联合培养学生：刘强
联合培养导师： 丁爱军（南京大学）
薛利坤（山东大学）
所属平台： 人类活动对气候变化的影响
科学问题： 中国东部沿海污染物传输立体监测
一、 研究现状
国际上多平台监测技术的发展和集成应用基本上是在重大环境问题驱动的基础科学试验支撑下发展起来的以短期科学试验为主体的科学计划推动了不同平台监测技术的发展和相关平台的集成应用，但多平台集成通常会因目标科学问题和时空尺度不同而导致其侧重点有所不同。例如，有些集成观测以特定地区的地基超级站为主体，结合高塔、垂直遥感、车载/机载探测，实现了长时间尺度的业务化集成观测；也有些以飞机航测为主体，其覆盖区域空间尺度大，针对特定季节、特定的科学问题，需要在具有较强气象预测能力的基础上，精心设计观测方案才能真正实现试验的成功组织。因此，不同研究所依托和发展的集成平台也会有所差别。
多平台大气污染一体化监测平台是未来开展大气污染控制相关基础研究和业务监测的趋势；但也告诉我们，多平台监测技术的“集成”并不是简单的不同类型仪器的“拼凑”和“整合”，必须以重大科学问题为驱动，从总体框架设计上实现技术方法的优化集成，同时在具体技术上做好不同平台实施上的“协同”和观测数据上的“同化”，从而才能最大限度地发挥集成平台的作用，真正支撑对于科学问题的认识和满足业务应用的需求。
国内在大气污染多平台一体化监测方面虽然起步比发达国家晚一些，但也已经有了较好的基础，并取得了一些重要的进展。尽管如此，与国外相比以及与满足当前所面临的复合大气污染的实际需求相比，我国在大气污染多平台一体化监测技术的研发和应用方面仍然存在较大差距，主要表现在如下几个方面：
1）多平台的集成程度不足，特别垂直方向探测平台及其应用不够：国外（如欧美国家）所开展的大型观测试验计划，通常是真正意义集成了地基、车（船）和机载等移动平台开展一体化监测，其中飞机或气艇垂直航测部分因受地表污染直接排放影响小、更容易给出三维立体结构并验证卫星遥感探测，通常被用来作为整个立体观测的核心平台。相比而言，国内的立体观测试验往往相对局限在某几种技术平台，立体监测程度相对不足，也尚未形成多种监测平台的有机融合。
2）已有立体集成监测试验中环境和气象学科的交叉程度相对不足：立体集成观测试验所涉及内容不仅仅是特定的测量技术而更多地需要体现试验方案的总体设计，特别是针对重气艇污染天气过程的立体监测，需要基于高度的环境与气象学科的交叉：首先需要依托于对于天气过程的认识以及天气预报和空气质量预报来设计试验（包括车、船、飞机等移动平台的运行路线），以实现试验中对于污染带的追踪；同时又需要在数据分析过程中充分利用学科交叉的方法对数据进行解析，充分认识污染发生、发展、演变和传输的基本规律。
3）现有测量技术尚不能满足我国东部沿海独特环境下的监测需要：虽然目前很多污染物探测技术国外起步更早，但对我国东部这样一种独特的大气环境条件而言，很多现有仪器设备（包括国外先进的仪器）并不能很好地工作。该地区颗粒物浓度高、湿度大（特别是高空）、盐分高，对仪器采样和分析精度甚至是仪器寿命均提出了很大的挑战。因此，从采样到数据质控上都有许多关键技术需要突破，只有这样才能真正发挥这些仪器的作用，准确测量出相关污染物的浓度。
4）已有观测试验通常局限在较小区域，不能满足认识当前我国东部大范围污染形成机制及跨区域相互影响的需要: 因诸多原因，已有大气污染相关的国家重大科技项目的规划设计主要是以区域划分的（例如京津冀、长三角、珠三角等典型城市地区），对于中国东部地区而言，从胶东半岛至长三角南部这样一个沿海地区，既是东部大陆与海洋的交汇地带和污染输出通道，也是连接京津冀和长三角这样两个重点污染区的关键地带，目前所开展的立体集成观测尚比较缺乏。
立足于上述背景，有必要充分发挥东部沿海主要科研和业务单位（包括高校、科研院所、地方环保、气象部门）的软硬件优势和研究专长，发展近海大气污染多参数在线和垂直遥感的地基集成测量技术、发展基于飞机、无人机、气艇和高山站的跨区域协同立体观测技术，测量所在地区的自由对流层/边界层物质能量交换，优化卫星遥测技术，进一步结合空气质量数值预报和溯源模式，建成东部沿海地区大气污染天空地一体化实时监测和分析的示范平台，并建立多平台融合的技术系统和技术规范，从而支撑我国东部地区乃至更大范围的大气污染防治以及国家的生态环境监测网络建设。
二、 研究目标
发展适用于我国东部沿海地区的大气污染多参数地基高分辨在线集成测量技术、车载、船载和机载走航观测技术、自由对流层与边界层物质能量交换的探测技术以及卫星遥测技术；建成大气污染立体监测多平台融合的技术系统与技术规范，形成相关的质量控制和数据集成的关键技术体系，建成东部沿海地区多尺度大气污染过程天空地一体化实时监控的技术示范。由此支撑对我国东部沿海地区大气污染时空结构、重污染发生、发展、演变和传输规律的认识，支撑对于重污染事件的应急和预警，同时支撑国家生态环境监测网络建设。
三、研究内容
1） 研制出适合东部沿海高湿度、高盐分条件下的地基高分辨率在线测量技术、无人机搭载的小型化探测模块和数据质量控制技术、适合沿海地区车载和船载走航测量的模块化移动平台，以及可以开展大气成分和大气物理参数集成测量的飞机航测平台和优化的测量技术；
2） 建立基于飞机、气艇垂直测量的卫星反演算法和大气成分数据集，发展基于欧拉空气质量预报模型和拉格朗日溯源模型的走航试验方案设计方法和平台，以及立体测量数据的集成分析方法；
3） 建立我国东部沿海多平台融合的一体化实时监控的技术示范，建成大气污染立体监测多平台融合的技术系统与技术规范，并形成相关的质量控制和数据集成的关键技术体系。
四、研究路线
1、研发适用于我国东部沿海地区的地基高分辨率观测和车船载移动观测技术东部沿海地区大气污染问题复杂，作为海陆交汇地带及京津冀和长三角两大重污染区的污染传输通道，该地区对认识整个中国东部大范围区域污染的生消和跨界传输均非常重要。然而，东部沿海地区大气环境条件独特，颗粒物浓度高、湿度大、盐分高，对仪器采样和仪器分析精度甚至是仪器寿命均提出了很大挑战，要克服相关问题，相关测量技术从采样到数据质控都有许多关键技术亟待突破。
与此同时，由于近海地区气象条件独特，从大范围的海-陆交换到中小尺度的海陆风环流，对区域污染的生成和积累均有重要的影响，且因海温、辐射等条件差异表现出南北地区各自不同的特点。为此，本项目拟在我国东部近海地区基于已有/建设中的典型超级站，通过开展各类技术的对比验证，改进仪器关键部件（如进样、分析和数据处理系统），发展适合于沿海环境条件的地基高分辨率大气污染测量技术，建立质控/质保的技术体系；同时针对沿海独特气象和化学过程，
完善地基和立体观测站点的仪器选配和总体建设方案设计。与沿海地基观测相结合，发展车载、船载走航观测平台。通过高分辨率监测技术的高度集成和改进采样系统，弥补现有车/船载走航观测平台在沿海地区应用上的缺陷，提高移动大气成分观测和定点观测的可比性。建成地基、车载和船载多平台融合一体的区域同步观测平台，开展连续高分辨率的大气痕量气体、颗粒物理化特性、常规气象参数、地表辐射和通量等多参数示范性在线同步观测，开展观测数据质量控制技术的集成与数据同化融合方法研究。
2、发展基于飞机、无人机、系留气艇、高山站和地基/星基遥感等多平台融合的大气垂直探测技术、自由对流层-边界层交换的探测技术及方法体系大气污染的垂直结构及空气污染物在自由对流层-大气边界层内的交换是理解区域重污染发生、发展（包括化学-物理过程相互作用）及实现空气污染跨区域协同控制的关键。但在这方面，我国相关探测技术的基础相对薄弱，成为制约大气复合污染机理认识的瓶颈。为此，本项目将基于飞机、无人机、系留气艇、高山站和地基/星基遥感等发展多种平台融合的大气理化结构探测技术，通过实验室、外场实地测试对比，对各类观测平台和测量技术进行优化，提高其在垂直方向上物质和能量观测的准确性和稳定性；同时集成各类垂直观测平台的优势，建立不同手段测量数据随控制要素（如气象参数）之间的定量响应和补偿关系，发展观测数据标校和不同平台数据融合的技术和方法。利用不同观测平台，研发针对边界层顶挟卷过程、海陆风环流和大尺度天气过程所导致的自由对流层-大气边界层物质和能量交换的探测技术和定量计算方法。综合上述优化的大气垂直探测技术，发展多平台融合的大气立体探测体系，在我国东部沿海开展大气成分、辐射通量、物质和热量交换等参数垂直结构的示范性业务观测试验和数据集成。
3、建立多尺度、多平台融合的天地空一体化监测技术和试验组织方法示范、构建数据质量控制与数据融合技术体系与技术规范基于相关测量技术的发展、测量平台的构建和优化、数据融合技术的发展，选择在东部沿海地区的典型城市开展以地基超级站为核心、结合车载、机载走航、气艇垂直观测和卫星观测的多平台融合的立体监测和数据融合示范（为期两年），构建重污染成因揭示和实时应急预警的支撑平台；同时选择在典型空气污染季节（春夏之交的光化学污染和大范围秸秆燃烧季节以及秋冬季节大范围工业/城市污染），在整个东部沿海研究区内（自胶东半岛至浙江北部的东部沿海地区）开展所有地基站、高山站、飞机、无人机、系留气艇、车载和船载平台以及卫星遥感平台的多平台一体化立体监测，发展基于欧拉空气质量模型和拉格朗日溯源方法的走航观测路线设计和指挥决策平台，以及实时监测数据集成和综合分析的显示平台。
五、需解决的问题
1）已有的地基、车载、船载和机载高分辨率监测设备在东部沿海地区应用中有哪些关键技术需要发展和改进？如何改进？
虽然目前大气探测技术发展迅速，但很多仪器设备在我国特定环境条件下仍存在较大的局限。本项目实施过程中拟改进的关键测量技术及方法主要包括：通过研发分离进样装置以及通过多种测量方法同步对比测试，实现高湿度条件下的大气颗粒物和雾（云）滴分离的测量技术（分别准确测量大气中颗粒物浓度和雾滴中离子及其它颗粒浓度）；通过特殊镀膜材料的选择、加氮吹扫或其它不影响采样的过滤方法，实现进样系统和分析系统中对空气中腐蚀性海洋“盐分”的分离，延长探测仪器使用寿命；通过垂直扫描结合斜程扫描方法进而优化订正遥感反演算法，减小地基遥感仪器在近海地区复杂边界层条件下的盲区影响等。
2）如何基于不同监测平台搭载仪器的优势实现多平台测量技术的优化以及监测数据的“同化”与融合？
不同监测平台受条件限制，所搭载仪器精度和准确度存在较大差异，需要充2）如何基于不同监测平台搭载仪器的优势实现多平台测量技术的优化以及监测数据的“同化”与融合？不同监测平台受条件限制，所搭载仪器精度和准确度存在较大差异，需要充分发挥多平台优势进行监测技术的优化和最终数据的同化与融合。项目将通过实验室风洞测试、与大型系留气艇（载重200 公斤）搭载的大流量采样分析设备观测数据的对比，解决无人机载、小型系留气艇平台等易受风速（因流量较小）、湿度影响的便携仪器数据订正问题；通过泰山这一高海拔（1535 米，白天对流边界层顶和云底位置）的站点，研究云雾和大气颗粒物分离的集成探测技术和边界层-自由对流层交换的探测技术，帮助解决飞机航测技术中的瓶颈问题，等等，最终实现不同监测平台的集成优化和数据融合。
3）如何组织多平台一体化的集成观测试验，特别是如何通过数值预报模式帮助设计走航路线，充分发挥飞机、车船载等移动平台的优势？
飞机航测和车船载移动监测因运行成本昂贵目前尚不具备长期业务化运行的条件，在现阶段其主要作用还是参与重大科学试验，加深对于重污染过程三维结构的揭示和机理的认识，同时优化组织试验的方法为今后业务监测积累经验。要实现能以最低成本达到最佳成效，相关观测必须基于优化设计的走航路线和试验方案。项目拟发展基于欧拉空气质量模型（WRF-Chem）和拉格朗日溯源模型（WRF- FLEXPART）的走航路线设计和指挥决策平台，并基于相关模型发展数据集成和综合分析显示模块，综合提升相关移动平台的业务监控和解决大气污染相关的重要科学问题的能力。
