捕捉大气“本色”——记中国气象局气象探测中心研究员方双喜

□ 汲晓奇

专家简介：

方双喜，中国气象局气象探测中心研究员。兼任世界气象组织全球温室气体综合信息计划成员、编写专家，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）国家温室气体清单编制方法学指南主要作者。他致力于温室气体及相关微量成分观测研究多年，在温室气体测量新技术、新方法和新系统研发等方面做出了重要贡献，承担国家自然科学基金项目、国家重点研发计划及中国气象局气候变化专项等研究任务，相关成果服务于包括生态环境部等多个机构，推动了领域内方法开发和标准制定，同时为国家决策提供了有效的科技支撑。

2019年伊始，在中国气象局专题新闻发布会现场，各大媒体持续发问，对《2018年中国气候公报》和《2017年中国温室气体公报》中的气候变化原因、温室气体减排效果等表现出十足的关心。

身为温室气体观测研究的主要发言人，中国气象局气象探测中心研究员方双喜针对全球二氧化碳浓度上升缘由、我国自主碳卫星观测价值等问题进行了答疑。当被问及“温室气体探测在节能减排中有什么作用”时，他的回答简短却不失力度：“中国气象局积极参加应对气候变化工作。我们的数据对全球公开，与大家共享。”

全球公开、数据共享，像这样的观测公报，中国气象局每年都会发布，实时跟进大气环境的状态，并将最新的数据及分析成果向公众分享。原因无他，因为这支科研队伍是中国气象研究的“国家队”，是世界气象组织在中国境内观测的唯一执行机构。以成果惠及社会，他们的研究为国家相关部门的决策提供了有效的科技支撑，指导了人类生产生活的有序发展。“我们的观测方法、标准和流程与国际接轨，我们的数据包括精度都是国际认可的。”在研究过程中，对于新方法和技术的创新，方双喜表现得格外自豪。

深耕大气观测研究多年，他和其他科研人员一样，虽嘴上说着“感觉工作永远也忙不完”，但还是用大把的时间来填补科研攻关这个无底洞。想着是为国家服务，能够推动领域发展，方双喜没有怨言，埋头研究创造性的方法、技术及系统，用它们捕捉大气最真实的“颜色”，为国内气象观测领域再添浓墨重彩！

温室气体本底观测——最大限度地“还原”大气的本来面貌

大气本底观测，是涉及有关大气化学组分及其物理特性检测与研究的活动。简单来说，就是在调查较少受人类活动的影响下大气各成分的浓度，所以一般而言，大气本底观测站也就在人类活动和污染源相对较少的地区落脚。

从发展历史来看，国外的大气本底观测兴起于1950年前后，英国、美国等发达国家较早意识到大气环境的变化，对其中的化学组分和物理特性等进行了连续性的跟踪记录。1968年—1975年，大气本底污染监测网络、全球环境监测系统等也在多个国际组织的支持下被先后建立，为全球及区域气候变化、环境变化与预测留下宝贵的资料。而在我国，早期的大气本底观测从20世纪80年代起步，历经了几代人几十年的努力，基础数据积累和观测标准制定等方面才取得较大的进展。

起步晚，并且国内大多沿用“自下而上”温室气体排放调研模式，因此在方双喜看来，推动本底观测发展还有很长的一段路要走。他认为，本底观测新方法和技术的开发至关重要，是实现行业发展的必要途径。“现阶段，国内的温室气体排放量是对不同行业排放情况调查后的估算，比如说，调查一个火力电厂烧煤多少，大约排放多少温室气体，全国又有多少个这样的火力电厂。这就造成了一个很明显的问题，去各行业调研需要的时间长，人力和物力耗费巨大。”方双喜指出，本底观测恰好能避免当前面对的诸多问题，通过精确地观测大气环境中二氧化碳、甲烷及氧化亚氮等，从而实时了解到它们大范围的、均匀的浓度变化，进而估算出各类温室气体的排放情况。当然，本底观测也面对诸多问题，需要不断努力去突破。

中国气象局自20世纪90年代开始，首先在青海瓦里关站开展温室气体观测，后陆续在北京上甸子、浙江临安、黑龙江龙凤山、云南香格里拉、湖北金沙和新疆阿克达拉6个区域大气本底观测站开展温室气体的联网观测，分别代表京津冀、长三角、东北平原、云贵高原、江汉平原和北疆地区的大气本底特征。几十年的发展间，如今中国气象局的4个大气本底站已经被列入世界气象组织全球大气观测计划，按照严格的观测规范和质量标准开展观测。“青海瓦里关站作为世界气象组织全球大气观测计划的31个全球大气本底观测站之一，也是目前欧亚大陆腹地唯一的大陆型全球本底站，它的观测资料已进入温室气体世界数据中心和全球数据库，用于全球温室气体公报，并用于世界气象组织、联合国环境规划署、联合国政府间气候变化专门委员会等的多项科学评估。”

与此同时，正是在国内温室气体联网观测逐渐成形的时期，方双喜也完成了从武汉大学环境科学系到中国科学院生态环境研究中心，再到中国气象科学研究院的各个学习及研究阶段，由基础的夯实到独当一面开展研究工作。后来，因为工作调动，他正式加入中国气象局气象探测中心，将前期开展的温室气体观测进行了更为深入、系统的研究。

他说，本底观测对方法、技术及标准的要求更为严苛，需要感应到大气环境微小的变化。因此很长一段时间内，方双喜不仅要持续观测，摸清国内温室气体各成分浓度变化数据及发展趋势，还需要不断革新温室气体本底观测的方法和技术，以达到更精准的观测目的。

团队与外国专家合作交流

主动“摸清家底”——在评估我国履行国际协定及开展国际谈判中掌握话语权

在交谈中，方双喜不止一次提到“摸清家底”的重要性。那么究竟什么是“摸清家底”呢？

对温室气体本底观测来讲，需要摸清的是全国范围内二氧化碳、甲烷及氧化亚氮等温室气体的浓度变化情况，并将观测获得的第一手数据资料进行分析、整合、汇总。这些带有明显实效性和地域特征的信息，不但可以服务于我国碳源汇认识，还能服务于我国生态文明建设。“以前都是国外专家搜集我国浓度观测数据，人家说什么就是什么，这让我们国家在国际谈判过程中很被动。现在把‘家底摸清’，我们有了自己的观测数据作为参考。”方双喜说，观测的目的是为了获得高质量的数据，这些数据最终要为国家决策或外交提供支撑，在国际谈判中发挥作用，提升我国的国际话语权。

以氢气为例，在世界不断推广新能源的当下，它在大气环境中的增长尤为急剧。“氢气是大气中仅次于甲烷的还原性气体，虽然不是直接的温室气体，但在大气中可大量消耗OH自由基，导致大气甲烷这一重要温室气体的寿命增长，因而被认为是一种重要的间接温室气体。”方双喜解释说。而在世界相关国家先后签约《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》后，限制或减少二氧化碳、甲烷和卤代物等温室气体就被各国列入发展规划当中。这也就意味着，作为清洁能源的氢气，倘若使用起来毫无节制，甚至出现政策性刺激排放等情况，十分危险。

“虽然氢气能源的使用能大量减少因化石燃料燃烧导致的温室气体等的排放，但由于泄漏及不完全燃烧等原因，大量氢气也会排放到大气中，可间接增加大气中甲烷总量，在平流层中，过量氢气氧化成的水蒸气可改变平流层温度以及臭氧反应平衡。因此，大气中过多的氢气势必会影响全球大气光化学过程，甚至可能导致全球生态环境等的重大变化。”方双喜表示。

于是，在充分调研国内外氢气浓度观测发展状况时，方双喜带领团队以已有的气相色谱分析系统为基础，开发新的技术和方法，优化流程、扩展分析内容等，实现对我国多个本底观测站氢气浓度的高质量分析。其中，基于研发的氢气浓度高精度分析系统，已经获得规范化的标气设置、运行方法和流程，精度甚至比国际同类系统更高。与此同时，在获得观测数据的基础上，他们还深入研究我国7个本底区域大气氢气浓度特征和变化趋势等内容，探明区域人为因素和自然因素对观测的氢气浓度的影响，进而为评估我国温室气体源汇动态变化提供了科学依据，填补我国在这一方面的观测研究空白。

除此之外，在进行氧化亚氮的观测研究中，方双喜考虑到它的特性及各种人为或自然影响因素，结合国际经验与国内领域发展势态，针对我国现有4个国家级本底站（青海瓦里关、浙江临安、北京上甸子、黑龙江龙凤山）的大气氧化亚氮观测系统，进行观测数据的处理流程和质量控制方法创新，取得了一系列高精度、高准确度、可与国际媲美的本底大气氧化亚氮观测资料。

现阶段国内虽然有一些氧化亚氮在线观测方面的研究，但是主要集中在污染区域或者通量观测，而我国本底区域大气氧化亚氮浓度长期观测研究尚未见报道。同时，方双喜指出：“即便在本底区域，温室气体观测浓度其实也不能百分百代表实际情况或者大气混合均匀的情况。比如说，当你正在观测的时候，有车辆经过或者附近有焚烧，这时候的数据可能不准确。我们就需要将数据标记、处理结合，排除季节、区域位置及突发性不确定因素造成的影响，做到有效地选取、筛分。”

集成开发的高精度氢气观测系统

因此，选取已被纳入世界气象组织世界全球大气观测计划的4个国内本底站，即海瓦里关、浙江临安、北京上甸子和黑龙江龙凤山本底站，方双喜带领团队以国家级本底站现有气相色谱法大气氧化亚氮观测系统为基础，结合双层梯度观测、地面风局地影响等手段，深入研究了氧化亚氮浓度变化特征异同点和影响因素。“我们的目的第一步是提出合适的数据处理方法流程，第二步是要认识国家本底站的氧化亚氮变化趋势，结合人为排放、环境输送等情况，从定性的关系来分析它们与浓度变化的关系……”方双喜对每一步的工作了然于心。他们旨在初步探明本底站观测成果反映的全球和区域代表性，为在我国开展大气氧化亚氮源汇机制研究提供经验和基础数据。

深耕大气研究多年，方双喜对自己的专业满怀热爱。

创新焕发科研活力——温室气体观测方法、技术及系统的跃升

1992年，我国首个温室气体本底观测站在青海瓦里关山建成。当时，不论是系统的安装还是观测用到的方法，都是“舶来品”，要依靠国外专家的“手把手”指导。之后，随着科学技术的进步，我国虽然逐步建立完善的温室气体系统网络、管理体系，但绝大多数温室气体高精度探测装备长期依赖于进口。现有自主温室气体测量技术和设备效率、精度，无法满足评估碳减排的迫切需求。

区域间的大气环境存在差异，国际间的大气环境差异则更为明显。方双喜表示，由于这种差异，必须针对我国的实际情况进行适应性开发。“浓度不一样，观测要求和指标也就不一样。另外从经济的角度来说，进口设备的价格高昂，同时还得考虑运行维护的成本等。”因此，从投身工作到2011年，方双喜做得最多的事情就是观测方法、技术和系统的开发，实现从无到有的技术突破，从有到新的变革发展。

埋头钻研，他一手建立起多个创新型的温室气体本底观测系统。其中印象最深刻的当属在青海地区海拔4000米的高原上。作为设备的主要开发人，方双喜到观测站现场亲自架构、调试系统，整整40天，因为高原反应睡不着觉、洗不了澡。“那时候，方圆几十里没有人烟，做饭都得靠自己。青海当地的技术值班人员两个人一班岗，每隔10天换一次，我最高兴的就是看着汽车远远地开过来，送走两个人，再听听新来的讲点儿新鲜事。”方双喜回忆道。

他基于多目标温室气体测量技术搭建的系统不容小觑。除了安装成本和运行成本都相对较低，对比国外产品的单项浓度观测，它可以实现二氧化碳、甲烷等多个气体浓度观测。尽管过程艰辛，甚至有人不理解，问方双喜“你一个博士生毕业，干嘛天天弄这种东西受罪”，他还是选择坚持下来。在他看来，国内气象观测领域研究需要有人来做，围绕国家需求解决问题、提供服务。“无论有没有项目支持，我都会去做。”

方双喜这样说的，也确实这样做了。他最早跟着导师学东西，再结合一些国际上的经验和本土科研人员的调研数据，花了几年时间用来琢磨新方法、新技术。任何一项创新性的理论和方法研究都需要时间，于是在近6年的磨砺当中，没项目资金支持还鲜有论文发表，方双喜只能咬牙挺着。“从零出发，确实有很多困难要突破，再加上国内温室气体观测方法研究没有借鉴，就自己一步步地摸索。”

近年来，方双喜研发的技术方法和系统不断获得新突破，同时他还参与了多项国家行业标准的制定工作，为大气观测分析方法、数据处理流程等树立下领域标杆。他先后投入到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等研究之中，在观测主机系统、样品前后处理系统、数据质控处理系统等层面开展创新性工作，促进了本土温室气体观测应用系统的更快、更好发展。由他领衔团队集成的温室气体本底观测系统，被国家生态环境部、国家海洋局等多个单位机构引进使用。研究成果备受肯定，方双喜说，这是他一直以来最期盼的。“如果哪一天我退休了，我希望，提到中国气象局温室气体观测这一块工作，人家能想到方双喜这个人。这就是对我工作最大的认可。”

目前，方双喜仍旧将工作重心放在开展大气本底观测上。除了针对高效系统的研发，他还积极尝试新方法，利用采样器搭载气球装置进行温室气体廓线直接采样观测，为我国碳卫星遥感提供直接观测数据校验。他表示，国家减排和绿色发展任重而道远，科学还是为国家决策服务的，“国家既然把担子交给了我们，我们就要尽最大努力，义无反顾地提供科技支撑和有价值的服务”。