【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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【牢记嘱托 走在前列 全面开创|能源结构“降压减负” 绿色能源澎湃“给力”】

泗水素以泉林闻名,如今又因新能源声誉鹊起。
7月18日,细雨霏霏,泗水县星村镇后六安庄村村头一排排深蓝色光伏板格外亮眼。这里是泗水新晖20兆瓦农光互补光伏电站。发电场分为14个光伏发电单元,由66120块多晶硅光伏组件组成。光伏板经阳光照射转化成电流,通过一回35KV新晖线送至南顶变电站,接入山东电网。2016年9月投产至今年6月30日,已累计发电10268万千瓦时。
在蓝色光伏单元的间隔中,绿油油的花生苗生机盎然。这一农光互补光伏电站占地800亩,其中农业种植占地200亩左右。“农业生产与光伏发电有机结合,促进了土地集约化利用。”新晖电站站长李春辉介绍,“农作物由当地村民承包种植,组件清洗、除草等电站日常运维工作也外包给了周边村民,农民收入大大增加。”
说起光伏电站带给百姓的收益,后六安庄村61岁的周庆民最有发言权。两年前,他承包了项目区内20亩地种植花生,今年花生长势喜人,按每亩出花生米210斤、每斤4元算,亩收入在800元以上。“这还不算,去年,我家的花生壳以每斤2角的价格,被生物质碳加工厂收购,也挣了不少钱呢。”
离星村镇不远的苗馆镇,华能山东泗水30兆瓦生物质热电联产项目正在进行锅炉钢架的吊装施工,年底投产后,预计年发电量2.1亿千瓦时,每年可消耗秸秆约25万吨,替代标煤7.43万吨。周庆民的花生壳和玉米秸秆及林木废弃物,以后不仅可以卖给生物质碳加工厂,还可以直接卖给生物质发电厂。而且,这个生物质热电联产项目,冬季采用低真空循环水对泗水县东部区域集中供热,全年向周边企业提供工业蒸汽,将成为泗水当地农林废弃物清洁高效利用的分布式能源中心,并可辐射周边50公里区域。
泗水县所在的济宁市是煤炭资源富集区,济宁也曾靠煤炭撑起了财政半边天。近年来,济宁壮士断腕,压减煤炭开采和消费,大力发展新能源,截至今年上半年,济宁市可再生能源发电总装机容量192.80万千瓦,占全市发电总装机容量的15.85%,比2015年提高11.35个百分点。
济宁的变化,是山东调整能源结构、助力新旧动能转换的生动诠释。“受能源资源禀赋和偏重产业结构影响,我省煤炭消费占比高、煤电装机占比高的‘两高’问题突出。”省能源局局长栾健对记者说,“近两年,我们按照省委、省政府决策部署,把‘发展绿色能源,助力动能转换’作为核心任务,聚焦可再生能源、核电、外电入鲁、天然气四大板块做加法,突出煤电、煤炭两大行业做减法,为能源结构‘降压减负’。”
聚焦可再生能源发展,我省坚持集中式与分布式、陆上与海上并举,因地制宜推进光伏、生物质发电等可再生能源发展。随着济宁、新泰采煤塌陷地光伏基地首期全部并网发电,截至今年上半年,我省光伏发电装机达1800.9万千瓦,牢牢占据全国第一;生物质发电装机达308.3万千瓦,也居全国首位。
同时,风电、核电发展也为山东能源结构调整优化积蓄后发动能。目前,我省一批海上风电与海洋牧场融合发展试点已启动前期工作,风电装机达1404.1万千瓦,居全国第四。
内部挖潜成效明显,借助外援更为山东能源结构调整赢得了腾挪空间。继锡盟至济南、榆横至潍坊、扎鲁特至青州特高压通道并网送电后,上海庙至临沂、山东至河北特高压通道建成投运,我省初步形成了“三交两直”特高压输电通道格局,接纳外电能力突破3500万千瓦。2019年,全省接纳省外电量934亿千瓦时,同比增长33.4%,占全社会用电量的15%;2020年,省外来电预计将突破1000亿千瓦时。
新能源和可再生能源持续增加,而煤炭生产和消费在持续减少。今年全省计划关闭煤矿7处,化解煤炭产能761万吨,目前已关闭矿井4处,退出产能231万吨。“十三五”以来,全省已累计关退矿井89处,化解煤炭产能4079万吨。同时,精心组织30万千瓦以下所在地区非唯一、不可替代民生热源燃煤机组关停工作。“‘十三五’以来,我省累计淘汰落后燃煤机组501万千瓦,完成国家下达任务的3.5倍。”栾健向记者介绍说。
一系列积极有效的政策措施,使山东能源结构得以“降压减负”——据最新统计显示,今年1-6月份,全省新能源和可再生能源发电量409.7亿千瓦时,同比增长8%;占全社会用电量的13.9%,提高了1.3个百分点;煤电发电量1919.8亿千瓦时,同比下降10.9%;占全社会用电量的65.2%,下降了6.4个百分点。
(大众日报客户端记者 陈巨慧 张思凯 通讯员 缪久田 车路 包庆淼 报道)


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