科学考察

“珠峰环境2001”野外科学实验胜利结束

中国科学院大气物理研究所、北京大学环境科学中心及中国科学探险协会合作进行的“珠峰环境2001”野外科学实验胜利结束,2001年6月17日全体队员返回北京。

  珠穆朗玛峰地区是世界最高海拔地区,远离人类活动。该地区可以作为北半球乃至全球的大气环境本底。通过监测该地区的大气环境变化,可以了解北半球人类生存环境的变化、获得全球重大环境事件的信息及其对全球环境的影响。例如,1992年,中国科学家曾经在该地区观测到科威特石油大火对珠峰地区大气环境的污染,这表明了局部战争对全球范围的人类生存环境已经造成了严重影响。

  珠峰及喜马拉雅山脉所在的西藏自治区人类活动相对较少,生产力水平较低,对环境的破坏也相对较少。随着西部大开发计划的开始,喜马拉雅地区将经历异常猛烈的城市化和农业现代化进程。城市人口、能源消耗、工业化污染、农业化肥和农药的使用量将迅速增加。这将无疑带来在世界上任何地区都难以出现的大幅度环境变化。因此,对喜马拉雅地区城市化和农业现代化进程的监测,可以为研究人类发展与自然环境的关系提供重要资料,为解决西部开发带来的环境问题提供合理建议。

  青藏高原地区大气臭氧亏损是近年来中国科学家首先发现的重要环境科学问题。中国科学院大气物理研究所的邹捍教授曾提出该地区地面加热导致臭氧局地亏损的理论。珠穆朗玛峰地区地理位置最高,地面加热造成的臭氧亏损更为典型。在这一地区观测臭氧垂直分布的结构有助于进一步理解该地区臭氧亏损的过程和对环境造成的影响,为预报和减弱珠峰和西藏地区臭氧亏损奠定科学基础。

  青藏高原地区平均海拔4000米,太阳辐射强烈,因此导致了地面光化学反应速率远远高于内地平原地区,是研究太阳辐射及其导致的光化学过程的理想场所。在青藏高原的极端情况下,研究太阳辐射和光化学过程对理解地面污染物形成和消亡有重要的意义。

  喜马拉雅山脉山体是北半球地表与对流层大气物质交换的重要通道。平均海拔6000~7000千米的山体通过山谷风等多种大气环流系统将青藏高原地面的大气与其上空的自由大气相联系,对污染物质的交换有重要的作用。因此,研究珠峰地区的局地环流系统对正确认识喜马拉雅山体在污染物分布、交换、迁移中的作用有非常重要的理论意义。

  总之,对珠峰及青藏高原地区大气环境变化的监测研究对于我国国民经济的可持续性发展以及科学的发展具有重大的意义。

  从70年代起,中国科学院大气物理研究所开始对珠峰和西藏地区进行系统的天气和大气环境学研究,多次在珠峰地区组织综合大气观测实验,积累了大量的环境演变过程资料。1992年以高登义教授为首的考察队,在珠峰地区观测到科威特石油大火的污染。1999年经中国著名大气科学家叶笃正院士和著名山地气象专家高登义教授建议,中国科学院大气物理研究所建立了“珠峰及喜马拉雅地区环境监测研究”项目,由中国科学院大气物理研究所邹捍教授担任课项目负责人。该项目将对珠峰及喜马拉雅地区进行为期十年的环境监测研究,以完成既定的科学目标。

  “珠峰环境2001”野外科学实验是中国科学院对珠峰及西藏地区长达10年环境监测项目的第二次野外科学实验。本次野外科学实验在“珠峰环境2000”的基础上增加了大量新观测内容,设备包括气体的实时分析系统、地面湍流交换系统、大气辐射和有害太阳辐射观测系统、大体积气体采样系统、自动地面大气观测系统、地面到30公里高度垂直大气结构和臭氧探测系统。上述最先进的观测设备和手段是首次在珠峰和青藏高原地区使用,使得“珠峰环境2001”成为该地区大气环境研究中最全面最科学化研究项目。

  “珠峰环境2001”野外科学实验结束后,记者对该科学考察队的邹捍、朱彤教授和王维高级工程师就本次科学考察的进展和成果进行了采访。

精诚的合作

  本次“珠峰环境2001”科学考察是中国科学院和北京大学在大气环境科学领域精诚合作的结晶。记者分别对本次行动的队长中国科学院大气物理研究所的邹捍研究员和副队长北京大学环境科学中心的朱彤教授进行了采访。

  邹捍博士对记者说:我们所从70年代开始一直对珠峰地区的大气环境进行观测和研究,积累了大量的数据和工作经验。在研究中我们认识到珠峰地区是北半球大气环境的背景,对北半球和我国的大气环境研究非常重要。在大气科学前辈叶笃正和高登义先生的倡议下,中科院大气所决定对珠峰和西藏地区开展长达10年的大气环境监测研究。

  2000年在珠峰和西藏地区实施了该项目的第一次野外观测实验,取得了一定的成绩。但是在大气成份及污染物实时分析方面,尚感缺乏。在“2000年大气科学论坛”本人有幸结识北京大学环境科学中心的朱彤教授。在大气环境科学研究方面进行了深入的探讨,认为目前国际大气环境科学研究中最重要和最基础的方面应该是获取第一手观测资料,提高理论和模式研究水平。青藏高原和珠峰地区的工农业尚处于较为低级的阶段,大气环境污染较少,在目前我国政府“西部大开发”中青藏高原及珠峰地区将在工农业、交通能源等方面得到长足发展,也同时带来环境的变化。监测研究这样高速发展的人类活动和环境变迁,将为大气环境学研究建立一个典型的范例。基于共同的认识以及朱彤教授在大气环境科学领域中深厚基础,我们一致认为中科院大气所和北大环境科学中心在青藏高原和珠峰地区大气环境研究中的合作将开辟出新的科研前景。在“珠峰环境2001”的合作中,我们感到合作是非常愉快和卓有成效的。

  朱彤教授对记者说:早在94、95年就从大气化学角度对青藏高原的大气环境研究发生强烈的兴趣,就是因为青藏高原受人类活动的干扰相对少,对大气化学的变化起到一个背景的参考作用,其次,该地区平均海拔4000多米,是世界第三极,在次大气中进行的物理与化学过程可能存在极其鲜明的特点,例如强紫外辐射会导致强大气氧化性,青藏高原位于欧亚大陆交接的地方,很多大气污染物的跨界输送都受到青藏高原的影响,因此开展青藏高原大气环境的研究具有重要的科学意义,对我国经济发展具有较高的科研价值。

  1999年从加拿大回国后,很荣幸得到国家杰出青年科研基金和教育部重点项目的支持,能够到青藏高原开展这方面的研究,在研究中看到中科院大气所邹捍博士开展的珠峰大气环境研究的报道,对邹博士的研究工作印象深刻,在2000年的大气科学论坛上与邹博士相识并在大气环境研究方面进行了深刻的交流。在以后的交往中对双方在该领域的合作有了明晰的思路,因大气化学反应在很多方面受到大气物理参数的影响,所以开展大气化学研究离不开大气物理参数的监测及对大气物理过程的深刻了解,而大气物理的研究也需要大气化学过程的了解来回答大气环境中问题,于是这两方面的有机结合会使我们跟全面和更深刻地认识大气环境中的各种问题并找到相应的解决办法,于是我们通过双方在各自领域建立起研究基础,结合对大气环境问题的共同认识,找到了双方有机合作的最佳途径。我们的合作是非常愉快和成功的。

  中科院大气所的邹捍研究员从事大气环境动力学研究多年,曾在挪威获得博士学位并工作多年,1995年回国工作,对南极、北极及珠峰地区的大气环境进行过长期研究,有着丰富的研究经验,在青藏高原臭氧亏损的研究中提出热动力学解释,1999年被中国科学院和中国工程院两院院士评为“中国十大科技进展”第三名。北大环境科学中心的朱彤教授曾在德国获得博士学位并在德国和加拿大等国工作多年,1999年回国工作,获得“长江学者”称号,长期从事大气化学和环境学研究。长期的国外工作经验和对大气环境学前沿领域的深刻认识,使这两位年轻的科学家在青藏高原和珠峰地区环境研究中走在了一起,共同完成了“珠峰环境2001”野外观测,并取得丰硕成果。

丰硕的成果

  中科院的邹捍研究员和北大的朱彤教授对记者说:本次青藏高原和珠峰大气环境实验是对珠峰地区大气环境的全面观测和研究,其中主要的收获有:

1. “珠峰环境2001”科学考察行动在珠峰地区成功释放两次臭氧探空气球,探测高度达到30000米,获得地面到30000米高空每30-50米间隔的大气结构和臭氧含量资料,对研究青藏高原地区大气臭氧亏损和对流层-平流层间大气物质交换有重要意义。探测中在18-22公里的高度上发现强烈下沉气流,这预示着青藏高原平流层的结构大大区别于其它地区,其形成机制尚待进一步研究。

2. 在珠峰地区绒布河谷上下游和侧面山坡设置三个太阳能驱动的自动气象观测系统,获得三整天每分钟局地大气状况资料,包括:风向、风速、气压、温度、湿度、太阳总辐射、净辐射、地表温度等等。这是研究喜马拉雅山体局地环流导致大气污染物质输送的唯一资料。

3. 从拉萨到珠峰地区连续观测太阳有害紫外辐射UVB297波段,对认识青藏高原地区有害太阳辐射的分布和变化规律有重要意义。在珠峰地区海拔5000米处的观测结果表明:该地区的UVB辐射强度与同期拉萨地区(海拔3700米)相比较,高出一倍多。这样强烈的太阳紫外辐射对该地区的人类、生态系统以及地表光化学反应速率将产生重要影响。

4. 在绒布河谷收集了大气、河水、降雪样品。该样品将被带回北京进行离子、有机物分析,对监视珠峰地区代表的北半球大气环境背景变化有重要意义。

5. 成功地在珠穆朗玛峰、日喀则、定日等地区采集分析了近2000立方米的大气样品,用于研究持久性有机污染物在珠穆朗玛峰和西藏地区的分布与潜在污染情况。我们希望通过这次监测加深对持久性有机污染物长距离输送规律的了解。

6. 对珠穆朗玛峰和西藏地区地表大气的主要痕量成分:比如臭氧、氮氧化物、挥发性有机物等进行了3次连续72小时的观测,也同时对UVB辐射进行了连续观测,在观测中发现地面臭氧浓度的日变化有很明显的特点,对造成该特点的原因,有待对所收集的数据的详细分析。希望能通过此次监测了解青藏高原强紫外辐射与大气氧化性的关系及规律。

7. 在海拔5000米的高度,成功地用超声湍流通量系统对地表的湍流通量进行了测量,包括二氧化碳、水汽、热量和动量的湍流通量,这对西藏和珠峰地区地气物质和能量交换的研究有重要意义。

  本次野外科学实验后,中国科学院与北京大学将继续合作分析观测到的数据和收集的样品,试图从理论上澄清青藏高原和珠峰地区的大气环境的形成和变化的理论以及预测方法。

优秀的支撑系统

  “珠峰环境2001”科学行动的顺利完成离不开科学的后勤保障支撑系统。来自中国科学探险协会的高级工程师王维和国家海洋局极地办公室的高级工程师王新民承担了本次科学行动的后勤保证支撑。王维高级工程师曾20多次组织和参加我国大型野外科学考察,负责野外保障支撑系统,包括雅鲁藏布江大拐弯科学考察等等。王新民高级工程师自中国南极科学考察站建站以来一直从事极地地区科学考察的后勤保障工作,包括中国南极科学考察的格罗夫内陆考察。记者就“珠峰环境2001”科学考察采访了两位高级工程师。

  王维对记者说:我们全队共17人,从拉萨出发直到珠峰大本营地区,三吨的最现代化的科学设备一路从北京运往包括珠峰在内的各个观测场地,这样的大规模科学考察需要一个科学的计划和操作,不允许任何的疏忽。西藏地区地处边陲高原、生活和交通条件极其艰苦。高山缺氧造成了人员的疲惫和体力下降,道路状况极差,提高对设备运输的安全性的要求。在本次考察中曾遇到很多预想不到的问题,例如,在珠峰大本营地区,曾遭遇大雪,气温骤降,大雪埋没了观测设备和发电系统;下撤过程中绒布河水突然上涨,运送设备的卡车陷入河中长达6小时。但是最终我们靠着科学的管理和准备,在紧急的关头,战胜了困难完成了任务。

  王新民对记者说:青藏高原考察与极地考察不同,需要更多的后勤保障支持,例如南极考察有考察站和考察船的支援,能源、通信和食宿等有充分的保证,而珠峰科学考察则需要考察队在极其艰苦的环境下自己保障能源和通信系统。另外在环境保护要求很高的今天,考察队自己对环境的保护行为也显得日益重要,例如,此次科学考察我们就使用了可降解环保厕所,使队员在不破坏当地环境的前提下,有舒适的厕所使用。


附图:

1. UVB:考察队员Isabelle(法国)观测珠峰地区太阳有害紫外辐射UVB。
2. 大雪:科考队在2001年6月11日突遇大雪,给观测任务和人员的生存带来了空前的困难,但是考察队员以坚韧的意志继续坚持观测,圆满完成了任务。
3. 观测天线:以珠峰为背景的监测地面到30公里高空大气结构和臭氧含量的GPS和UHF天线。
4. 卡车:下撤途中,运送设备的卡车被洪水冲入河中,经队员的多方努力,最终于6小时后被拉出河水。
5. 气象站:考察队员在绒布河谷侧面山坡上架设全自动气象监测系统,用于了解局地大气环流对污染物质的输送。
6. 室内:考察队的工作帐篷内,考察队员紧张的工作着。
7. 探空气球:考察队在珠峰地区释放臭氧探空气球,探测地面至30公里高空每30米间隔中大气压力、温度、湿度、风和臭氧含量。
8. 观测场:考察队在定日地区设立的大气环境观测场地,包括:大气成分实时分析系统,地面湍流交换观测系统,自动地面气象监测系统,大体积大气采样系统等。

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中国科学院大气物理研究所

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