,交通限行、工厂停工……“采取措施后有多大的效果,要拿数据说话”,以详实的数据服务政府决策,也是车慧正的工作之一。从2005年有观测数据以来,北京地区的几个站点收集到的数据显示——奥运期间的气溶胶含量呈下降趋势,“这说明减排措施是有效果的”。之后,车慧正将分析结果撰写了决策分析报告,最终得到党和国家领导人的重要批示。
  
搭建遥感监测站网
  
  限排目的是限霾。有研究表明,细粒子PM2.5是形成“霾”等低能见度天气的主要原因。由于细粒子主要是由大气中气粒转化过程形成的二次气溶胶粒子构成,这些粒子往往具有更强的亲水性,在较高的湿度条件下,粒子增长会大大增强其消光能力,造成能见度大幅度降低。
  近年来,我国华北地区、中东部大部分地区频繁出现大范围雾、霾天气,对大气环境、公众健康、交通安全等带来了严重影响,已引起了各级政府、社会公众和媒体的高度关注,开展PM2.5有关物理、化学、光学特性研究实属当务之急。
  但是,目前在我国进行的气溶胶光学特性地基遥感监测多是在一个或者几个观测点进行的某一时段观测,一年甚至几年以上的连续资料还较为缺乏,尤其是在全国范围同步、连续进行的网组化观测资料更为匮乏。
  早在2011年,车慧正远赴西班牙学习观测站网搭建技术。相对海拔2300米的IZANA高峰,他每天要上下两次,忍受气压变化带来的耳鸣是极其痛苦的,强烈的紫外线也晒伤了他的皮肤,然而,车慧正都扛了过去。不顾艰苦的环境,刻苦努力学习,虚心求教,他总是坚信“付出总会有回报”。事实也是如此,他不畏吃苦的精神也得到了外国同行的赞赏。通过那次经历,车慧正深感“科学无国界”,懂得分享才会有更多的收获,闭门造车是没有发展的。
  回国后,车慧正自主研发了“中国气溶胶遥感观测网”,改变了以往中国的太阳光度计观测必须依靠国外机构进行仪器标定和数据处理系统支持才可以获得气溶胶光学特性参数的局面,有效提升了我国在气溶胶地基遥感监测方面的国际学术研究地位。
  在那之前,只有20多个站点,车慧正就一步一步将站网建立完善起来,慢慢扩大到30个,现在将近80个,规模相当庞大。其中,有2个站点在与国际进行合作,可将观测结果和国外相同仪器得出的结果进行对比,“这样就知道我们不足的地方,我们再改进”,车慧正说,现在有几十个站点的数据和国际很接近,甚至一致,这样拿数据做研究也就更加可靠。发展至今,我国在国际上发表的文章越来越能得到同行的认可,在国际研究中也具有更多发言权,这一切都源于许多像车慧正一样的气象人多年不断的积累。
  现在,国内外正在积极进行有关气溶胶卫星反演算法改进或化学输送、区域同化、全球气候模式等开发研究,这无形中对科研提出了更高的要求——用更高准确性和精确度的地基观测进行验证。但在卫星或模式验证研究过程中,地基实测资料常常匮乏,尤其是高时空分辨率的气溶胶地基观测数据。
  因此,在一些代表性的区域开展高分辨率的气溶胶光学特性观测,是解决这个科学问题的一条可行途径。车慧正目前正在开展的研究工作旨在与此。他希望,在卫星和模式检验过程中,充分利用高分辨率的地基观测资料进行更加细致、严格、合理的真实性检验工作,从而提高卫星和模式结果的精度。
  
但求落幕无悔
  
  如今在气溶胶领域有所建树的车慧正,却始终不忘当年两位恩师的提携。时间倒回1997年,那时车慧正顺利考取了兰州大学气象学专业。一次,张小曳老师到兰州大学做邀请报告,坐在台下的车慧正一下子就被有意思的内容吸引住了,报告的主题正是“大气气溶胶”。没想到在那之后,车慧正与气溶胶结下了不解之缘。
  4年的学习时光充实而又短暂,大学毕业之际,成绩优异的车慧正被保送至中科院地球环境研究所,如愿跟随张小曳老师研究气溶胶。随着研究的深入,老师不断鼓励他坚持这个方向,并建议他到中科院大气物理研究所石广玉院士的课题组继续深造。
  他听取了老师的建议。刚到研究所的那天下午,年迈的石院士就把车慧正叫到办公室,亲自动员他,“小车,你就做这个方向”。
  10多年后的今天,在中国气象科学研究院的车慧正回忆起当时的场景历历在目,“那我就决定坚持这个方向,一直做了下去……”的确,对于车慧正来说,那是个很重要的开始,初出茅庐的研究生并不清楚自己未来的研究方向,两位恩师好似指明灯一样站出来为他抹去渺茫,理出一条通向远方的道路,并高屋建瓴地看到气溶胶是科学上的重要研究方向,为年轻的车慧正坚定了科研的信心。
  事实证明,他们的判断是正确的,如今,气溶胶研究得到IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)重视,也成为热点研究领域。
  “感谢这两位老师给我指明方向……”
  2006年取得博士学位的车慧正进入中国气象局,“正赶上气象局发展大气成分观测业务,自己的学业背景正好和气象局的发展需求结合起来”,就这样,他一直从事气溶胶的光学特性—辐射性研究,从未改变,一步一个脚印地走到了今天。
  现在的车慧正也做了老师,带了2个博士和4个硕士。他和学生亦师亦友,常常与他们交流,“不光在学习上,人生上也要指导,生活上的需求也要帮助他们,让他们慢慢成长起来”,在车慧正看来,这是为人师的义务。他也正传承着当年恩师对自己的教导,授之以鱼不如授之以渔,“给学生独立思考的空间很重要。”
  无论对自己,还是要求学生,车慧正始终秉持着三点精神:勤能补拙、数据不造假、团队合作。他希望,二三十年后,积累出可靠的气溶胶观测数据,为后人奠定研究的基石。时间对于车慧正来说,可以见证一切。
  车慧正一直都很忙碌,打篮球的爱好也被繁忙的工作渐渐占据。没有休息日、没有假期,他的时间都用来做实验、写论文,对家庭的亏欠极多。
  从小生活在山东的车慧正,有着山东硬汉那种特有的豪气和磊落,但他甘愿为气溶胶事业做着默默无闻的工作。没有光鲜的舞台,只有更恶劣的环境和日益繁重的任务,“继续干下去”是他始终不变的选择。科学的发展,总有一些人需要做出无私的奉献,气象学同样如此。“不问前程如何,但求落幕无悔”,车慧正舒朗地笑了起来。
  
专家简介:
  车慧正,1977年生,中国科学院地球环境研究所博士,现任中国气象科学研究院大气成分研究所研究员、博士生导师。主要从事大气气溶胶光学特性地基遥感及其辐射气候效应研究。
  独立自主创建了“中国气溶胶地基遥感监测网”,主持科研项目12项(国家级7项、省部级5项)、参与国家级和省部级项目8项。已发表论文80余篇,其中SCI 收录60篇(第一/通讯作者31篇);3篇(执笔1篇,参与2篇)决策分析报告获党和国家领导人重要批示;获谢义炳青年气象科技奖、优秀青年气象科技工作者、中国气溶胶青年科学家奖、北京气象学会中青年优秀论文、中国气象科学研究院优秀青年奖、中国气象年会优秀论文奖等。
  
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2024年5月

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