国家自然科学奖推荐书-中国气象局

12013版国家科学技术进步奖推荐书(2013年度一、项目基本情况专业评审组：气候变化与环境监测专业组序号：奖励类别：社会公益编号：项目名称项目名称珠江三角洲灰霾天气监测预报预警业务系统公布名珠江三角洲灰霾天气监测预报预警业务系统主要完成人吴兑、邓雪娇、毕雪岩、谭浩波、李菲、邓涛、毛伟康、黄健、万齐林、游积平主要完成单位中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东省气象台,北京大学,华南理工大学,香港科技大学,国家卫星中心,广州市番禺区气象局推荐单位(盖章)或推荐专家中国气象局项目密级非密定密日期保密期限(年)定密机构(盖章)学科分类名称1环境气象代码61540352交通气象代码61540403城市气象代码6154055所属国民经济行业科学研究、技术服务和地质勘查业所属国家重点发展领域大气物理学与大气环境任务来源B-部委计划;C-省、市、自治区计划;D1-国家自然科学基金;E-企业;I-其它;具体计划、基金的名称和编号：(1)国家自然科学基金(U0733004,40775011，40375002,40418008，49975001);(2)广东省科技厅计划项目（2004A30401002,2005B32601011);(3)广东省基金(033029,04003920)；(4)国家气象局气象科学基金（热带海洋大气中巨盐核等的观测研究1987，热带低纬大气近地层内吸湿性凝结核的研究1990，我国热带地区雨水和大气气溶胶物理化学性质的研究1993）；(5)中国气象局华南边界层观测系统建设，2001；(6)中央级公益性科研院所基本业务费专项华南大气成分科学实验及应用平台,2007；(7)广州市科技计划项目（2004J1-C0021）广州区域城市群大气灰霾的预测预报方法研究,2004；热带海洋气象基金重点项目热带季风区陆－气相互作用野外观测实验研究”2004。授权发明专利（项）1授权的其他知识产权（项）10项目起止时间起始：1987年1月1日完成：2009年12月31日国家科学技术奖励工作办公室制2二、项目简介（限1200字）我国改革开放以来，经济规模迅速扩大和城市化进程加快，由人类活动造成的灰霾天气、PM2.5细粒子污染对大气环境、群众健康、交通安全带来严重影响，城市和区域的大气复合污染已成为制约我国社会经济发展的瓶颈，研究大气复合污染（灰霾、光化学烟雾）的成因和控制是当前重大的国家需求。本项目针对珠三角城市群亟待解决的大气环境问题暨高浓度细粒子气溶胶污染问题，系统研究了气溶胶物理化学特征和灰霾天气的细粒子污染本质、城市群复合空气污染形成机制及对人体健康的影响，建立灰霾天气的预测预报预警系统。主要成果如下：（1）1986年开始在全国最早开展大气成分观测研究，建设全国第一个区域大气成分观测站网。观测项目涵盖WMO大气成分观测体系大部分要素，实现对数据的实时质量控制，建立了资料库与数据共享平台。首次在我国南海腹地观测巨盐核，提出台风活动造成的盐核暴是海盐凝结核向大陆输送的有效机制。（2）研究发现珠三角灰霾天气的细粒子污染本质。超细粒子PM1的污染特征十分明显,二次气溶胶富集明显,二次有机碳气溶胶问题突出；PM1浓度的高（低）决定能见度的低（高）,超细粒子PM1的散射与吸收作用对能见度的消光份额占80-90％；超细粒子PM1与二次气溶胶形成机理与来源分析是目前珠三角控制能见度恶化的关键。（3）通过珠三角及周边欠发达地区灰霾（低能见度）过去50年的长期变化趋势的对比分析,发现珠三角灰霾(低能见度)天气出现天数与经济发展及环保措施密切相关的波动特征。80年代中后期、90年代中期、2002年后能见度恶化分别对应首次经济发展、经济规模扩大导致二氧化硫污染日趋严重、运输业高度发展导致复合大气污染三个阶段。(4)自主研发多功能气溶胶吸湿增长测量仪器（H-TDMA）。相比国外同类仪器，具有同时获取气溶胶干、湿粒径谱、分粒径吸湿增长因子(Gf)、混合状态的功能，自动化程度高、温湿控制稳定的特点。（5）提出灰霾科学判别标准，制定观测和预报业务标准，已批准实施。揭示纬向环流、近地层持续小风和低空下沉轨迹有利灰霾的形成，提出地面风矢量和比平均流场与严重灰霾有更好相关性。研建“珠三角灰霾预测预报预警系统”，实现业务运行,为国内首次发布灰霾预警信号提供技术支撑。（6）研发区域空气质量（灰霾天气）数值预报系统（包括中尺度气象模式MM5/WRF/GRAPES-CHAF、大气化学模式CMAQ、源排放处理模式SMKOE），系统提供精细化的场馆预报与区域面预报产品，成为亚运和大运空气质量（灰霾天气）预报的主要工具并发挥重要作用。获得国家行业标准1项，软件著作权6项，国家实用新型专利1项，发表论文119（SCI22）篇，著作3部，被引2827（SCI219）次。灰霾预报系统已在广东、江苏、浙江等省推广应用；高速公路雾预报系统投入业务应用，避免了恶性交通事故的发生；有关气溶胶的研究成果为环保部门控制新型大气复合污染提供了对策依据，社会和环境效益显著。3三、主要科技创新（限5页）1综述在我国快速城市化和经济规模迅速扩大的背景下，大范围雾、灰霾天气对大气环境、群众健康、交通安全带来严重影响，引起各级政府、社会公众和媒体的极大关注。随着快速空前的工业化和城镇化进程，中国很多大城市面临着严重的区域大气污染引起的能见度下降问题。珠三角在其中较有代表性，是国内气溶胶污染相当严重的区域。我们自1986年开始组织、实施与研发珠三角地区的城市环境气象相关技术系统，重点设计，并建设了珠三角大气成分观测站网与灰霾天气预测预报预警、南岭山地高速公路雾区能见度预测预报与环境气象特种预报三项城市环境重大技术系统。本项目针对珠三角城市群亟待解决的大气环境问题暨高浓度细粒子气溶胶污染问题，系统研究了气溶胶物理化学特征和灰霾天气的细粒子污染本质、城市群新型复合空气污染形成机制及对人体健康的影响，为区域社会经济可持续发展和治理、改善环境提供决策依据。在国家基金委、科技部、广东省科技厅、中国气象局、广东省气象局、广州市科技局多个项目（课题）的联合资助下，该项研究取得大量重要科技成果。2主要科技创新成果2.1制定灰霾与雾识别的观测、预报预警标准、典型灰霾与清洁过程判据由于目前人们对灰霾现象缺乏统一的认识,在台站的观测记录中也缺乏统一的记录标准,从大气物理学的基本理论以及实际观测资料的统计入手,重新定义了大气灰霾的基本概念,制定了大气灰霾业务预报标准,并由广东省人大立法通过了灰霾预警信号的发布规定,这些业务工作的初步开展与相应的科研工作有机结合,取得了良好的开端。2.2全国最早开展大气成分观测研究，建设全国第一个区域大气成分观测站网从1988年开始华南大陆与南海北部气溶胶谱的研究,历时20余年,行程36000余公里,在粤、桂、琼华南广大地区和南海北部采集的大气气溶胶分级样品,获取目前国内地域最广、数量最多的一批大气气溶胶质量谱和水溶性成分谱、EC/OC谱资料,分析了华南典型地区（重工业城市、中心城市、乡村、海岸、海岛）气溶胶质量谱和水溶性成分谱、EC/OC谱的分布特征,是国内最早开展的同类研究。6次赴西沙群岛,首次在我国南海腹地观测巨盐核的浓度和含盐量,提出台风活动造成的盐核暴是海盐凝结核向大陆输送的有效机制。于2003年开始建立珠三角城市群大气成分观测站网,2005年建成国内第一个区域大气成分站网，目前包括一个主站（珠三角大气成分站,区域中心站）和十四个子站,目前的观测重点主要针对大气气溶胶的辐射特征。整个站网观测项目包括大气气溶胶、温室气体、反应性痕量气体、常规气象要素、大气辐射和干湿沉降六大类三十多种要素，建立了珠三角（华南）大气成分观测站网的监控平台,在国内率先实现了对观测站网的实时质量监控；编制了规范的资料处理程序,并形成资料库。建设了观测基础数据以及科研成果的展示平台.此平台已作为华南大气成分监测预报预警一体化业务平台的核心组成部分（Ver1.0）,并耦合了能见度站网数据共享平台、卫4星数据反演气溶胶光学厚度系统和大气灰霾与能见度预测预报预警系统,将在日后的业务与科研工作中不断完善升级。（）为建立珠三角大气灰霾的预报业务系统提供输入初值和验证资料。2.3研究发现珠江三角洲灰霾（低能见度）天气与经济发展及环保措施密切相关的波动特征通过珠三角及周边欠发达地区灰霾（低能见度）过去50年的长期变化趋势的对比分析,发现珠三角灰霾(低能见度)天气出现天数与经济发展及环保措施密切相关的波动特征。80年代初至中后期能见度恶化对应第一次经济发展，消烟除尘措施有效改善了80年代末的能见度；1990-1997年经济规模扩大，二氧化硫污染日趋严重，硫酸盐粒子与直接排放的气溶胶粒子叠加形成了第二次能见度恶化，1998-2000年珠三角开展了以酸雨和二氧化硫双控制的大气污染治理，能见度又出现明显好转；2002年之后第三次能见度恶化与运输业高度发展有关，机动车尾气污染引发的光化学污染，珠三角进入直接排放的气溶胶、硫酸盐粒子和光化学污染等复合大气污染的时代。作为对照，分析全年大多数情况下处于珠三角地区上风方(受珠三角影响较小)经济欠发达的惠州灰霾天气年际变化特征，没有出现经济发展带来的明显趋势性变化，说明灰霾天数的年际变化主要受经济发展和环保措施制约。2.4研究珠江三角洲大气气溶胶辐射特性，发现珠江三角洲灰霾天气的细粒子污染本质研究灰霾天气实质上是研究气溶胶辐射特征、主控因子及其导致的能见度恶化机理。2004年以来,在珠三角的腹地广州、番禺、南海、东莞进行了气溶胶光学厚度（AOD,AerosolOpticalDepth）的观测,旨在获得区域性的气溶胶光学厚度的分布特征.同时还进行了气溶胶散射系数、黑碳气溶胶与吸收系数的观测,由散射系数与吸收系数可计算得到单次散射反照率（SSA,singlescatteringalbedo）。SSA是散射系数与总消光的比值,反映了气溶胶粒子散射与吸收的相对大小。SSA是计算气溶胶辐射强迫最重要的参数之一。由多通道气溶胶光学厚度观测资料拟合得到了Ångström函数关系式,并得到波长指数与浑浊度系数参数。应用辐射传输模式计算气溶胶的辐射效应最重要的参数就是气溶胶光学厚度、单次散射反照率、不对称因子、波长指数。目前本团队已从观测手段获得了珠三角快速城市化进程中长达八年的大气气溶胶辐射特性的季节、日变化特征参数与资料库。大气气溶胶对人类环境影响最直观感觉的就是对能见度的影响,其实质是大气气溶胶的光学特性对人眼可感知的可见光（390－750nm）的影响。大气中的气溶胶包含灰尘、硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐、有机碳氢化合物等粒子,当这些气溶胶粒子导致水平能见度小于10000米时的视程障碍现象称为霾(Haze)或灰霾天气（HazyWeather）,研究灰霾天气实质上是研究气溶胶辐射特征、主控因子及其导致的能见度恶化机理。基于观测资料与辐射理论,深入分析了珠三角大气气溶胶质量谱中细粒子的比例、珠三角大气气溶胶的粒子谱特征、珠三角能见度与PM1、黑碳浓度之间的关系与珠三角大气气溶胶的成分谱特征；重点深入分析了不同粒径谱气溶胶、不同成分谱与二次气溶胶的消光贡献。通过以上分析研究，提出了灰霾天气预报业务系统产品释用的关键技术指标。52.5自主研发气溶胶吸湿增长特性测量仪器自主研发气溶胶吸湿增长测量仪（H-TDMA），相比于国外同类仪器，具有同时获取气溶胶干、湿粒径谱、分粒径吸湿增长因子(Gf)、混合状态的功能，具有自动化程度高、温湿控制稳定的特点，可满足无人值守、长期稳定测量的需要。此仪器已获得国家实用新型专利1项。观测分析了真实环境中珠三角气溶胶吸湿增长特征；结果表明：二次有机气溶胶对埃根模态粒子的弱吸湿性贡献较大；硫酸铵、硝酸铵等强吸湿性的无机盐对埃根模态粒子具有凝结增长作用；强吸湿模态粒子化学异质性更为明显；清洁期，主要来自北方的气团粒子趋向于准内部混合状态，粒子间的化学组成较一致；在污染期或污染积累期，局地排放和生成的气溶胶粒子