多尺度海气相互作用观测与机理
a.远洋观测
2021年课题组参与了6个海洋调查观测，在“两洋一海”海域进行大面站水文和气象参数观测，航次总时间达270余天，航次总航程超过4.7万海里，获得超过6万条海洋水文及海气界面大气参数观测数据，为 “两洋一海”海气观测示范网的建设打下了重要基础。图1是航次观测站位图，表1是航次的具体信息。
图1 两洋一海观测示意图
表1 主设备开展监测试验航次信息
编号 | 项目名称/航次执行时间 | 观测目标 | 观测仪器 | 观测天数及里程 |
1 | 2021年南海东北部及吕宋海峡航次（7-9月） | 大面站水文气象观测 | CTD、ADCP、气象站，中浮标 | 52天/11600海里 |
2 | 2021年东印度洋航次（4-6月） | 大面站水文气象观测 | CTD、ADCP、气象站 | 71天/ 12000海里 |
3 | 2021年西北太平洋**专项航次（6-10月） | 大气基本参数观测 | 探空气球、能见度仪等 | 121天/21000海里 |
4 | 2021年南海北部西边界流调查航次（5月） | 海气界面观测 | CTD、水下滑翔机、探空气球 | 9天/1000海里 |
5 | 2021年南海北部夏季调查航次 （8月） | 海气界面观测 | 中浮标、水下滑翔机 | 12天/1200海里 |
6 | 2021年南海北部秋季调查航次（10月） | 深海、海气界面观测 | 潜标、中浮标、水下滑翔机 | 7天/900海里 |
在2021年的航次观测过程中，一共搭载航次投放漂流式海气界面浮标7套（表2），其中在西太平洋海域投放2套，在南海海域投放5套。布放海气浮标的航次信息具体如下：
（a）2021年7月-8月，搭载2021年国家自然科学基金委南海东北部及吕宋海峡开航航次的“东方红3”科考船，总时长36天，起始与终到港口均为三亚南山港，进行了走航气象观测和CTD水文观测，获取了该航次海洋水文和气象观测的数据，水文观测要素包括水体温度、盐度、浊度、叶绿素等，气象观测要素包括风速、风向、大气压力、降水、能见度等。项目参加航次人员共参加288小时公共观测值班任务，其中夜间值守98小时。航次获得的气象水文资料为项目组进一步研究海气界面的物理过程提供了重要的数据支撑。在航次观测期间布放200B8和200B7套中浮标，图2为现场布放中浮标时的场景。
（b）2021年7月-8月，搭载“粤湛渔科2”船，分别于2021年8月1日7时59分、2021年8月1日9时59分、2021年8月1日10时59分、2021年8月1日11时59分和2021年8月1日13时59分投放设备号为200BB、200C3、200BD、200CB和200C6的中浮标。5套中浮标的同步观测，为南海北部区域的海洋界面过程观测提供第一手观测数据。
位置 | 设备号 | 入水时间 | 入水经纬度 | 首条数据回传时间 | 首条数据回传经纬度 | 任务采样数 |
西太 | 200B8 | 2021/8/3 16:59 | 120°0′3.72″E 20°42′56.71″N | 2021/8/3 16:59 | 120°0′3.72″E 20°42′56.71″N | 3754 |
200B7 | 2021/8/14 21:54 | 119°43′14.01″E | 2021/8/14 21:54 | 119°43′14.01″E 20°41′19.53″N | 6544 | |
南海 | 200BB | 2021/8/1 7:59 | 117°59′6.37″E 20°27′9.79″N | 2021/8/1 7:59 | 117°59′6.37″E 20°27′9.79″N | 3118 |
200C3 | 2021/8/1 9:59 | 118°1′6.28″E 20°19′20.97″N | 2021/8/1 9:59 | 118°1′6.28″E 20°19′20.97″N | 9423 | |
200BD | 2021/8/1 10:59 | 118°2′7.13″E 20°14′18.44″N | 2021/8/1 10:59 | 118°2′7.13″E 20°14′18.44″N | 9557 | |
200CB | 2021/8/1 11:59 | 118°3′41.99″E 20°9′12.49″N | 2021/8/1 11:59 | 118°3′41.99″E 20°9′12.49″N | 9719 | |
200C6 | 2021/8/1 13:59 | 118°6′9.6″E 20°0′51.66″N | 2021/8/1 13:59 | 118°6′9.6″E 20°0′51.66″N | 2568 |
图2 现场布放200B8中浮标 (左图)和200B7中浮标时的场景（右图）
b.地（海）面气象观测站点的建设
气象观测业务是气象工作的基础，对地球表面一定范围内的气象状况及其变化过程进行系统地、连续地观测和测定，以期获取某地一定范围内有代表性、准确性、比较性气象要素的重要场所，从而为天气预报、气候分析、科学研究和气象服务提供重要的依据。研究团队依据陆-气相互作用、海-气通量监测的研究需求，在上海市及周边区域拟定了以陆基平台长三角大气-环境-生态综合观测基地和海基平台东海百米塔层监测站为重心的海陆气监测网络规划。
（a）长三角大气-环境-生态综合观测站建设
进一步加强了合作共建“长三角大气-环境-生态综合观测站”建设，开展了大气物理与大气化学、大气环境和生态与天气气候等相关观测试验，研究团队依据项目目标增补了太阳光度计、涡动相关系统等高精密仪器，用于完善站点在气溶胶监测、陆-气能量通量和碳循环监测研究方面的缺失，初步形成了以大城市冠层为下垫面的陆-气通量、大气边界层湍流发展、生态与环境相结合为研究为特色的观测基地，已作为海陆气监测网络中心的陆基观测平台和组成部分，为推动大气科学及相关大气环境和生态学科发展，提升科研与气象业务协同，更好地服务上海及长三角地区应对高影响天气和气候变化、实现碳中和、保护人体健康和生态文明建设等经济社会发展提供重要的支撑。
（b）东海海上百米塔层海气通量监测
为了能够研究海洋边界层的发展演变过程、海气通量传输以及海气相互作用机制等，研究团队与同济大学、上海市气象局台风所共同讨论了海上百米塔层海气通量监测站点建设，已初步拟定在海面以上18米和28米建设两层大平台，用于气象设备和仪器的综合观测，并每间距10米增加一层温度、湿度和风的梯度观测，、同时百米塔层观测布设太阳辐射的梯度监测、海气通量的梯度观测、深层海洋温度、盐度剖面观测等，在本项目的支持下研究团队已为塔层观测采购了用于塔层廓线监测的空气温度、空气湿度、风向风速、辐射、海气通量、海洋浮标等高精密监测设备，计划于年底在塔层上完成布设个调试，该实验站点将作为海陆气监测网络中心的海基观测平台。
（c）崇明东滩海陆交界面海气通量监测站点
作为气候变化的敏感带海陆界面在海洋环境、大气环境、生态环境等发展演变过程中的机制机理相当复杂，研究海陆界面的能量平衡、水分循环和碳循环以及空气质量有着重要意义，然而由于其恶劣的环境条件，对这些区域的研究资料一直十分匮乏。因而，研究团队通过实地考察和调研，在满足代表性的前提条件下，选在崇明东滩海陆交界处建设用于海陆气通量监测以及空气质量监测的综合观测站点，该站点已在建设之中，建成后将有效弥补海基观测平台和陆基观测平台在海陆界面处的海洋、生态、大气和环境信息，为后续科学研究提供数据支撑和保障。
（d）基于地面气象观测站点的空气质量研究
研究团队基于地面站和高塔站的大气成分观测数据，研究了疫情防控对上海市空气质量的影响，发现中国北方地区的长距离输送对上海市的空气污染特别是颗粒物具有重要的贡献。这种水平输送发生在边界层上部，并通过白天边界层的混合而影响地面大气颗粒物的浓度，其垂直传输时间在2小时左右。同时发现疫情封锁期间有机气溶胶主要由二次生成贡献，而一次同二次有机气溶胶类似都可由长距离传输，而不是来自于上海局地的贡献。无论是平时还是疫情封锁期间，上海大气颗粒物硫酸盐、硝酸盐和铵盐常来自于长距离传输，而氯盐大多来自于局地贡献。这对上海市的空气质量控制具有参考意义。
另外，研究团队通过实验室研究开展了天然源大气二次有机气溶胶生成转化机制与其对气溶胶成云活性的影响的研究工作，发现了上海市典型天然源挥发性有机物如异戊二烯、萜烯等在白天OH自由基氧化和夜间NO3自由基的氧化作用下均可以生成二次有机气溶胶的重要成分高氧化度有机物从而对夜间气溶胶生成有贡献。同时发现大气中常见污染氮氧化物白天对天然源二次有机气溶胶的成云活性影响不大；而在夜间氮氧化物被转化为NO3自由基，由此生成的二次有机气溶胶的成云活性有显著的下降。通过了分析白天和夜间条件下二次有机气溶胶的化学成分，测定了其中氮氧化物存在下二次有机气溶胶的重要成分有机硝酸盐的成云活性参数，为评估其对成云的影响提供了基础参数。
