项目名称极端恶劣条件下环境与气象灾害移动集成观测关键

项目名称：极端恶劣条件下环境与气象灾害移动集成观测关键技术及应用提名单位：甘肃省科技厅提名奖项：科技进步二等奖一、项目简介：世界多地污染严重、极端灾害天气频发，尤其在生态脆弱区和气候敏感区，环境与气象灾害问题交织出现、相互作用，更加严重和复杂，迫切需要开展集成观测研究并提出应对措施。然而，目前国内外缺乏环境污染与气象灾害的集成观测,特别是在高海拔、高寒、强沙尘、重污染等极端恶劣条件下，现有仪器设备无法正常工作，观测数据匮乏。项目组紧扣环境与气象灾害应对的国家重大需求，历经十余年艰苦探索与开拓创新，自主研制了环境与气象灾害移动集成观测系统，建立了我国第一个具有国际水准的环境与气候变化综合观测平台，实现了环境与气象灾害因子的同时同地、三维立体、高时空分辨率全天候集成观测，攻克了同时探测短时、局地环境污染与长时间、大范围气象灾害的世界性技术难题，填补了国际上极端恶劣条件下环境与气象集成观测的空白，为前沿基础研究和预报预警提供技术支撑，为环保和气象业务部门开展集成观测提供核心技术与示范。取得了一系列创新性技术成果：1.自主研制了国际上第一套能够在极端恶劣条件下同时监测环境与气象灾害的移动观测系统，攻克了仪器设备在恶劣条件下无法正常运行的难题；利用激光探测、微波遥感、光谱分析等先进技术，实现了环境与气象多要素高时空分辨率的在线观测；研发了环境与气象灾害的短临预报预警系统。2.自主研发了目前唯一可用于强沙尘、重污染天气条件下的三维扫描环境监测激光雷达，突破了现有产品只能垂直观测的局限性，解决了环境污染监测设备空间代表性低、时效性差的技术难题；发展了污染物高精度反演算法，提供了气溶胶光学特性等环境要素的三维结构，为环境灾害短临预报预警提供技术支撑。3.自主开发了激光探测与微波遥感融合技术，增强了激光雷达长期稳定监测能力和微波辐射计瞬时变化的探测功能，建立了主动激光探测与被动微波遥感的联合反演系统，将大气温湿廓线和云水含量的反演精度提高了10%。基于高精度大气温湿和液态水垂直廓线，为气象灾害短临预报预警提供关键技术。4.2005年创建了我国第一个具有国际水准的半干旱气候与环境定点综合观测平台（SACOL），为移动集成观测系统提供环境与气象灾害因子同时探测的试验基地；建立了我国西北地区环境和气象要素长期连续、高分辨率的观测数据库；揭示了半干旱气候变化及环境污染与气象灾害相互作用的机理。项目获国家发明专利3项、实用新型专利10项、软件著作权2项，发表论文218篇（SCI103篇），出版专著2部，承担完成30余项国家重大项目任务。关键技术被国内高校、中科院和气象局推广应用；部分技术已实现产业化，为国家节支设备进口费近1亿元；积累了描述干旱半干旱环境与气候第一手高精度资料集，国内外学者利用这套数据发表论文215篇；明显提高了模式预报沙尘暴的准确率，使我国西北地区24小时沙尘暴预报提高了6%~10%。项目的实施，使我国环境和气象灾害综合探测技术水平处于国际前沿，有助于在全国范围内实现对环境与气象参量的全时效、自动化集成观测，在环境灾害预警、天气气候预测、生态水文监测、航空和军事气象保障等领域有广泛的应用前景。四、客观评价：1.甘肃省气象局西北区域气候中心应用《气候灾害移动集成监测技术》并做出评价自2010年3月份起，我单位应用了由兰州大学大气科学学院黄建平等人自主研制的《气候灾害移动集成监测技术》，成功监测到发生在西北地区10余次强沙尘暴天气过程，获取了不同沙尘天气条件下沙尘颗粒质量浓度（PM10、PM2.5和PM1.0）、消光系数垂直分布结构、能见度和常规气象要素等第一手宝贵资料。对这套高分辨率的数据资料进行融合同化，并作为西北区域沙尘暴数值预报业务模式（GRAPES-SDM）的初始场和边界条件，明显提高了模式对沙尘暴的预报准确率，西北地区24h沙尘暴预报Ts评分提高了6%~10%。兰州大学研发的《气候灾害移动集成监测技术》改善并提升了我省对沙尘暴等灾害天气的业务监测水平，提高了西北区域沙尘暴业务模式的预报能力，为西北地区防灾减灾监测预警做出了重要贡献，为预防和减轻人民财产的损失发挥了重要作用。2.南京大学应用《环境与气候灾害集成探测技术》的评价意见自2011年5月起，我单位在建设南京大学地球系统区域过程综合观测试验基地（SORPES）的过程中，应用了由兰州大学大气科学学院黄建平等人自主研制的《环境与气候灾害集成探测技术》，在大气边界层、地气相互作用、空气污染和生态过程等的设备选用、观测项目设置等方面借鉴了兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）的经验；利用SACOL陆-气相互作用长期观测资料，改进了半干旱区陆面过程地表参数化方案，明显提高了陆面模式对半干旱区地表热量通量的模拟能力，获得显著的社会效益。3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所《环境与气候灾害集成探测技术》的评价意见中国科学院寒区旱区环境与工程研究所评价：“…应用了兰州大学自主研发的《地面气溶胶集成观测技术》，开展了兰州地区和青藏高原地区环境污染物理化特性、化学组分的观测研究，提高了对污染物的野外监测能力，降低设备运维成本，提高仪器的观测效率和数据质量，为研究兰州市区和青藏高原高海拔地区的环境质量、污染物溯源提供了重要的基础支撑。”4.江苏省气象台应用《偏振激光雷达识别自然和人为沙尘方法》的评价意见江苏省气象台自2014年起，与兰州大学大气科学学院在激光雷达数据应用方面进行合作，将《偏振激光雷达识别自然和人为沙尘方法》中的部分技术应用到本单位的业务工作中。利用沙尘粒子的非球形特性及散射特征的差异，阐明了沙尘退偏振比和后向散射的分布关系。利用这一技术对江苏省气象局建设的激光雷达监测网数据进行有效分析，在多次重雾霾污染过程期间，成功监测了外源输入沙尘对江苏省的影响，极大提升了江苏省气象局环境气象灾害的监测和预报预警能力，减轻了一线业务人员的工作强度，得到一致好评，展现了良好的社会效益。五、应用情况：本项目技术成果被国内多家单位推广应用，包括中国气象局业务部门、科研院所、高校等单位，取得了显著的应用效益，成果在企业进行推广，已经为相关企业增收6000余万元，为国家节支设备进口费近1亿元。研究成果为国家西部大开发和国家“一带一路”重大战略建设中的环境气候灾害保障、防灾减灾等做出了重要贡献。主要应用情况如下：应用单位应用技术应用的起止时间应用单位联系人/电话应用情况甘肃省气象局西北区域气候中心气候灾害移动集成监测技术2010年3月至今王尘暴等灾害天气的业务监测、西北区域沙尘暴数值预报业务南京大学环境与气候灾害集成探测技术2011年5月至今郭维境与气候灾害监测、陆面过程参数化方案改进和陆面模式模拟优化云南大学环境灾害与气候变化集成探测技术2013年10月-至今樊雯明地区环境灾害与气候变化监测中国科学院寒区旱区环境与工程研究所地面气溶胶集成观测技术2014年10月至今徐建州地区和青藏高原地区空气环境污染监测网江苏省气象台偏振激光雷达识别自然沙尘和人为沙尘技术2014年至今陈基激光雷达网建设与技术业务应用北方民族大学激光雷达反演技术2014年至今毛建套地区沙尘暴监测、高精度反演与追踪北方天穹信息技术（西安）有限公司多通道微波辐射计温湿廓线反演系统2014年至今房轶产加工“多通道微波辐射计”产品40多台，创收5600万元兰州金未来能源科技有限公司环境与气候灾害移动集成监测技术2014年1月至今邓产加工“地面气溶胶移动集成观测系统“和“气候灾害移动监测系统”40多套，创收600万元六、主要知识产权目录（不超过10件）：知识产权（标准）类别知识产权（标准）具体名称国家（地区）授权号（标准编号）授权（标准发布）日期证书编号

（标准批准发布部门）权利人（标准起草单位）发明人（标准起草人）发明专利（标准）有效状态发明专利地面气溶胶移动集成观测系统中国ZL201310612017.82017年2月15日2378845兰州大学黄建平，史晋森，闭建荣，邓俭，黄忠伟，张北斗，周天有效发明专利一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统中国ZL201610516867.12018年8月10日3027535兰州大学黄忠伟，周天，黄建平有效发明专利地面气溶胶移动观测集装箱中国ZL201310613670.62017年5月24日2497056兰州大学史晋森，黄建平，张北斗，邓俭，黄忠伟，闭建荣，周天有效实用新型专利气候灾害移动监测系统中国ZL201520469325.42015年12月2日4814539兰州大学闭建荣，黄建平，史晋森，黄忠伟，张北斗，张武有效实用新型专利地面气溶胶集成观测系统中国ZL201320069810.32013年8月14日3107533兰州大学史晋森，张北斗，闭建荣，黄建平，黄忠伟，葛觐铭有效实用新型专利积分浊度仪串联观测系统中国ZL201320069825.X2013年8月14日3105924兰州大学史晋森，闭建荣，张北斗，黄建平，黄忠伟，葛觐铭有效实用新型专利地面气溶胶移动观测集装箱设备架中国ZL201320759247.22014年4月30日3548133兰州大学史晋森，周天，张北斗，黄建平，邓俭，闭建荣，黄忠伟有效实用新型专利一种单通道探测偏振的激光雷达系统中国ZL201320709304.62014年4月30日3548831兰州大学周天，黄忠伟，史晋森，闭建荣未缴费失效计算机软件著作权SACOL气候观测仪器数据管理系统V2.0中国2014SR0637002014年5月20日软著登字第0732944号兰州大学张北斗有效计算机软件著作权多通道微波辐射计温湿廓线反演软件V1.0中国2014SR0680892014年5月28日软著登字第0737333号兰州大学张北斗有效七、主要完成人情况：序号姓名国籍职称工作单位完成单位参加项目起止时间主要贡献1黄建平中国教授兰州大学兰州大学2005-至今负责项目的总体实施，带领团队历经十余年建成半干旱气候与环境综合观测站，自主研制适用于极端恶劣条件下作业的移动集成观测系统，在国际上首次获取我国西北地区环境与气候的第一手高精度观测资料，填补了该领域的空白。对主要技术创新点1-4均做出创新性贡献；投入工作量占本人工作总量的70%以上。2张镭中国教授兰州大学兰州大学2005-至今负责项目的具体实施及协调工作，主要在陆气相互作用和激光雷达观测与反演等方面做出了重要贡献，改进了湍流通量观测和数据质量控制体系，改进了激光雷达信号降噪关键技术，揭示了复杂地形边界层湍流结构，阐明了夜间短时高污染形成机理。对主要技术创新点1、2、4做出创新性贡献；投入工作量占本人工作总量65%以上。3闭建荣中国高工兰州大学兰州大学2007-至今负责项目的具体实施，参与研发环境与气象灾害集成观测技术，研制气候灾害和地面气溶胶集成观测系统，揭示干旱半干旱区的陆-气相互作用特征，探究沙尘气溶胶理化特性及区域气候效应。对主要技术创新点1、2、4做出创新性贡献；投入工作量占本人工作总量的65%以上。4黄忠伟中国副教授兰州大学兰州大学2008-至今研制单通道偏振激光雷达、气候灾害和地面气溶胶集成监测系统，提出识别人为和自然沙尘的新方法。对主要技术创新点1-4均做出创新性贡献；投入工作量占本人工作总量的60%以上。5史晋森中国高工兰州大学兰州大学2008-至今研制地面气溶胶集成监测系统并获发明专利，开展多次大型野外综合观测试验，获取了我国西北及青藏高原地区第一手高精度观测资料；将技术进行推广，被国内多家单位借鉴和应用。对主要技术创新点1、2、4做出了创新性贡献；投入工作量占本人工作总量的50%以上。6张强中国研究员中国气象局兰州干旱气象研究所中国气象局兰州干旱气象研究所2005-至今利用本数据资料集研究了稀疏植被地表反照率特征，发现稀疏植被下垫面地表反照率呈不对称结构；揭示了复杂地形稳定边界层湍流特征。对主要技术创新点4做出了创新性贡献；投入工作量占本人工作总量的50%以上。7张北斗中国高工兰州大学兰州大学2007-至今开发了“多通道微波辐射计温湿廓线反演系统”，完成大气温度、湿度、水汽密度、液态水廓线反演，实现了微波辐射计国产化，创造了一定经济和社会效益，提高我国大气地基微波的探测水平。对主要技术创新点3做出了创新性贡献；投入工作量占本人工作总量的40%以上。8王国印中国讲师兰州大学兰州大学2008-至今集成陆-气相互作用综合观测，实现了湍流通量资料处理和质量控制技术，探讨了土壤湿度在半干旱区陆面过程中的影响，揭示了半干旱区陆-气相互作用的机理。对主要技术创新点4做出了创新性贡献；投入工作量占本人工作总量的30%以上。9梁捷宁中国讲师兰州大学兰州大学2010-至今发现了复杂地形稳定边界层湍流运动形态，提出判别分离非平稳运动的方法，扩展了相似理论在复杂地形上的应用，揭示了黄土高原复杂地形上边界层低空急流影响的“倒置”结构。对主要技术创新点4做出了创新性贡献；投入工作量占本人工作总量的30%以上。10周天中国讲师兰州大学兰州大学2009-至今研发单通道偏振激光雷达系统，提出一种退偏振比识别沙尘的新方法，降低沙尘监测的误判率，提升了气象部门对环境与气候灾害的监测预报能力。对主要技术创新点2、3做出了创新性贡献；投入工作量占本人工作总量的30%以上八、主要完成单位及创新推广贡献：1.兰州大学作为本项目的主要申报单位，兰州大学负责整个项目的制定、实施及协调工作，全面支持研制发展“极端恶劣条件下环境与气象灾害移动集成观测”，建立我国西北地区第一个具有国际水准的气候与环境综合观测平台SACOL，在基础设施、科研条件、协调、组织和保障等诸多方面给予了全方位支持。在本项目执行期间，兰州大学共投入科技人员60余人，所提供的大型计算机条件、室内实验和外场试验的各种仪器设备为本项目的顺利完成起到了重要的技术保障作用。2.中国气象局兰州干旱气象研究所在项目的检验和推广应用方面做出了重要贡献。将本项目构建的陆-气相互作用综合监测系统应用于中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地，扩展了其在不同下垫面类型上的应用，验证了观测系统的稳定性和可靠性。推动了“气候灾害移动集成监测技术”在西北区域气候中心的应用，获取了不同沙尘天气条件下沙尘颗粒质量浓度等第一手宝贵资料。九、完成人合作关系说明：黄建平于1988年在兰州大学资源环境学院获博士学位后，出国留学深造，于2004年5月回到兰州大学工作，组织成立了大气科学学院并担任院长；张镭于2001年开始在兰州大学大气科学系工作；张北斗、闭建荣和史晋森均于2007年开始在兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）工作；黄忠伟和王国印均于2008年开始在SACOL站工作；周天于2009年开始在SACOL站工作；梁捷宁于2010年开始在兰州大学大气科学学院工作。自20