【鐵塔之下 守望天空——走進大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室】#重點實驗室巡禮#
北京北土城西路和京藏高速的交匯處,平時車來車往,熙熙攘攘。從一條小路拐進去,卻有一處幽靜小院。一進入中國科學院大氣物理研究所(以下簡稱大氣所)鐵塔分部的大門,人們就知道,這裡是一個做學問的地方。

坐落在此的,是大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室。自1991年經中國科學院批准正式成立並對外開放以來,該實驗室一直面向國際學科前沿和國家重大需求,堅持觀測實驗、理論分析和數值模擬相結合,引領我國大氣邊界層物理和大氣化學學科發展與交叉,並專註于開展低層大氣中物理和化學過程基礎研究。

「仰望天空」這件每個人都會做的事情,大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室的80多名科研人員想要做到極致。因為對國家乃至整個人類來說,「仰望天空」不僅是詩意的表達,更是一種迫切的現實需求。

「接地氣」的邊界層

大氣邊界層是指離地球表面約1~2千米高度的低層大氣。它是地圈、水圈、冰雪圈、生物圈與大氣圈間物質、能量交換的界面和關鍵區域,對氣候和環境的變化有極為重要的影響。人類的日常活動、工農業生產以及普通軍事活動均集中在該層,工程活動如航空航天、高層建築設計、風能和太陽能利用等也與大氣邊界層密切相關。

「可以說,人類99%的活動都是在大氣邊界層開展的,因此大氣邊界層一直是國內外大氣科學的前沿研究領域之一。」大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室主任、大氣所研究員王自發說。

例如,近年來備受世人矚目的溫室氣體排放、大氣灰霾等,其實都發生在大氣邊界層中,這也讓大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室的研究變得越來越「接地氣」。

自1988年利用世界銀行貸款開始籌建以來,大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室的定位就一直非常明確,那就是去探尋邊界層大氣與地球表面的物質能量交換的科學規律。

「在基礎研究方面,我們實驗室主要從事大氣邊界層物理和大氣化學這兩個學科的交叉研究;在滿足國家重大需求方面,我們主要研究重點天氣災害的觸發、生態環境問題、城市化對氣候變化的影響等等。」王自發介紹。

大氣邊界層物理是研究在大氣邊界層中所發生的物理現象的學科,是大氣科學的一個重要分支。邊界層的大氣,既受氣壓梯度力、科里奧利力的湍流粘性力的作用,又受地面摩擦作用和由輻射引起的溫度分佈不均勻性的影響,運動非常複雜。

而大氣化學則是研究大氣組成和化學過程的學科,是大氣科學的另一個重要分支,涉及氣象、數學、物理、化學、生態、計算機等諸多學科。研究對象包括大氣微量氣體、氣溶膠、大氣放射性物質和降水等;研究空間範圍涵蓋對流層和平流層,水平尺度從城市、區域到全球;研究時間尺度從幾天到幾年,以至幾十年;研究手段包括現場觀測、實驗室模擬和數值模擬等。

學科的特點決定了研究工作的事無巨細。作為實驗室主任,王自發首先必須考慮的,就是學科方向的布局問題。

「一個都不能少」

大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室副主任、大氣所研究員鄭循華喜歡用「一把三足鼎立的小板凳」形容自己所工作的實驗室。

「三條凳子腿是大氣化學、大氣邊界層物理和生物地球化學,三條腿融合基礎研究和應用基礎研究,獨立又緊密交叉,共同支撐起了整個板凳面——大氣環境學。」鄭循華說。

憑藉著這一獨特的學科交叉優勢,充分利用理論研究、實驗室模擬試驗、野外立體綜合觀測實驗、衛星遙測以及數值模擬等多種研究手段,大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室在大氣邊界層物理、大氣化學,以及碳氮生物地球化學循環研究領域持續保持著領先優勢。

同時,實驗室也是國內唯一 一家從微觀到宏觀全鏈條布局的大氣科學實驗室,無論是一個小小的湍流,還是全球大氣輸送;無論是分子尺度,還是全球尺度,實驗室都有人在做。

「我們實驗室一開始就是這樣布局的,人不多,但布局的面特別廣,要保證每個方向都有人。無論經費狀況、需求情況如何『風雲變幻』,我們始終要對這幾個方向穩定支持,讓大家能坐得住冷板凳。」王自發坦言,「大氣科學的熱點一直在不斷地變化,前幾年是黃沙,這幾年是霧霾。我們實驗室要做的就是無論國家遇到了什麼事,都能馬上頂得上去、扛得起來。」

2008年,北京奧運會召開在即,北京的空氣質量問題成為全球矚目的焦點。當時國際上有人質疑,中國是否有能力進行空氣質量的短期數值預報,而國際奧委會也一度想將奧運會期間的空氣質量預報工作交與外國團隊來做。

奧運會是中國人民盼了多少年的大事,豈能把空氣質量預報交給別人?這對於王自發和他的同事來說是不可接受的。於是,大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室臨危受命,扛下了建立北京空氣質量預報預警模式的緊急任務。

北京奧運會開幕前4個月,實驗室研發的世界上首套「空氣質量多模式集合預報業務系統」投入業務運行。在奧運會期間,這套系統成功預報了未來72小時的空氣質量,為中國贏得了全世界的尊重。

讓王自發這個實驗室主任深感自豪的是,對於這套模式系統,實驗室是從建模、基礎研究、野外實驗,到業務化、產業化全部打通的。正是這種「一個都不能少」的策略,讓實驗室在面對國家需求的時候,能夠以最快的速度做出響應,在應對急難險重任務時,能夠更加從容不迫。

經過多年的業務化實踐,這套系統逐步推廣開來,被廣泛採用,成為國家環境質量預報預警中心、七大區域中心、20多個省級中心和50多個市中心的核心預報工具,支撐建立了國家、區域、省、城市空氣質量預報預警業務化體系,為上海世博會、廣州亞運會、南京青奧會、APEC會議、9·3大閱兵、G20杭州峰會等國家重大活動的空氣質量保障及打贏藍天保衛戰提供了核心支撐。

「人人都能當家做主」的實驗室

2020年席捲全球的新冠病毒將很多人留在了家裡,但大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室副主任、大氣所研究員孫業樂卻一直沒閑著。

他注意到了一件不同尋常的事:「新冠病毒的傳播極大減少了人們的戶外活動,進而導致世界範圍內人為排放大氣污染物顯著減少。然而,一些特大城市的空氣質量並未因為人為排放的降低而得到預期改善,重污染事件仍有發生。」

為了探究疫情期間人為排放變化對大氣污染的影響,孫業樂和他的學生對2020年1~3月份北京顆粒物化學組分和來源進行了深入分析。他們發現,在過去近10年間,大氣污染前體物的變化導致了顆粒物化學組分的變化,而氣態前體物濃度的降低和大氣氧化性的增強反而促進了二次氣溶膠組分的形成和轉化,這意味著我國未來大氣二次污染的治理仍面臨著較大挑戰。

對於霧霾的深刻理解,孫業樂認為要歸功於實驗室良好的學術氛圍。「當時霧霾剛成為熱點,大家都只是關注熱點,但王自發老師高瞻遠矚,把實驗室不同領域的年輕人組合起來,讓我們搞交叉研究,結果確實取得了很多重要的科學發現。這種學術自由、重視交流的氛圍,對我們年輕人的幫助很大。」

實際上,打破科學研究里的「山頭」現象,一直是王自發力圖解決的問題。他一直感覺傳統的課題組模式就像「小農經濟」,科研人員各自為政,各個「山頭」之間沒什麼來往,不利於科研工作的開展,還容易產生隔閡和矛盾。「我們實驗室的學科方向很多,就更需要設計一種新的機制,來更好地凝練學科方向,讓大家集中目標,合力解決一些大的科學問題。」

為此,從2011年起,大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室採用了「研究員大會」制度進行決策——實驗室所有的重大戰略決策都通過研究員大會來確定,針對制度的事項,進行實名投票;針對個人的事項,則實行匿名投票。

此外,每個研究員都有機會當選大會的輪值主席,每人為期三個月。這樣,人人都能夠站在實驗室的高度、站在他人的角度去思考問題,從而能夠始終保持隊伍的團結,並且始終圍繞國家需求,開展科研攻關。

「矛盾少了,人心齊了,每個人都能在實驗室里做自己想做的事、國家需要的事。」王自發笑稱,實驗室運行機制理順了,「我這個實驗室主任都能當得更加輕鬆了」。

培養傑出人才,建設優秀團隊,在大氣邊界層基礎理論、大氣污染成因與模擬預測、地球生物化學循環關鍵過程、大氣化學過程與氣候變化相互影響等關鍵研究領域,開展關鍵性、前瞻性的基礎和應用基礎研究,這個鐵塔下的國家重點實驗室,將始終用科學的眼光仰望天空,作出自己獨特的貢獻。

實驗室小故事

「高攀」不起的「網紅」打卡地

「北京健翔橋西邊有個很高的鐵塔是幹什麼用的?」

「城建大廈北側有一根很高很高的鐵柱子,誰知道那是什麼?」

中國科學院大氣物理研究所鐵塔分部院里那座高達325米的鐵塔,總時不時地引起網友的好奇,甚至還有人懷疑它是不是一棟「爛尾樓」。

實際上,大氣所325米氣象觀測塔不但是附近的「網紅」地標、中科院標誌性的大型科學設備,更是大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室全體科研人員引以為傲的一座科學之塔。

氣象塔於1976年開始建設,1979年8月建成,是一座全天候運行的氣象高塔。該塔垂直方向有15層觀測平台,可實現氣象、湍流、空氣質量要素全天候梯度觀測,並實現自動觀測數據的同步傳輸。

氣象塔主要服務於北京的空氣污染研究和大氣邊界層、大氣湍流擴散等研究。在世界眾多氣象塔中,大氣所氣象塔具有獨特的優勢,其高度位居世界第三。在氣象塔280米高度南北兩個方向設置的兩部高清相機可24小時運行,每半小時就會自動拍照,實時監測周邊天氣、污染和地表狀況。氣象塔上還有兩套觀測系統——15層氣象梯度觀測系統和7層湍流通量觀測系統,也同樣在24小時不間斷運行著。

40多年來,該氣象塔連續不間斷地對北京市邊界層風、溫、濕平均場結構進行觀測,取得了大量寶貴資料。這些積累多年的觀測數據在大氣科學研究領域得到了廣泛應用,發揮了不可替代的巨大作用。

「在超大城市裡建這麼一座氣象塔,在全世界也是十分罕見的。這座鐵塔這麼多年來始終屹立在這裏,可以說見證了北京城市發展的歷程,也支撐了國家大氣環境的研究。」大氣所研究員胡非說。

例如,2009年,北京市氣象局承擔了國際清潔氣象保障任務,該局向大氣所提出,想要使用325米氣象塔的數據。大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室隨即組織科研力量進行了採樣程序的修改,進行網路連接和網上數據傳送程序的安裝調試,並在當年9月24日下午成功實現了數據的實時傳送,同時在國慶期間安排專人值班,圓滿完成了此次任務。北京市氣象局為此專門發來了感謝信。

目前,在大氣所和北京市氣象局戰略合作協議框架下,氣象塔的觀測已納入北京市氣象局的日常觀測站網。此外,氣象塔數據應用於APEC會議的氣象保障,取得良好成效。

這座「40多歲」的高塔也為科學研究立下了汗馬功勞。據不完全統計,觀測塔數據為「973」項目、「863」項目、中科院戰略性先導科技專項、自然科學基金等項目提供實驗平台,進行全年不間斷實時連續觀測,近5年用鐵塔資料發表的論文就有近百篇。

「從1979年建成以來,這座氣象塔一天都沒有停止過工作,取得了很多不可替代的寶貴資料,為中國在國際大氣科學界贏得了重要的話語權。」正如胡非說的那樣,這座「兢兢業業」的高塔,鑄成了大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室的「魂」。(丁佳)
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