近30年大气化学和大气环境研究回顾——纪念中国气象科学研究院成立50周年

概述了中国气象科学研究院(简称气科院)近30年来有关大气化学和大气环境研究成果。该院完成了国家自然科学基金重大项目和科技部973项目等一系列重要研究项目,做出了许多具有重大创新性的成果:在青藏高原发现“臭氧低谷”,这一重大发现列为当年中国10大科技成果之一;首次把环境、生态、气候几个重要领域进行综合研究,发现人类活动对环境造成的变化改变了生态环境状态,最终对区域气候造成影响;对北京市大气污染机理和调控原理进行了深入研究,在三维立体观测基础上,提出了点-面结合与统计-动力综合分析,地面观测-卫星遥感分析方法及模式新技术等,获取了解决大气环境领域关键技术难点的创新成果;建立了全球第一个大陆大气本底基准观象台即瓦里关本底台,开创了我国全球大气本底业务观测等。几十年来气科院大气化学研究工作几乎涵盖了当前大气化学所有重要领域及其前沿学科,其中包括温室气体、臭氧和反应性气体、气溶胶、酸雨、模式的发展及应用、空气质量预报技术和环境评价等。气科院大气化学研究工作是和中国气象局大气成分监测站网建设密不可分的,广大科研人员参加了诸如大气本底站网、酸雨站网、臭氧站网、沙尘暴站网等业务站网的建设,与此同时也构建了大气化学科研平台。

中国大气气溶胶及其气候效应的研究

介绍了2006年新立项的国家重点基础研究发展计划项目“中国大气气溶胶及其气候效应的研究”的目的、意义、关键科学问题等。该项目预期在中国大气气溶胶理化和光学特性的时空分布特征、气溶胶数值模拟及大气灰霾数值预报方法、气溶胶直接—间接辐射特性、气候效应等方面开展系统的研究,从而降低气溶胶气候效应研究中的不确定性,提高气候预估的可信度。同时提高描述和预报区域大气污染的能力。不仅在全球气候变化这一重大科学问题上做出相应的贡献,也为国家环境外交、区域大气灰霾污染控制提供科学支持。

中国4个国家级野外站大气CH_4本底浓度变化特征

CH4是仅次于CO2的重要温室气体。2006年9月至2008年8月期间,按全球大气本底观测要求,在青海瓦里关、北京上甸子、浙江临安和黑龙江龙凤山4个国家级野外站开展每周一次空气样品flask瓶采样分析,获得了该地区为期2a的大气CH4本底浓度资料。结果表明,2a间瓦里关、上甸子、临安和龙凤山4站CH4浓度年均增幅分别为9.1×10-9、3.8×10-9、21.8×10-9和8.2×10-9;瓦里关站大气CH4浓度增长趋势与全球平均状况较为接近,能较好地反映北半球中高纬度内陆地区大气本底特征;但上甸子站年均本底值相对较低且季振幅偏小,而龙凤山和临安站季节变化规律相似,表现为CH4浓度冬季高而夏季偏低且季振幅较大。

中国第二次北极科学考察沿线气溶胶可溶性离子分布特征和来源

对2003年7月15-9月28日间中国第二次北极科学考察沿线所采集的气溶胶样品进行分析,获得了Na^＋、NH^＋4、K^＋、Mg^2＋、Ca^2＋、Cl^-、MSA、SO4^2-、NO^-3、C2O4^2-和CH3COO-11种离子的浓度.离子组成表明,气溶胶主要以海盐颗粒为主,其中（Na＋＋Cl-）的贡献平均为60.2%;其次为硫酸盐.根据因子分析,11种离子归为4个因子,解释方差为83.7%.因子1包括Na^＋、nss-Mg^2＋、nss-Ca^2＋、Cl^-和nss-SO4^2-,代表陆地和海洋混合源,解释方差为41.2%;因子2包括NH^＋4、nss^-K^＋和NO3^-,来源于化石燃料燃烧和生物质燃烧所释放的二次污染物,解释方差为18.9%;因子3只有MSA,来源于海洋表层浮游植物排放的二甲基硫（DMS）的氧化,解释方差为11.9%;因子4包括CH3COO^-和C2O24^-,主要来源于高纬度的北温带北部森林大火,解释方差为11.6%.

中国第二次北极科学考察路线上温室气体瓶采样结果分析

用气相色谱和非红外色散分析方法,分析了中国第二次北极科学考察路线上采集到的气体样品中温室气体(CO2和CH4)的浓度,对不同纬度带上CO2和CH4平均浓度变化特征进行了研究.结果表明:海洋表面不同纬度带上CO2的浓度呈现出随纬度升高而减小的趋势,这与全球范围内CO2的年平均浓度的地理分布特征相反,显示了海洋对CO2气体的吸收作用.45°N以北的海洋表面,CH4浓度有随纬度升高而增大的趋势,这与全球范围内CH4的年平均浓度的地理分布特征相同;中纬度近海岸地区温室气体浓度变化无明显规律,可能受到区域或局地气团的影响较大.

2006年春季沙尘天气下背景地区大气气溶胶光学特性的观测研究

利用2006年3～5月北京上甸子本底站气溶胶细粒子（PM2．5）质量浓度、吸收和散射系数的连续观测资料，对2006年春季上甸子本底站清洁、污染输送及典型沙尘天气下气溶胶的消光特性进行了分析。结果显示：①本底站在春季清洁情况下PM2．5质量浓度、吸收和散射系数的日均值水平分别为：10μg／m^3、7Mm^-1和20Mm^-1左右，单散射反照率分布在0．71～0．78之间；此次观测到的污染输送过程中PM2．5质量浓度、吸收和散射系数平均值分别为：145μg／m^-3、44．5Mm^-1、374．3Mm^-1，单散射反照率分布在0．84～0．94之间；沙尘影响期间，PM2．5质量浓度、吸收和散射系数以及单散射反照率的测量结果分布在248．2～424．1μg／m^3、10．8～44．7Mm^-1、225．4～392．5Mm^-1和0．89～0．96之间。②观测得出，沙尘影响集中的时段细粒子质量浓度、气溶胶散射系数和气溶胶吸收系数都成倍地上升，其中质量浓度和散射系数上升的幅度要高于吸收系数。③3种天气条件的对比结果显示，受沙尘天气影响PM2．5质量浓度明显上升，且逐时波动幅度大；吸收系数远高于清洁天气下的观测结果，但比污染输送过程的测量结果偏低；散射系数同样高于清洁天气下的观测结果，与污染输送情况下的测量结果接近。沙尘天气导致颗粒物浓度明显上升，其对气溶胶粒子散射作用的贡献要大于吸收作用。

四川温江黑碳气溶胶浓度观测研究

结合常规气象资料,对1999年9月至2000年8月在四川温江获得的黑碳气溶胶观测资料进行分析.结果表明,该地黑碳气溶胶浓度变化十分剧烈,日平均浓度在1200～20000 ng·m-3之间.其浓度日变化具有明显的双峰特征;季节变化表现为冬季1月最大,中值接近8000ng·m-3,5月也存在一个浓度高值.黑碳浓度及其变化特征与该地盆地性气候、降水湿清除和局地人为活动的影响有很大关系,由小时平均浓度最大出现频数统计分析得出该地区大气黑碳气溶胶本底浓度约为2850 ng·m-3.

2005年中国酸雨时空分布特征

根据中国气象局酸雨站网的观测资料,分析总结了2005年全国降水酸度(酸雨)的时空分布特征,包括年均降水pH值和酸雨发生频率,统计了酸雨逐月变化情况和各省酸雨总体变化趋势；将2005年全国酸雨状况与2004年的状况进行比较,结果认为,2005年全国酸雨污染形势趋于加重。另外,对近3a来部分台站降水的pH值明显降低的趋势进行了统计和分析。

静态箱-气相色谱法CO_2和CH_4通量观测的质控方法研究

通量观测与大气本底浓度观测采用统一的分析—质控—标校流程和方法对准确评估大气温室气体源汇至关重要。静态箱-气相色谱法是研究陆地生态系统CO_2和CH_4通量的重要手段。本研究首先在实验室对存储样品的气袋进行检测与处理,包括剖析气袋结构,测试气袋在一定时间内对气样中CO_2及CH_4浓度的影响,根据测试结果对采样、运输流程进行优化,确保样品尽量减少污染;其次,采用与温室气体本底浓度分析—质控—标校相一致的流程和方法,以保证两种观测方法所获取数据的准确可比;最后,将本研究中优化的流程和方法应用于2007年7月至2008年7月期间青海瓦里关自由放牧地和围栏草地开展的温室气体通量观测实验,获取了较高质量的CO_2及CH_4通量观数据并进行了初步分析。

北京夏季空气质量的气象指数预报

该文提出一种参数化预报方法,制作北京及其周边地区夏季空气质量气象条件指数预报。采用2000—2007年7—9月北京市观象台大气成分(PM10)逐日观测资料和华北区域气象站网加密地面观测及探空信息,分析北京地区夏季奥运会历史同期与高污染过程(PM10浓度>150μg/m3)关系密切的敏感气象要素和变量。引入适应度函数分级方法,计算北京周边不同观测站可能形成污染向北京输送的权重,建立北京夏季空气质量气象条件参数PLAM(parameters linking air-quality and meteorology)预报模型。PLAM指数给出北京局地污染气象条件的客观定量诊断和预测,并可指示周边地区有利(或不利)于污染向北京输送的强度和方位。夏季"静稳型"气象条件参数化PLAM方法为北京奥运气象保障任务实时提供预报产品,分别用PM10及可吸入颗粒物指数(API)对2008年7—8月PLAM逐日预报进行检验,相关系数达到0.001显著性水平。

温室气体本底观测研究

简要介绍了限排温室气体的源、汇特点及其影响,概述了国内外温室气体本底观测研究的沿革及发展趋势,阐述了在我国深入开展该领域工作的紧迫性和必要性。

北京地区大气中VHCs观测结果的初步分析

采用Tenax TA和碳分子筛吸附富集-热脱附-毛细管柱气相色谱法,测定了北京地区大气中C2～C10可挥发性烃类化合物(简称VHCs)的浓度变化.从2001年9月到2003年8月,先后采集到有效样品113个.检出55个VHCs 组分,其中烷烃26个,烯烃19个,芳香烃10个.TVHCs的平均浓度为364.3±99.3 μg/m3;11月份浓度最高,为546.9±353.5 μg/m3,8月份浓度最低,为251.8±152.4 μg/m3;采暖季比非采暖季高30%,城区比郊区高10%;有明显的日变化.初步分析发现,机动车尾气排放和天气气象条件是造成北京地区大气VHCs污染的两个最主要因素.

北京地区大气气溶胶光学特性及其直接辐射强迫的研究

利用2003年9月至2004年12月天空辐射计观测数据初步反演得到北京地区大气气溶胶光学特性的参数,包括:500nm大气气溶胶光学厚度,Angstrom波长指数,单次散射反照率和粒子谱分布的季节变化特征.将反演得到的结果代入辐射传输模式,计算北京地区大气层顶和地面在晴空条件下大气气溶胶的辐射强迫,并分析了其季节变化特征.

2007年中国区域性酸雨的若干特征

基于中国气象局1993—2007年的酸雨观测站资料,着重分析了2007年中国区域酸雨的特征,并和近十几年来我国区域酸雨的变化特点进行对比。与过去十几年相比,2007年全国区域酸雨的特点如下:1)我国位于长江以南的酸雨区范围基本保持不变,但南方部分站点的酸雨强度达近十几年来的最高值;2)我国北方尤其是华北部分地区的降水酸化明显,部分省市站点的酸雨频率和强酸雨频率达近15a来的最高值;3)2003—2007年,全国年均酸雨日数和酸雨量与总降水量的比值逐年上升,且增幅较为明显。2007年全国平均酸雨日数为1993年有系统观测数据以来的最高值。

大气气溶胶变化对农业影响的研究进展

随着工业化和城市化的迅速发展,大气气溶胶含量和种类明显增加,它们通过直接吸收和反射太阳辐射以及改变其它辐射强迫因子(云、臭氧)的大小间接影响地气系统的能量收支,从而影响气候。气溶胶变化对气候的影响已有较多的研究,而对植被(农业)的影响是一个相对较新的研究领域,文章简要概述了大气气溶胶辐射强迫效应和大气气溶胶对农业的影响研究现状及国内外主要研究成果,并对气溶胶监测方法及模式评估方面可能存在的问题作了简单的分析。

中国的人为沙漠化因素对亚洲沙尘暴的贡献

以数值模拟与大规模网络观测的对比结果为基础，通过对“去除”已经沙化土地获得的近地面层粉尘浓度的进一步分析，结合已获得的亚洲沙尘暴各源区粉尘释放量结果，提出我国的人为沙漠化因素对亚洲沙尘暴的贡献约为6％的观点。

有关中国黄土高原黄土物质的源区及其输送方式的再评述

仅通过对黄土的研究来认识黄土物质的源地和输送方式、沉降过程往往需要假设和推测一些问题，不够直接和全面，借助对沙漠和大气中沙尘粒子本身的研究则可以更清晰地认识它们。文章在以往对黄土物质源区、输送和沉积过程研究的基础上，对有关这些问题的研究进展，特别是2000～2006年以来的进展给出了进一步的评述。结果表明：蒙古源区、以塔克拉玛干沙漠为主体的中国西部沙漠源区和以巴丹吉林沙漠为中心的中国北部沙漠源区贡献了亚洲沙尘释放总量的约70％，它们可视为亚洲沙尘的3个贡献量最大的源区，也可视为是黄土高原黄土物质的主要源地；有关亚洲沙尘的输送，在接近其源区的区域其沙尘浓度峰值在1km及其以下，在中国内陆其峰值通常在1～3km高度，在日本等东亚区域在2～4km高度，在太平洋中部峰值位于4—5km高度，在美国西部在5～7km的位置。通常，亚洲沙尘的区域尺度输送主要受近地面层东亚冬季风的控制，沙尘穿越太平洋的跨洲输送模式与全球尺度的大气环流变化紧密相关，特别是受中纬度西风带的影响。关于黄土高原黄土物质的沉降和堆积，近地面层东亚冬季风起到的是控制性的作用，沙尘在黄土高原的沉降以干沉降为主。晚第四纪黄土-古土壤中的90％以上是亚洲沙尘粒子的沉积物，不到10％受到了再作用过程的影响。

北京地区PM_(2.5)的成分特征及来源分析

选用2003--2004年初PM25连续观测资料，统计分析了北京地区PM25的特征、PM25与PM10以及PM25与地面气象要素的相互关系。结果表明：四季中夏季PM25浓度最低，冬、春两季浓度较高。PM25与PM10比值平均为0．55，非采暖期两者比值为0．52，采暖期两者比值为0．62；夏季该比值主要分布在0．3～0．6之间，春、秋两季该比值分布在0．3～0．8之间，冬季采暖期该比值分布在0．4～0．9之间。PM2，与PM10比值日变化与气象条件日变化、人们日常生活习惯密切相关，沙尘天气和交通运输高峰期扬起地面粗颗粒物会导致PM2，在PM10中的比例下降，而冬季取暖以及夏季光化学反应则会引起PM25的比例升高。PM25的浓度与地面气象要素中本站气压、相对湿度和风速有很好的的相关性，与气温的相关性较差。SO4^2-，NO3^-和NH4^＋为北京地区PM25中主要离子。PMF源解析方法确定了北京地区5类细粒子污染源，分别是：土壤尘、煤燃烧、交通运输、海洋气溶胶以及钢铁工业。

电导率加和性质及其在酸雨观测数据质量评估中的应用

大气降水中离子成分的电导率具有可加和性,国际上已经普遍应用该原理对大气降水离子成分观测的数据质量进行分析和评估,即所谓的相对电导率差(conductance percent difference,CPD)方法。该文应用CPD方法对我国4个大气本底观测站的电导率和降水离子成分数据进行了数据质量分析,针对我国的降水电导率范围偏高等特点,对国外推荐的CPD统计检验指标的适用性进行了讨论,指出在我国应用CPD方法时宜采取pH值分组的方式,并根据这种分组方式的统计分析,估计4个大气本底观测站的部分pH值观测数据可能存在-0.05左右的测量误差。该文还依据降水中离子成分电导率的可加和性原理,提出K-pH不等式方法,可以用于中国气象局酸雨观测站网的pH值和电导率数据的现场校验和数据质量的分析评估。应用K-pH不等式方法对观测数据进行现场质量检验时,对pH值小于5.0范围的酸性降水效果尤其显著。应用K-pH不等式方法对1992—2005年间全国酸雨观测站观测数据的统计分析显示,部分酸雨观测站的pH值测量数据可能存在-0.1^-0.3左右的系统性负偏差。

瓦里关温室气体本底研究的主要进展

由于温室气体浓度显著增长及其在气候与环境变化中的作用,国际上众多的科学计划和观测体系都把它们的时空分布、源汇及趋势列为重要内容,获得的各种资料在评价人类活动对气候和环境的影响及有关对策研究中起着关键作用。文章阐述了在中国内陆本底地区开展温室气体长期、定点观测的意义和必要性,系统地讨论了10多年来中国瓦里关本底站温室气体本底研究的主要进展。利用瓦里关经严格国际比对和质量控制的大气CO2、CH4长期观测资料,结合同期的地面风资料进行统计分析,建立了瓦里关大气CO2和CH4本底资料筛选方法;利用本底观测资料,研究了瓦里关大气CO2及其δ13C、CH4和CO本底变化及源汇特征所体现的亚洲内陆地域特点和全球代表性,并进一步与同期、同纬度海洋边界层参比值(MBL)以及北半球其他6个大气本底站同期观测数据对比分析,发现了瓦里关大气CH4和CO独特的季节变化并探讨了成因;根据空气团后向轨迹簇所途经的下垫面源汇同观测的大气CO2和CH4浓度变化之间的关系,探讨了瓦里关大气CO2和CH4的输送来源;利用Hysplit-4扩散与输送模式,计算了冬、夏典型月份人为源和自然生态系统源汇对瓦里关大气CO2浓度变化的贡献。并在现有基础上,提出了有待进一步解决的科学问题。