捕捉大氣“本色”
——記中國氣象局氣象探測中心研究員方雙喜

□ 汲曉奇

專家簡介：

方雙喜，中國氣象局氣象探測中心研究員。兼任世界氣象組織全球溫室氣體綜合信息計劃成員、編寫專家，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）國家溫室氣體清單編制方法學(xué)指南主要作者。他致力于溫室氣體及相關(guān)微量成分觀測研究多年，在溫室氣體測量新技術(shù)、新方法和新系統(tǒng)研發(fā)等方面做出了重要貢獻，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃及中國氣象局氣候變化專項等研究任務(wù)，相關(guān)成果服務(wù)于包括生態(tài)環(huán)境部等多個機構(gòu)，推動了領(lǐng)域內(nèi)方法開發(fā)和標準制定，同時為國家決策提供了有效的科技支撐。

2019年伊始，在中國氣象局專題新聞發(fā)布會現(xiàn)場，各大媒體持續(xù)發(fā)問，對《2018年中國氣候公報》和《2017年中國溫室氣體公報》中的氣候變化原因、溫室氣體減排效果等表現(xiàn)出十足的關(guān)心。

身為溫室氣體觀測研究的主要發(fā)言人，中國氣象局氣象探測中心研究員方雙喜針對全球二氧化碳濃度上升緣由、我國自主碳衛(wèi)星觀測價值等問題進行了答疑。當(dāng)被問及“溫室氣體探測在節(jié)能減排中有什么作用”時，他的回答簡短卻不失力度：“中國氣象局積極參加應(yīng)對氣候變化工作。我們的數(shù)據(jù)對全球公開，與大家共享?！?/p>

全球公開、數(shù)據(jù)共享，像這樣的觀測公報，中國氣象局每年都會發(fā)布，實時跟進大氣環(huán)境的狀態(tài)，并將最新的數(shù)據(jù)及分析成果向公眾分享。原因無他，因為這支科研隊伍是中國氣象研究的“國家隊”，是世界氣象組織在中國境內(nèi)觀測的唯一執(zhí)行機構(gòu)。以成果惠及社會，他們的研究為國家相關(guān)部門的決策提供了有效的科技支撐，指導(dǎo)了人類生產(chǎn)生活的有序發(fā)展?！拔覀兊挠^測方法、標準和流程與國際接軌，我們的數(shù)據(jù)包括精度都是國際認可的?！痹谘芯窟^程中，對于新方法和技術(shù)的創(chuàng)新，方雙喜表現(xiàn)得格外自豪。

深耕大氣觀測研究多年，他和其他科研人員一樣，雖嘴上說著“感覺工作永遠也忙不完”，但還是用大把的時間來填補科研攻關(guān)這個無底洞。想著是為國家服務(wù)，能夠推動領(lǐng)域發(fā)展，方雙喜沒有怨言，埋頭研究創(chuàng)造性的方法、技術(shù)及系統(tǒng)，用它們捕捉大氣最真實的“顏色”，為國內(nèi)氣象觀測領(lǐng)域再添濃墨重彩！

溫室氣體本底觀測——最大限度地“還原”大氣的本來面貌

大氣本底觀測，是涉及有關(guān)大氣化學(xué)組分及其物理特性檢測與研究的活動。簡單來說，就是在調(diào)查較少受人類活動的影響下大氣各成分的濃度，所以一般而言，大氣本底觀測站也就在人類活動和污染源相對較少的地區(qū)落腳。

從發(fā)展歷史來看，國外的大氣本底觀測興起于1950年前后，英國、美國等發(fā)達國家較早意識到大氣環(huán)境的變化，對其中的化學(xué)組分和物理特性等進行了連續(xù)性的跟蹤記錄。1968年—1975年，大氣本底污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等也在多個國際組織的支持下被先后建立，為全球及區(qū)域氣候變化、環(huán)境變化與預(yù)測留下寶貴的資料。而在我國，早期的大氣本底觀測從20世紀80年代起步，歷經(jīng)了幾代人幾十年的努力，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累和觀測標準制定等方面才取得較大的進展。

起步晚，并且國內(nèi)大多沿用“自下而上”溫室氣體排放調(diào)研模式，因此在方雙喜看來，推動本底觀測發(fā)展還有很長的一段路要走。他認為，本底觀測新方法和技術(shù)的開發(fā)至關(guān)重要，是實現(xiàn)行業(yè)發(fā)展的必要途徑?！艾F(xiàn)階段，國內(nèi)的溫室氣體排放量是對不同行業(yè)排放情況調(diào)查后的估算，比如說，調(diào)查一個火力電廠燒煤多少，大約排放多少溫室氣體，全國又有多少個這樣的火力電廠。這就造成了一個很明顯的問題，去各行業(yè)調(diào)研需要的時間長，人力和物力耗費巨大。”方雙喜指出，本底觀測恰好能避免當(dāng)前面對的諸多問題，通過精確地觀測大氣環(huán)境中二氧化碳、甲烷及氧化亞氮等，從而實時了解到它們大范圍的、均勻的濃度變化，進而估算出各類溫室氣體的排放情況。當(dāng)然，本底觀測也面對諸多問題，需要不斷努力去突破。

中國氣象局自20世紀90年代開始，首先在青海瓦里關(guān)站開展溫室氣體觀測，后陸續(xù)在北京上甸子、浙江臨安、黑龍江龍鳳山、云南香格里拉、湖北金沙和新疆阿克達拉6個區(qū)域大氣本底觀測站開展溫室氣體的聯(lián)網(wǎng)觀測，分別代表京津冀、長三角、東北平原、云貴高原、江漢平原和北疆地區(qū)的大氣本底特征。幾十年的發(fā)展間，如今中國氣象局的4個大氣本底站已經(jīng)被列入世界氣象組織全球大氣觀測計劃，按照嚴格的觀測規(guī)范和質(zhì)量標準開展觀測?！扒嗪Ｍ呃镪P(guān)站作為世界氣象組織全球大氣觀測計劃的31個全球大氣本底觀測站之一，也是目前歐亞大陸腹地唯一的大陸型全球本底站，它的觀測資料已進入溫室氣體世界數(shù)據(jù)中心和全球數(shù)據(jù)庫，用于全球溫室氣體公報，并用于世界氣象組織、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署、聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會等的多項科學(xué)評估?！?/p>

與此同時，正是在國內(nèi)溫室氣體聯(lián)網(wǎng)觀測逐漸成形的時期，方雙喜也完成了從武漢大學(xué)環(huán)境科學(xué)系到中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，再到中國氣象科學(xué)研究院的各個學(xué)習(xí)及研究階段，由基礎(chǔ)的夯實到獨當(dāng)一面開展研究工作。后來，因為工作調(diào)動，他正式加入中國氣象局氣象探測中心，將前期開展的溫室氣體觀測進行了更為深入、系統(tǒng)的研究。

他說，本底觀測對方法、技術(shù)及標準的要求更為嚴苛，需要感應(yīng)到大氣環(huán)境微小的變化。因此很長一段時間內(nèi)，方雙喜不僅要持續(xù)觀測，摸清國內(nèi)溫室氣體各成分濃度變化數(shù)據(jù)及發(fā)展趨勢，還需要不斷革新溫室氣體本底觀測的方法和技術(shù)，以達到更精準的觀測目的。

團隊與外國專家合作交流

主動“摸清家底”——在評估我國履行國際協(xié)定及開展國際談判中掌握話語權(quán)

在交談中，方雙喜不止一次提到“摸清家底”的重要性。那么究竟什么是“摸清家底”呢？

對溫室氣體本底觀測來講，需要摸清的是全國范圍內(nèi)二氧化碳、甲烷及氧化亞氮等溫室氣體的濃度變化情況，并將觀測獲得的第一手數(shù)據(jù)資料進行分析、整合、匯總。這些帶有明顯實效性和地域特征的信息，不但可以服務(wù)于我國碳源匯認識，還能服務(wù)于我國生態(tài)文明建設(shè)?！耙郧岸际菄鈱＜宜鸭覈鴿舛扔^測數(shù)據(jù)，人家說什么就是什么，這讓我們國家在國際談判過程中很被動?，F(xiàn)在把‘家底摸清’，我們有了自己的觀測數(shù)據(jù)作為參考?！狈诫p喜說，觀測的目的是為了獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)最終要為國家決策或外交提供支撐，在國際談判中發(fā)揮作用，提升我國的國際話語權(quán)。

以氫氣為例，在世界不斷推廣新能源的當(dāng)下，它在大氣環(huán)境中的增長尤為急劇?！皻錃馐谴髿庵袃H次于甲烷的還原性氣體，雖然不是直接的溫室氣體，但在大氣中可大量消耗OH自由基，導(dǎo)致大氣甲烷這一重要溫室氣體的壽命增長，因而被認為是一種重要的間接溫室氣體?！狈诫p喜解釋說。而在世界相關(guān)國家先后簽約《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》后，限制或減少二氧化碳、甲烷和鹵代物等溫室氣體就被各國列入發(fā)展規(guī)劃當(dāng)中。這也就意味著，作為清潔能源的氫氣，倘若使用起來毫無節(jié)制，甚至出現(xiàn)政策性刺激排放等情況，十分危險。

“雖然氫氣能源的使用能大量減少因化石燃料燃燒導(dǎo)致的溫室氣體等的排放，但由于泄漏及不完全燃燒等原因，大量氫氣也會排放到大氣中，可間接增加大氣中甲烷總量，在平流層中，過量氫氣氧化成的水蒸氣可改變平流層溫度以及臭氧反應(yīng)平衡。因此，大氣中過多的氫氣勢必會影響全球大氣光化學(xué)過程，甚至可能導(dǎo)致全球生態(tài)環(huán)境等的重大變化。”方雙喜表示。

于是，在充分調(diào)研國內(nèi)外氫氣濃度觀測發(fā)展狀況時，方雙喜帶領(lǐng)團隊以已有的氣相色譜分析系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開發(fā)新的技術(shù)和方法，優(yōu)化流程、擴展分析內(nèi)容等，實現(xiàn)對我國多個本底觀測站氫氣濃度的高質(zhì)量分析。其中，基于研發(fā)的氫氣濃度高精度分析系統(tǒng)，已經(jīng)獲得規(guī)范化的標氣設(shè)置、運行方法和流程，精度甚至比國際同類系統(tǒng)更高。與此同時，在獲得觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，他們還深入研究我國7個本底區(qū)域大氣氫氣濃度特征和變化趨勢等內(nèi)容，探明區(qū)域人為因素和自然因素對觀測的氫氣濃度的影響，進而為評估我國溫室氣體源匯動態(tài)變化提供了科學(xué)依據(jù)，填補我國在這一方面的觀測研究空白。

除此之外，在進行氧化亞氮的觀測研究中，方雙喜考慮到它的特性及各種人為或自然影響因素，結(jié)合國際經(jīng)驗與國內(nèi)領(lǐng)域發(fā)展勢態(tài)，針對我國現(xiàn)有4個國家級本底站（青海瓦里關(guān)、浙江臨安、北京上甸子、黑龍江龍鳳山）的大氣氧化亞氮觀測系統(tǒng)，進行觀測數(shù)據(jù)的處理流程和質(zhì)量控制方法創(chuàng)新，取得了一系列高精度、高準確度、可與國際媲美的本底大氣氧化亞氮觀測資料。

現(xiàn)階段國內(nèi)雖然有一些氧化亞氮在線觀測方面的研究，但是主要集中在污染區(qū)域或者通量觀測，而我國本底區(qū)域大氣氧化亞氮濃度長期觀測研究尚未見報道。同時，方雙喜指出：“即便在本底區(qū)域，溫室氣體觀測濃度其實也不能百分百代表實際情況或者大氣混合均勻的情況。比如說，當(dāng)你正在觀測的時候，有車輛經(jīng)過或者附近有焚燒，這時候的數(shù)據(jù)可能不準確。我們就需要將數(shù)據(jù)標記、處理結(jié)合，排除季節(jié)、區(qū)域位置及突發(fā)性不確定因素造成的影響，做到有效地選取、篩分?！?/p>

集成開發(fā)的高精度氫氣觀測系統(tǒng)

因此，選取已被納入世界氣象組織世界全球大氣觀測計劃的4個國內(nèi)本底站，即海瓦里關(guān)、浙江臨安、北京上甸子和黑龍江龍鳳山本底站，方雙喜帶領(lǐng)團隊以國家級本底站現(xiàn)有氣相色譜法大氣氧化亞氮觀測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合雙層梯度觀測、地面風(fēng)局地影響等手段，深入研究了氧化亞氮濃度變化特征異同點和影響因素?！拔覀兊哪康牡谝徊绞翘岢龊线m的數(shù)據(jù)處理方法流程，第二步是要認識國家本底站的氧化亞氮變化趨勢，結(jié)合人為排放、環(huán)境輸送等情況，從定性的關(guān)系來分析它們與濃度變化的關(guān)系……”方雙喜對每一步的工作了然于心。他們旨在初步探明本底站觀測成果反映的全球和區(qū)域代表性，為在我國開展大氣氧化亞氮源匯機制研究提供經(jīng)驗和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

深耕大氣研究多年，方雙喜對自己的專業(yè)滿懷熱愛。

創(chuàng)新煥發(fā)科研活力——溫室氣體觀測方法、技術(shù)及系統(tǒng)的躍升

1992年，我國首個溫室氣體本底觀測站在青海瓦里關(guān)山建成。當(dāng)時，不論是系統(tǒng)的安裝還是觀測用到的方法，都是“舶來品”，要依靠國外專家的“手把手”指導(dǎo)。之后，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，我國雖然逐步建立完善的溫室氣體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、管理體系，但絕大多數(shù)溫室氣體高精度探測裝備長期依賴于進口?，F(xiàn)有自主溫室氣體測量技術(shù)和設(shè)備效率、精度，無法滿足評估碳減排的迫切需求。

區(qū)域間的大氣環(huán)境存在差異，國際間的大氣環(huán)境差異則更為明顯。方雙喜表示，由于這種差異，必須針對我國的實際情況進行適應(yīng)性開發(fā)。“濃度不一樣，觀測要求和指標也就不一樣。另外從經(jīng)濟的角度來說，進口設(shè)備的價格高昂，同時還得考慮運行維護的成本等?！币虼?，從投身工作到2011年，方雙喜做得最多的事情就是觀測方法、技術(shù)和系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)從無到有的技術(shù)突破，從有到新的變革發(fā)展。

埋頭鉆研，他一手建立起多個創(chuàng)新型的溫室氣體本底觀測系統(tǒng)。其中印象最深刻的當(dāng)屬在青海地區(qū)海拔4000米的高原上。作為設(shè)備的主要開發(fā)人，方雙喜到觀測站現(xiàn)場親自架構(gòu)、調(diào)試系統(tǒng)，整整40天，因為高原反應(yīng)睡不著覺、洗不了澡?！澳菚r候，方圓幾十里沒有人煙，做飯都得靠自己。青海當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)值班人員兩個人一班崗，每隔10天換一次，我最高興的就是看著汽車遠遠地開過來，送走兩個人，再聽聽新來的講點兒新鮮事?！狈诫p喜回憶道。

他基于多目標溫室氣體測量技術(shù)搭建的系統(tǒng)不容小覷。除了安裝成本和運行成本都相對較低，對比國外產(chǎn)品的單項濃度觀測，它可以實現(xiàn)二氧化碳、甲烷等多個氣體濃度觀測。盡管過程艱辛，甚至有人不理解，問方雙喜“你一個博士生畢業(yè)，干嘛天天弄這種東西受罪”，他還是選擇堅持下來。在他看來，國內(nèi)氣象觀測領(lǐng)域研究需要有人來做，圍繞國家需求解決問題、提供服務(wù)?！盁o論有沒有項目支持，我都會去做。”

方雙喜這樣說的，也確實這樣做了。他最早跟著導(dǎo)師學(xué)東西，再結(jié)合一些國際上的經(jīng)驗和本土科研人員的調(diào)研數(shù)據(jù)，花了幾年時間用來琢磨新方法、新技術(shù)。任何一項創(chuàng)新性的理論和方法研究都需要時間，于是在近6年的磨礪當(dāng)中，沒項目資金支持還鮮有論文發(fā)表，方雙喜只能咬牙挺著。“從零出發(fā)，確實有很多困難要突破，再加上國內(nèi)溫室氣體觀測方法研究沒有借鑒，就自己一步步地摸索。”

近年來，方雙喜研發(fā)的技術(shù)方法和系統(tǒng)不斷獲得新突破，同時他還參與了多項國家行業(yè)標準的制定工作，為大氣觀測分析方法、數(shù)據(jù)處理流程等樹立下領(lǐng)域標桿。他先后投入到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目等研究之中，在觀測主機系統(tǒng)、樣品前后處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)質(zhì)控處理系統(tǒng)等層面開展創(chuàng)新性工作，促進了本土溫室氣體觀測應(yīng)用系統(tǒng)的更快、更好發(fā)展。由他領(lǐng)銜團隊集成的溫室氣體本底觀測系統(tǒng)，被國家生態(tài)環(huán)境部、國家海洋局等多個單位機構(gòu)引進使用。研究成果備受肯定，方雙喜說，這是他一直以來最期盼的?！叭绻囊惶煳彝诵萘?，我希望，提到中國氣象局溫室氣體觀測這一塊工作，人家能想到方雙喜這個人。這就是對我工作最大的認可。”

目前，方雙喜仍舊將工作重心放在開展大氣本底觀測上。除了針對高效系統(tǒng)的研發(fā)，他還積極嘗試新方法，利用采樣器搭載氣球裝置進行溫室氣體廓線直接采樣觀測，為我國碳衛(wèi)星遙感提供直接觀測數(shù)據(jù)校驗。他表示，國家減排和綠色發(fā)展任重而道遠，科學(xué)還是為國家決策服務(wù)的，“國家既然把擔(dān)子交給了我們，我們就要盡最大努力，義無反顧地提供科技支撐和有價值的服務(wù)”。