傅里葉首次用數(shù)學物理的方法計算地球表面溫度時，認為大氣對地球的保溫作用和溫室玻璃有著異曲同工之妙，此后“溫室氣體”這個詞也漸漸步入人們的視線。由于可以望文生義（這里是褒義哈）容易理解，“溫室氣體”可能已經(jīng)成為大氣科學領域里普及率最高的專業(yè)術語之一了。

海拔4276米的中科院珠峰站的溫室大棚

有了這個大棚，站上的工作人員就可以吃到新鮮蔬菜啦

（攝影：中科院青藏高原研究所馬耀明研究員）

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告（AR5）指出，20世紀50年代以來全球氣候變暖一半以上是由人類活動造成的，要控制全球氣候變暖，必須大幅度減少溫室氣體排放。

溫室氣體：其實我本不是熊孩子

也許近年來對全球變暖的擔憂讓不少人看到“溫室效應”就下意識皺眉頭。事實上溫室氣體并不是搗亂的熊孩子，如果沒有溫室效應，地球同樣無法孕育大量生命。但過多的溫室氣體就會造成溫室效應異常增強。所以敲黑板：

溫室效應異常增強才是問題的源頭!

溫室氣體的溫室效應是由它們本身分子結構所決定的。溫室氣體的分子結構使其在震動時可以吸收紅外線，因此具有了保存紅外熱能的能力。如果沒有溫室效應，地球無法保存輻射能量，溫度將穩(wěn)定在-18℃左右。而地球的實際溫度約為15℃，這增加的33℃的保暖效果就是溫室效應提供的，它像一床溫暖的被子保護著地球上的生命。除了常說的二氧化碳（CO?），水汽（H2O），臭氧（O?），甲烷（CH?），氫氟碳化物（HFCs）等也都是溫室氣體。

圖片來源，百度百家號 科學探索家

人類才是“熊家長”

網(wǎng)上常說：每個熊孩子背后都有個熊家長。如果非得把過多的溫室氣體看作熊孩子，那么人類，就是不能推卸責任的熊家長了。

拿CO2，這個關注度最高的溫室氣體來說：CO2占大氣總體積的0.03%-0.04%。但由于人類活動的影響，大氣中CO2濃度正在快速上升，在目前人類溫室氣體總排放量中，CO2約占76％。在過去的數(shù)十萬年時光中，地球大約以10萬年一次的頻率在大的冰期和間冰期間循環(huán)，地表溫度有升有降。而大氣CO2濃度始終遵循著自然界物理化學規(guī)律的制約，保持在180~280ppm之間波動變化。但工業(yè)革命之后，人類利用地球能源的能力快速增強。原本埋藏在地下可能數(shù)千萬到數(shù)億年不見天日的化石燃料在幾十年內就被燃燒產(chǎn)生大量CO2，大氣CO2濃度的增幅前所未有，到今年3月，大氣CO2濃度已經(jīng)達到414.50ppm，比工業(yè)革命前高45%以上，比過去80萬年任何時候都高。

大氣CO2濃度時間變化，紅線代表近百年來CO2濃度直線飆升

圖片來源：NOAA

圖片來源 氣候與能源解決方案中心

然而還有一些人認為，與自然源本身的CO2排放基數(shù)相比，人類排放的CO2數(shù)量并沒有多到夸張，怎么就能產(chǎn)生如此巨大的影響呢？

打個比方吧，如果正常吃一日三餐規(guī)律飲食，可以保持身材勻稱健康。但是有一天開始，每天晚上增加一個小蛋糕，一年之后就會長胖10斤。一個小蛋糕看起來比一日三餐的量少，但是由于破壞了長期以來人體熱量的供需關系，所以就會長胖。再加上人類進一步改造自然，開墾森林草原、建立城市，使得自然界固碳的能力下降，影響了全球碳循環(huán)的平衡，導致溫室效應異常增強，地表溫度異常增加。

給熊孩子裝個“攝像頭”

“子不教，父之過”，面對溫室氣體這個“熊孩子”造成的巨大氣候危機，人類作為家長也到了非管不可的地步，畢竟都是自己“親生的”，總要為自己曾經(jīng)的行為負責任。于是各個國家、各個國際組織紛紛推出了不同的溫室氣體監(jiān)測計劃，上天入地，給溫室氣體裝上了360度無死角“攝像頭”。

介于地面網(wǎng)絡與衛(wèi)星間的大氣溫室氣體垂直、連續(xù)觀測

圖片來源 中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心

1957年，莫納羅亞天文臺的C. David Keeling開始了最早的CO2地基觀測數(shù)據(jù)記錄。1970年，受聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署委托，世界氣象組織（WMO）組織實施了大氣本底污染監(jiān)測網(wǎng)計劃（本底觀測指未受到人類活動影響下大氣自然狀態(tài)下各種成分的濃度），本底監(jiān)測是氣候變化的“忠實記錄者”，正所謂“沒有對比就不知道傷害‘。

隨著全球變暖問題日益突出，WMO于1989年開始組建全球大氣觀測網(wǎng)（GAW），長遠目標是提供有關大氣化學成分變化，監(jiān)測那些對環(huán)境造成危害的氣體粒子如CO2,臭氧等溫室氣體。截止2012年3月，來自65個國家的325個站點向世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心提交了111種溫室氣體和相關氣體的觀測數(shù)據(jù)。2004年，總碳含量觀測網(wǎng)絡（TCCON）建立起來，目前其全球站點接近70個，國內僅有合肥站一個，旨在測量精確的CO2等溫室氣體柱濃度。

總碳柱觀測網(wǎng)絡（TCCON）圖片來源：TCCON官網(wǎng)

常規(guī)的地基觀測無法解決全球大氣碳含量的空間分布問題，更不能監(jiān)測到海洋上空大氣中CO2的含量，因此需要飛機、高塔、航船、衛(wèi)星觀測資料來幫忙，結合同期氣象資料和模式推算，從而能更及時和準確地測算不同區(qū)域溫室氣體排放、吸收狀況，分析評估不同區(qū)域間的輸送和相互影響。

近年來，利用衛(wèi)星平臺對地球大氣CO2進行濃度監(jiān)測獲得越來越多的關注。然而溫室氣體觀測衛(wèi)星對科學技術綜合實力與國力有較高的要求，因此目前只有少數(shù)國家成功發(fā)射了溫室氣體觀測衛(wèi)星。

2016年，我國的首顆用于監(jiān)測全球大氣CO2含量的科學實驗衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，成為國際上第三顆具有高精度溫室氣體探測能力的衛(wèi)星。2018年，我國首顆碳衛(wèi)星獲取的第一幅全球CO2分布圖對外公布。該分布圖有助于準確監(jiān)測CO2的時空變化，在碳排放數(shù)據(jù)上知己知彼，對提升我國在國際氣候變化方面的話語權具有重要意義（一“碳”到底——天上人間如何監(jiān)測“地球呼吸”） 畢竟管理“熊孩子“也不能一直聽別人的，要有自己的經(jīng)驗方法。

中國科學院大氣物理研究所反演算法獲取的首幅中國碳衛(wèi)星大氣CO2全球分布圖

圖片來源 中科院大氣所

中國的溫室氣體監(jiān)測

中國位于亞洲季風區(qū)，是全球變暖影響大的區(qū)域之一，中國在應對全球變暖問題時一直做著積極的努力。自二十世紀 90 年代開始，我國首先在青海瓦里關站開展溫室氣體觀測。該站是WMO/GAW 的 31 個全球大氣本底觀測站之一，也是目前歐亞大陸腹地唯一的大陸型全球本底站。中國的科研人員也在溫室氣體濃度觀測、源匯分析、溫室氣體與全球變暖關系分析、以及未來氣候變化預測等多個方面的科學研究做出了巨大的貢獻。

2019年5月，第一屆中國溫室氣體監(jiān)測研討會在北京召開，約200位科研和技術人員交流介紹了自己的工作。比如利用內蒙古的CO2剖面測量結果，直接觀測到了大氣傳輸和平流層-對流層物質交換（鏈接：平流層：對流層，我的污染，從來與你有關）；對長江三角洲地區(qū)高強度氫氟碳化物排放的研究 （鏈接：氫氟碳化物——同樣危險的“替代品”）；如對珠江三角洲地區(qū)的背景大氣CO2和潛在源區(qū)測量（城市二氧化碳：借我一雙慧眼，讓我把你看透）；通過地基傅里葉變換紅外光譜儀和Picarro光譜儀的測量，首次揭示了香河地區(qū)甲烷的時空分布和垂直分布（甲烷觀測：千萬里，追尋著你）；對近地面臭氧的觀測（對流層臭氧-不可忽視的威脅）；用狗尾巴草監(jiān)測城區(qū)碳排放（城市二氧化碳排放從哪兒來？狗尾巴草告訴你）

以上以及其他亮點工作被《大氣科學進展AAS》，《大氣與海洋科學快報AOSL》，《氣候變化研究英文版ACCR》推出的聯(lián)合專刊《中國大氣溫室氣體測量與應用》收錄（AAS專題“中國大氣溫室氣體測量與應用”正式上線）。

AAS 專題封面:藍天雪山映襯下的就是青海瓦里關中國大氣本底基準觀象臺

人類對溫室氣體的認識是不斷深化的：1861年丁達爾發(fā)現(xiàn)大氣溫室效應是由含量很少的水汽和CO2貢獻的；1896年，阿倫尼烏斯首次定理計算了溫室效應，他提出CO2濃度增加一倍，全球溫度將升高6°C。今天，我們認識到了更多種類溫室氣體，對氣候變化機制的理解也更加深刻，根據(jù)2013年發(fā)布的IPCC第五次評估報告給出的評估結論，CO2濃度增加一倍，全球升溫3℃（±1.5℃）。

大氣中溫室氣體濃度的監(jiān)測也是一項復雜而繁重的工作，它集研究、工程、設備、組織于一體。從100多年前開始粗糙的二氧化碳觀測，到現(xiàn)在的地基、天基、衛(wèi)星一體化的觀測網(wǎng)建立，雖然溫室氣體的監(jiān)測依然存在許多問題和挑戰(zhàn)，但其未來發(fā)展是可期的。