【铁塔之下 守望天空——走进大气边界层物理和大气化学国家重点实验室】#重点实验室巡礼#
北京北土城西路和京藏高速的交汇处,平时车来车往,熙熙攘攘。从一条小路拐进去,却有一处幽静小院。一进入中国科学院大气物理研究所(以下简称大气所)铁塔分部的大门,人们就知道,这里是一个做学问的地方。

坐落在此的,是大气边界层物理和大气化学国家重点实验室。自1991年经中国科学院批准正式成立并对外开放以来,该实验室一直面向国际学科前沿和国家重大需求,坚持观测实验、理论分析和数值模拟相结合,引领我国大气边界层物理和大气化学学科发展与交叉,并专注于开展低层大气中物理和化学过程基础研究。

“仰望天空”这件每个人都会做的事情,大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的80多名科研人员想要做到极致。因为对国家乃至整个人类来说,“仰望天空”不仅是诗意的表达,更是一种迫切的现实需求。

“接地气”的边界层

大气边界层是指离地球表面约1~2千米高度的低层大气。它是地圈、水圈、冰雪圈、生物圈与大气圈间物质、能量交换的界面和关键区域,对气候和环境的变化有极为重要的影响。人类的日常活动、工农业生产以及普通军事活动均集中在该层,工程活动如航空航天、高层建筑设计、风能和太阳能利用等也与大气边界层密切相关。

“可以说,人类99%的活动都是在大气边界层开展的,因此大气边界层一直是国内外大气科学的前沿研究领域之一。”大气边界层物理和大气化学国家重点实验室主任、大气所研究员王自发说。

例如,近年来备受世人瞩目的温室气体排放、大气灰霾等,其实都发生在大气边界层中,这也让大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的研究变得越来越“接地气”。

自1988年利用世界银行贷款开始筹建以来,大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的定位就一直非常明确,那就是去探寻边界层大气与地球表面的物质能量交换的科学规律。

“在基础研究方面,我们实验室主要从事大气边界层物理和大气化学这两个学科的交叉研究;在满足国家重大需求方面,我们主要研究重点天气灾害的触发、生态环境问题、城市化对气候变化的影响等等。”王自发介绍。

大气边界层物理是研究在大气边界层中所发生的物理现象的学科,是大气科学的一个重要分支。边界层的大气,既受气压梯度力、科里奥利力的湍流粘性力的作用,又受地面摩擦作用和由辐射引起的温度分布不均匀性的影响,运动非常复杂。

而大气化学则是研究大气组成和化学过程的学科,是大气科学的另一个重要分支,涉及气象、数学、物理、化学、生态、计算机等诸多学科。研究对象包括大气微量气体、气溶胶、大气放射性物质和降水等;研究空间范围涵盖对流层和平流层,水平尺度从城市、区域到全球;研究时间尺度从几天到几年,以至几十年;研究手段包括现场观测、实验室模拟和数值模拟等。

学科的特点决定了研究工作的事无巨细。作为实验室主任,王自发首先必须考虑的,就是学科方向的布局问题。

“一个都不能少”

大气边界层物理和大气化学国家重点实验室副主任、大气所研究员郑循华喜欢用“一把三足鼎立的小板凳”形容自己所工作的实验室。

“三条凳子腿是大气化学、大气边界层物理和生物地球化学,三条腿融合基础研究和应用基础研究,独立又紧密交叉,共同支撑起了整个板凳面——大气环境学。”郑循华说。

凭借着这一独特的学科交叉优势,充分利用理论研究、实验室模拟试验、野外立体综合观测实验、卫星遥测以及数值模拟等多种研究手段,大气边界层物理和大气化学国家重点实验室在大气边界层物理、大气化学,以及碳氮生物地球化学循环研究领域持续保持着领先优势。

同时,实验室也是国内唯一 一家从微观到宏观全链条布局的大气科学实验室,无论是一个小小的湍流,还是全球大气输送;无论是分子尺度,还是全球尺度,实验室都有人在做。

“我们实验室一开始就是这样布局的,人不多,但布局的面特别广,要保证每个方向都有人。无论经费状况、需求情况如何‘风云变幻’,我们始终要对这几个方向稳定支持,让大家能坐得住冷板凳。”王自发坦言,“大气科学的热点一直在不断地变化,前几年是黄沙,这几年是雾霾。我们实验室要做的就是无论国家遇到了什么事,都能马上顶得上去、扛得起来。”

2008年,北京奥运会召开在即,北京的空气质量问题成为全球瞩目的焦点。当时国际上有人质疑,中国是否有能力进行空气质量的短期数值预报,而国际奥委会也一度想将奥运会期间的空气质量预报工作交与外国团队来做。

奥运会是中国人民盼了多少年的大事,岂能把空气质量预报交给别人?这对于王自发和他的同事来说是不可接受的。于是,大气边界层物理和大气化学国家重点实验室临危受命,扛下了建立北京空气质量预报预警模式的紧急任务。

北京奥运会开幕前4个月,实验室研发的世界上首套“空气质量多模式集合预报业务系统”投入业务运行。在奥运会期间,这套系统成功预报了未来72小时的空气质量,为中国赢得了全世界的尊重。

让王自发这个实验室主任深感自豪的是,对于这套模式系统,实验室是从建模、基础研究、野外实验,到业务化、产业化全部打通的。正是这种“一个都不能少”的策略,让实验室在面对国家需求的时候,能够以最快的速度做出响应,在应对急难险重任务时,能够更加从容不迫。

经过多年的业务化实践,这套系统逐步推广开来,被广泛采用,成为国家环境质量预报预警中心、七大区域中心、20多个省级中心和50多个市中心的核心预报工具,支撑建立了国家、区域、省、城市空气质量预报预警业务化体系,为上海世博会、广州亚运会、南京青奥会、APEC会议、9·3大阅兵、G20杭州峰会等国家重大活动的空气质量保障及打赢蓝天保卫战提供了核心支撑。

“人人都能当家做主”的实验室

2020年席卷全球的新冠病毒将很多人留在了家里,但大气边界层物理和大气化学国家重点实验室副主任、大气所研究员孙业乐却一直没闲着。

他注意到了一件不同寻常的事:“新冠病毒的传播极大减少了人们的户外活动,进而导致世界范围内人为排放大气污染物显著减少。然而,一些特大城市的空气质量并未因为人为排放的降低而得到预期改善,重污染事件仍有发生。”

为了探究疫情期间人为排放变化对大气污染的影响,孙业乐和他的学生对2020年1~3月份北京颗粒物化学组分和来源进行了深入分析。他们发现,在过去近10年间,大气污染前体物的变化导致了颗粒物化学组分的变化,而气态前体物浓度的降低和大气氧化性的增强反而促进了二次气溶胶组分的形成和转化,这意味着我国未来大气二次污染的治理仍面临着较大挑战。

对于雾霾的深刻理解,孙业乐认为要归功于实验室良好的学术氛围。“当时雾霾刚成为热点,大家都只是关注热点,但王自发老师高瞻远瞩,把实验室不同领域的年轻人组合起来,让我们搞交叉研究,结果确实取得了很多重要的科学发现。这种学术自由、重视交流的氛围,对我们年轻人的帮助很大。”

实际上,打破科学研究里的“山头”现象,一直是王自发力图解决的问题。他一直感觉传统的课题组模式就像“小农经济”,科研人员各自为政,各个“山头”之间没什么来往,不利于科研工作的开展,还容易产生隔阂和矛盾。“我们实验室的学科方向很多,就更需要设计一种新的机制,来更好地凝练学科方向,让大家集中目标,合力解决一些大的科学问题。”

为此,从2011年起,大气边界层物理和大气化学国家重点实验室采用了“研究员大会”制度进行决策——实验室所有的重大战略决策都通过研究员大会来确定,针对制度的事项,进行实名投票;针对个人的事项,则实行匿名投票。

此外,每个研究员都有机会当选大会的轮值主席,每人为期三个月。这样,人人都能够站在实验室的高度、站在他人的角度去思考问题,从而能够始终保持队伍的团结,并且始终围绕国家需求,开展科研攻关。

“矛盾少了,人心齐了,每个人都能在实验室里做自己想做的事、国家需要的事。”王自发笑称,实验室运行机制理顺了,“我这个实验室主任都能当得更加轻松了”。

培养杰出人才,建设优秀团队,在大气边界层基础理论、大气污染成因与模拟预测、地球生物化学循环关键过程、大气化学过程与气候变化相互影响等关键研究领域,开展关键性、前瞻性的基础和应用基础研究,这个铁塔下的国家重点实验室,将始终用科学的眼光仰望天空,作出自己独特的贡献。

实验室小故事

“高攀”不起的“网红”打卡地

“北京健翔桥西边有个很高的铁塔是干什么用的?”

“城建大厦北侧有一根很高很高的铁柱子,谁知道那是什么?”

中国科学院大气物理研究所铁塔分部院里那座高达325米的铁塔,总时不时地引起网友的好奇,甚至还有人怀疑它是不是一栋“烂尾楼”。

实际上,大气所325米气象观测塔不但是附近的“网红”地标、中科院标志性的大型科学设备,更是大气边界层物理和大气化学国家重点实验室全体科研人员引以为傲的一座科学之塔。

气象塔于1976年开始建设,1979年8月建成,是一座全天候运行的气象高塔。该塔垂直方向有15层观测平台,可实现气象、湍流、空气质量要素全天候梯度观测,并实现自动观测数据的同步传输。

气象塔主要服务于北京的空气污染研究和大气边界层、大气湍流扩散等研究。在世界众多气象塔中,大气所气象塔具有独特的优势,其高度位居世界第三。在气象塔280米高度南北两个方向设置的两部高清相机可24小时运行,每半小时就会自动拍照,实时监测周边天气、污染和地表状况。气象塔上还有两套观测系统——15层气象梯度观测系统和7层湍流通量观测系统,也同样在24小时不间断运行着。

40多年来,该气象塔连续不间断地对北京市边界层风、温、湿平均场结构进行观测,取得了大量宝贵资料。这些积累多年的观测数据在大气科学研究领域得到了广泛应用,发挥了不可替代的巨大作用。

“在超大城市里建这么一座气象塔,在全世界也是十分罕见的。这座铁塔这么多年来始终屹立在这里,可以说见证了北京城市发展的历程,也支撑了国家大气环境的研究。”大气所研究员胡非说。

例如,2009年,北京市气象局承担了国际清洁气象保障任务,该局向大气所提出,想要使用325米气象塔的数据。大气边界层物理和大气化学国家重点实验室随即组织科研力量进行了采样程序的修改,进行网络连接和网上数据传送程序的安装调试,并在当年9月24日下午成功实现了数据的实时传送,同时在国庆期间安排专人值班,圆满完成了此次任务。北京市气象局为此专门发来了感谢信。

目前,在大气所和北京市气象局战略合作协议框架下,气象塔的观测已纳入北京市气象局的日常观测站网。此外,气象塔数据应用于APEC会议的气象保障,取得良好成效。

这座“40多岁”的高塔也为科学研究立下了汗马功劳。据不完全统计,观测塔数据为“973”项目、“863”项目、中科院战略性先导科技专项、自然科学基金等项目提供实验平台,进行全年不间断实时连续观测,近5年用铁塔资料发表的论文就有近百篇。

“从1979年建成以来,这座气象塔一天都没有停止过工作,取得了很多不可替代的宝贵资料,为中国在国际大气科学界赢得了重要的话语权。”正如胡非说的那样,这座“兢兢业业”的高塔,铸成了大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的“魂”。(丁佳)
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【为什么5G的到来,物联网和工业物联网才会真正发展起来】

自2019年来,5G的概念逐渐深入人心,5G技术已经成为全球通讯行业最为热点的话题,三大运营商最新的数据显示,截至2月底,全国建设开通5G基站达16.4万个,预计年底超过55万个,实现地级市室外连续覆盖、县城及乡镇有重点覆盖、重点场景室内覆盖。5G新型基础设施建设不仅将从根本上改变移动网络的现状,促进数据要素的生产、流动和利用,还将让各行各业能够更便于联通协同、提供服务,带动形成万亿级5G相关产品和服务市场。

5G到底是何方神圣?简单来说5G是比4G更快的网速,更方便的使用体验,市场上除了5G手机,5G目前已经用在医院、工业、远程驾驶,无人机,等数字化应用上,未来5G技术对未来生活产生多大的变化,是完全能够突破人的想象力的。
然而,为什么说5G时代的到来,获益最大的是物联网和工业物联网呢?

物联网:物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术,广泛应用于网络的融合中,也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展,与其说物联网是网络,不如说物联网是业务和应用。
工业物联网:传感器,控制器和专用设备现在存在于网络的边缘,分配唯一的IP或网络地址,收集数据和执行大量通知和扩展企业能力的任务。这就是工业物联网(IIoT),它将改变制造业、运输业、建筑业、采矿和能源行业。

工业物联网主要强调在生产和和服务方面的应用,工业物联网往往涉及更高价值的设备和资产,如能源、运输、工业控制,同时对运行安全有更高的要求;而普通物联网更多关注消费领域,如家居方面。

如果说物联网更强调物与物的“连接”,而工业物联网则要实现人、机、物全面互联。工业物联网平台是在传统云平台的基础上叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术。工业物联网与物联网之间既有交集也有差异,但两者都是潜力巨大的发展机遇。
工业物联网联网在2012年由GE(通用电气)首次提出,被普遍看作是“第四次工业革命”。德国工业4.0和中国制造2025都指出:未来工业发展的趋势是智能制造,而工业物联网是实现智能制造的基础。

尽管目前工业物联网联网平台取得了这样的成绩,但客观地说,目前中国工业物联网云平台产业的发展仍处于初级阶段,而物联网当前也亟需突破。
星星之火如何变成燎原之势?5G或许就是最好的助推力。

1G实现了移动通话,2G实现了短信、数字语音和手机上网,3G带来了基于图片的移动互联网,而4G则推动了移动视频的发展。5G网络则视为未来物联网、车联网等万物互联的基础。同时,5G普及将使得包括虚拟现实和增强现实这些技术成为主流。4G网络是专为手机打造的,没有为物联网进行优化。5G技术为物联网提供了超大带宽。与4G相比,5G网络可以支持10倍以上的设备。可以应用于自动驾驶、超高清视频、虚拟现实、万物互联的智能传感器。

5G网络主要有三大特点,极高的速率,极大的容量,极低的时延。相对4G网络,传输速率提升10~100倍,峰值传输速率达到10Gbit/s,端到端时延达到ms级,连接设备密度增加10~100倍,流量密度提升1000倍,频谱效率提升5~10倍,能够在500km/h的速度下保证用户体验。

与2G、3G、4G仅面向人与人通信不同,5G在设计之时,就考虑了人与物、物与物的互连,全球电信联盟接纳的5G指标中,除了对原有基站峰值速率的要求,对5G提出了8大指标:基站峰值速率、用户体验速率、频谱效率、流量空间容量、移动性能、网络能效、连接密度和时延。

可以说,虽然5G并不是物联网必需的,但却是把物联网推向爆发式增长的必不可少的“大功臣”,没有5G技术就没有物联网现在的火爆。5G将为物联网交通领域、医疗领域、工业领域等赋能,让整个物联网行业都会迎着风口扶摇直上,成为5G商用的主战场。
通俗理解就是说:5G最大的不同,是将真正帮助整个社会构建“万物互联”。比如无人驾驶、云计算、可穿戴设备、智能家居、远程医疗等海量物联网,在等到5G发展到足够成熟的阶段,能够实现真正意义上的物/物互联、人/物互联。新的技术革命人工智能、新的智能硬件平台VR、新的出行技术无人驾驶、新的场景万物互联等颠覆性应用,在5G的助力下,才可喷薄展开。

当前,发达国家纷纷实施“再工业化”战略,美国先进制造业战略、德国工业4.0计划、日本“互联工业”计划、法国的“新工业法国”和“未来工业”等都将互联网与工业的融合发展作为关键内容。在5G、、全光纤网络、软件定义网络等新型网络技术下,我国工业物联网创新发展将会进入快车道,前景广阔。

5G是一次技术革命,随着全球5G部署的进一步加速,5G的高速率、低延时以及能够实现信道隔离等特征将随着进一步的渗透为行业带来显著变革。希望我国物联网和工业物联网能够牢牢抓住这次机遇,真正实现爆发式增长!

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