大气本底站描摹地球“呼吸之本”

编者按： 1994年9月，在位于海拔3816米的瓦里关山，我国建成了瓦里关中国全球大气本底基准观象台（以下简称“瓦里关本底台”），开始了为地球“测温”的历程，这也是世界气象组织唯一设立在欧亚大陆腹地的全球大气本底站。时光走过近三十年，在一代代气象工作者的努力下，我国形成了国家级大气本底观测核心网络。“十四五”期间，还将陆续新建9个国家大气本底站，实现16个气候系统关键观测区国家大气本底站全覆盖。

那么，什么是大气本底站？与常规气象观测站相比，大气本底站的观测要素、建站选址有何不同？我国大气本底站建设经历了怎样的发展历程？“瓦里关曲线”又讲述了一个怎样的故事？本期科普看台带您一探究竟。

专家顾问：中国气象局气象探测中心正高级工程师 张晓春

本版策划：李倩 赵晓妮 王亮

为“发烧”的地球“测体温”

说起气象观测站，最为大家熟知的便是可以同时观测温度、湿度、气压、风速、风向等气象要素的地面气象站。而大气本底站，除了上述基础气象要素观测外，主要观测与天气、气候、环境和健康密切相关的大气成分，是地球不可或缺的“体温计”。那么，大气本底站究竟具备何种“特异功能”，使其能够探秘出全球变暖的奥秘呢？

观测尺度更加广阔

揭开大气本底站的神秘面纱之前，先来看一看大气本底是“何方神圣”。

大气本底是指全球或区域尺度范围内大气成分及其相关特性的平均状态，这也意味着测量的大气成分既要相对稳定，又要混合均匀。因此，大气本底站的观测除了基础要素外，也基本围绕大气成分展开，其主要观测内容包括温室气体、气溶胶、反应性气体、大气臭氧柱总量、太阳辐射、大气沉降（酸雨和降水化学）等要素。

既然是为地球“测体温”，观测的气候尺度代表性自然也更加广阔，目前世界气象组织/全球大气观测（WMO/GAW）将大气本底站分为全球大气本底站和区域大气本底站两类。其中，全球大气本底站的代表空间尺度范围一般是数千公里，区域站的代表尺度范围则为数百公里。

站点选址“百里挑一”

那么，如何在数百数千公里的广阔尺度上，选取既体现区域气候代表性，又能反映观测资料准确性和可比性的合适点位呢？

人迹罕至、少有干扰。由于观测结果体现着较大尺度下大气成分不直接受人为活动影响且混合均匀之后的平均状况，并且所观测的大气成分在大气中的含量极少，属于微量或痕量成分，很容易受到干扰和污染。因此，要想获取高质量的观测数据，就必须避免人为活动的影响，选在远离人类活动的偏远地区，保证所观测的大气较为“清洁”，以捕捉到气候变化的微小信号。“也正因此，在瓦里关本底台不允许炒菜，否则会产生气体和颗粒等污染，有时过往的车辆也会显著影响观测结果。”中国气象局气象探测中心正高级工程师张晓春介绍道。

代表性强、反映真实。除了要远离干扰以外，选址时也要考虑具有典型气候代表性，正所谓“站得高看得远”，建站一般位于海拔较高的地点，例如瓦里关本底台位于海拔3816米的瓦里关山，能够真实反映北半球乃至全球尺度大气成分的平均混合状态。同时，在选址时，还要充分考虑下垫面的特征、周边污染源的分布与排放情况，以及土地利用规划；在确定为意向性站址后，还需要对站址的代表性进行为期至少一年的可行性科学论证试验，以确保其具有较好的区域代表性。

保障有力、综合考虑。除了考虑外部环境外，选址时也要充分考虑建成以后设备的运行和维护以及人、财、物后勤保障等因素，以保障观测站能够正常运转。

观测技术“非同寻常”

同其他观测站相比，大气本底站由于观测目标不同，采用的技术方法、对设备的要求也有所不同。“简而言之，对大气本底观测的要求更高、更严，观测也更难。举个例子，当前全球大气二氧化碳平均浓度为410ppm左右，但年增长率仅两个多ppm，要想准确地监测到其变化，我们所用的仪器设备精度就要达到0.1ppm，至少要比年增长率低一个数量级。”张晓春说道。

对于大气成分观测设备，早期主要依靠国外进口。近年来，国产仪器覆盖范围越来越广，技术水平不断提高，尤其是随着中国气象局观测自动化工作不断深入，国产仪器得到了快速发展。“目前，在通用的大气成分观测设备中，有近九成是国产设备，但是国产设备的检验和准入还任重道远。”除了要有高精度、高灵敏度的观测设备以外，统一的标准规范体系、计量溯源保障体系、质量管理体系，也需要进一步完善和建立，以确保观测的准确、可靠。当然，业务科研队伍也是保证大气本底观测永续发展的重要力量。

设备的不断发展，让观测也变得更智能，但数据的准确性却仍然不能忽视。世界气象组织每两年组织一次国际巡回标定和比对，用严格的标准衡量测出的数据是否符合要求。瓦里关本底台建立近30年，每一次巡回检查都达到了质量管理要求，支撑了数据的可靠性。

观测数据弥足珍贵

“大气本底观测数据，是我们重要的家底。”张晓春强调。

我国作为较早开展大气本底观测业务的国家之一，通过瓦里关本底台多年观测数据，绘制出建台以来近30年的二氧化碳浓度变化曲线——即“瓦里关曲线”，成为证明全球温室气体浓度持续上升的有力证据，填补了欧亚大陆腹地没有大气本底观象站的空白，推动了国际社会在气候变化问题上形成共识，对减少温室气体排放具有重要意义。

现如今，大气本底数据不仅帮助我们全面了解我国大气成分的变化情况，同时，这些数据资料也是研究气候变化和国家环境外交谈判的基础。中国的大气本底观测，是中国气象局代表中国政府履行国际义务的重要体现和具体行动。大气本底观测数据让我国在全球大气观测等领域有了自己的国际话语权，也在应对气候变化行动和生态文明建设中发挥着重要作用。（李倩 安涛）

图为瓦里关本底台温室气体观测设备 供图/张晓春

我国为什么增建大气本底站？

“十四五”期间，我国将在现有7个国家大气本底站和即将建成的广东新丰国家大气本底站的基础上，在胶东半岛、黄淮、四川盆地等区域选址新建9个国家大气本底站，实现16个气候系统关键观测区国家大气本底站的全覆盖。自2022年6月以来，中国气象局推进国家大气本底站建设工作，加快完善国家大气本底观测站网，提升关键大气成分长期观测能力，助力应对气候变化。

“我们为什么要在‘十四五’时期新建9个大气本底站？最为关键的就是应对气候变化和服务于国家生态文明建设。”中国气象局气象探测中心正高级工程师张晓春说。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告的综合报告指出，人类活动导致的气候变化毋庸置疑，要实现全球温升控制在阈值内，减排是最重要的方式，而大气成分观测则是评判减排效果、应对气候变化的关键和基础。

早在四十多年前，我国就已经开始了区域大气本底站相关建设工作。

20世纪80年代初，我国在北京上甸子、浙江临安和黑龙江龙凤山建设了3个区域大气本底站，对酸雨、飘尘（PM10）和大气混浊度等进行观测；20世纪90年代初，通过选址、科学试验论证等，着手建设瓦里关本底台；21世纪，随着大气监测自动化一期工程的实施，大气本底站观测能力不断提升……目前，我国已建成了1个全球大气本底站——青海瓦里关本底台，以及北京上甸子、浙江临安、黑龙江龙凤山、新疆阿克达拉、云南香格里拉、湖北金沙等6个区域大气本底站，广东新丰区域大气本底站也正在建设之中。

那么，这几十年来稳定运行的大气本底站，获得了哪些珍贵成果呢？

“1+3”的瓦里关和上甸子、龙凤山、临安四个大气本底站，在2005年加入科技部遴选的国家大气成分本底野外研究台站体系，也是目前中国唯一的4个国家级大气成分本底野外研究站。多年来，多名大气本底站的工作人员先后参加南极科学考察，也有多名工作人员先后获得了野外科技工作先进个人和厅局级、省部级的先进个人、先进工作者等荣誉称号，瓦里关本底台也被科技部授予了国家野外科技工作先进集体称号；更值得一提的是，瓦里关本底台因其高质量的大气本底观测数据，尤其是二氧化碳的连续变化曲线以及突出的科研成绩，于2015年被周光召基金会授予“气象科学奖”。

此外，大气本底站积累了大量的第一手大气本底观测数据，并应用于IPCC评估报告、全球温室气体公报、世界气象组织全球地面臭氧评估报告以及中国气候变化公报、中国温室气体公报等，服务国家生态文明建设。大气本底站积累的大气成分观测数据，除了揭示了人类活动对天气、气候的影响以外，也为一系列科研、业务成果等提供了有力的数据支撑。以气象部门为主编制的温室气体观测相关国家和气象行业标准而言，目前已发布7项国家标准和7项行业标准，在研3项行业标准，这些标准已为相关行业、企业开展温室气体观测、国产设备研制等发挥了重要的指导作用。

由此可看出，大气本底站对应对气候变化、推进国家生态文明建设具有重要意义。

2020年，习近平总书记提出“双碳”战略。中国气象局作为国内最早开展温室气体本底观测业务的单位，依托良好的观测和运行保障基础，率先成立温室气体与碳中和监测评估中心，在中国气象局的领导和中国工程院张小曳院士的带领下，20多个省份成立了碳中和监测评估分中心，先后建立了60个高精度温室气体观测站，深化监测评估工作，进一步提高了中国气象局温室气体监测能力，在国内外都有很高的影响力。

“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，结合气候系统关键观测区的观测要求，中国气象局将在尚未开展大气本底观测的气候系统关键观测区新增国家大气本底站，实现16个气候系统关键观测区国家大气本底站的全覆盖。

眼下，世界各国都针对气候变化提出自己的主张，在国际“谈判桌”上，我们必须摸清家底，了解我国真实、准确的大气本底情况，才能掌握主动权。如今的中国已经走向世界，在应对气候变化行动中，中国从参与者、贡献者，逐步成为引领者，向世界贡献了更多的中国智慧，展现大国担当。（ 李悦 安涛 ）

图为瓦里关本底台降水采样器 供图/张晓春

“画”给世界的这条曲线

1994年以来，作为世界气象组织全球大气观测网（WMO/GAW）32个全球大气本底站之一的瓦里关本底台，按照观测规范、质量标准和技术要求，持续观测二氧化碳、甲烷等温室气体，以及反应性气体、气溶胶、太阳辐射、降水化学/酸雨等要素，用了近30年时间和准确可靠、国际可比的数据绘制出了国际气象界赫赫有名的“瓦里关曲线”。

经过国内外专家的对比分析，瓦里关本底台观测到的二氧化碳浓度变化，与相距数千公里之遥的美国夏威夷冒纳罗亚全球大气本底站观测结果几乎一致，这揭示了大气二氧化碳变化与气候变化的深刻关系，是支撑联合国气候变化框架公约的重要数据。

看似简单的曲线，却是全年无休、一刻不停地观测获取具有全球代表性数据的缩影——其背后融入了无数气象工作者的智慧与心血，而缓慢上升的趋势也直观反映了全球温室气体变化的严峻态势。

绘制“瓦里关曲线”的关键取决于连续、高质量的观测数据，一旦出现数据不准确、不连续的情况，就会影响对气候变化形势的评估以及气候变化相关领域的研究，进而影响管理决策的研判与制定。为了获取欧亚大陆腹地没有人为因素干扰的全球大气中各种大气成分要素的浓度数据，瓦里关本底台利用高精度温室气体在线观测系统、温室气体气相色谱观测系统、臭氧光谱仪等等各类先进仪器，实现了对诸多大气成分要素的全天候、高密度观测，每天产生6万多个大气成分观测数据。

数据所反映的气候变化问题关系到国家的经济发展、能源消耗、环境保护等方方面面。“想要在国际上有话语权，我们的数据就必须准确、可靠，有说服力。”中国气象局气象探测中心正高级工程师张晓春介绍，“准确、连续的曲线代表了我国的气象观测能力和站网运行保障支撑能力，为我国在气候变化谈判中打足了底气。”这条曲线，不仅反映了气候变化的科学事实，也见证了中国在应对气候变化方面的决心和行动，是我国承担国际责任、履行国际义务的重要体现，也是我们积极参与全球气候适应与治理、作出中国贡献的具体行动。（史光浩）

每逢周三，瓦里关本底台观测人员要抽取空气运往中国气象局和世界气象组织进行监测分析。供图/金泉才

延伸阅读：全球大气本底观测站网发展历程

全球大气本底观测站的建立源于全世界对于大气环境问题的广泛关注。1972年，联合国组织召开人类环境有关重大国际问题的会议。至此，环境问题特别是快速工业化导致的大气变化相关问题进入了人们的视野。

在这样的背景下，20世纪60年代后期，世界气象组织建立了背景大气本底污染监测网（BAPMoN），开始对温室气体、反应性气体、气溶胶、降水化学等进行观测。1989年，世界气象组织将背景大气本底污染监测网与全球臭氧观测系统合并，实施了世界气象组织全球大气观测计划（WMO/GAW），在全球范围内开展大气本底观测。

20世纪90年代，全球二氧化碳浓度不断升高的趋势越来越不容忽视，政府间气候变化专门委员会（IPCC）第一次评估报告发布，世界气象组织在南北极等地，陆续开始建立大气本底观测站。1994年，我国在青海省瓦里关山建立了第一个全球大气本底观测站，填补了当时欧亚大陆腹地的观测空白。

如今，经过几十年发展，世界气象组织已建成全球最大、功能最全的国际性大气成分监测网络，共有32个全球大气本底观测站，以及400多个区域大气本底观测站，可以对具有重要天气、气候、环境、生态意义的大气成分进行长期、系统和精确的综合观测。为进一步提升天地一体化的大气温室气体监测能力，2009年前后，日本和美国先后发射了碳卫星，以进一步监测大气温室气体的排放；2016年，我国也开始开展卫星监测温室气体的科学实验，发射首颗二氧化碳观测科学实验卫星TanSat，成为全球第三个可提供碳卫星数据的国家；2023年，为了支持减少温室气体排放的紧急行动，进一步推进全球温室气体的监测评估，第19届世界气象大会通过了全球温室气体监测计划，旨在将天基和地基观测系统以及建模和数据同化能力集中在一起，提升对温室气体排放准确评估的能力。（穆俊宇）

瓦里关本底台全景 供图/金泉才

（责任编辑：闫泓）