实验室主攻方向及主要成果简介 

    实验室面向大气边界层物理和大气化学学科发展前沿和国家发展需求，坚持观测实验、理论分析和数值模拟相结合，开展关键性、前瞻性的基础和应用基础研究，引领我国大气边界层物理和大气化学学科发展与交叉创新，为社会和经济可持续发展服务，为国家气候和环境外交提供科学支撑。实验室主攻方向及取得的主要成果简述如下：

成果一：大气边界层物理和大气化学联网观测研究
    实验室针对国家和地区经济发展过程中凸显出来的区域环境问题建立了国家尺度的大气边界层物理和大气化学综合观测网，开展了大规模系统联网观测研究，为国家解决环境污染和气候变化等相关问题提供科学技术支撑，尤其在协助中央和北京市解决承办奥运会时遇到的空气污染问题方面起到了不可替代的作用，充分体现了实验室能够面对国家重大需求，承担重大科研任务，解决关键科学问题。长期的学科发展、技术创新和数据积累，使实验室能够在国内外科技合作中起到引领作用，尤其在国家尺度联网观测研究方面成绩突出。以下分7个方面阐述： 
    【1】奥运大气环境联网监测和预警 
    空气污染是北京奥运会、残奥会能否成功举办的关键要素之一。模式模拟显示北京空气质量受到周边地区的影响，但缺乏直接证据，使区域污染源协同控制受到质疑，区域协调面临困难。针对此问题，2007年6月，中科院成立了由6个兄弟研究所联合组成的“北京大气环境观测行动计划”项目组（本室王跃思研究员任首席科学家）。实验室承担并出色完成京津冀区域地面和高塔大气污染联网（共17个站）观测研究，以观测事实证明了北京高浓度大气污染受周边区域排放源的显著影响，从而引起政府部门的高度重视，最终促成“北京市人民政府与中国科学院环境保护合作框架协议”的签订。 2008年奥运期间，实验室的“北京及周边地区大气环境监测和预警研究”项目组继续与兄弟研究所和北京市环保局联合攻关，大量的联网观测研究为奥运会残奥会空气质量全面达标做出了重大贡献，并获得多项政府部门表彰，科研成果也陆续发表。为将临时措施转化为科学合理的环保政策，北京市政府继续斥资2600万实施“北京及近周边区域大气复合污染形成机制及防控措施研究示范”科研项目，实验室在其4个招标项目中，中标两项关键课题（占项目总经费的50%），于2009年6月全面展开站点建设，同年8月全面开通联网观测。观测网覆盖京津冀25万平方公里面积，建立25个地面观测/遥测点,共计31个国际大气环境观测标准子站，使用仪器160台套培养观测技术人员200人次。观测网使用实验室研发的实时远程监控、公共网络交互管理新技术，无须人员职守，所有观测站每一台仪器的运行状态和观测数据可实时显示在1台微机的屏幕上。联网观测研究结果必将为区域空气污染准确预测预警、协同防控措施的制定、执行和效果检验提供基础性科学数据。   
    【2】气溶胶光学厚度联网观测及其卫星比对 
    实验室在本评估期联合国内外24家科研机构，进行了中国地区太阳分光联网观测，首次系统阐述了中国地区气溶胶光学厚度及模态的季节变化，追踪检验了MODIS气溶胶C04-C05产品在中国不同生态地理区域的精度和可靠性，并发现国外卫星对我国大多数区域气溶胶光学厚度测算值偏高。基于此研究已合作发表论文20篇（14篇SCI），培养研究生10余名，培训观测人员200人次。其中辛金元获2009年度“全国优秀博士学位论文”提名奖。在我国环境卫星发展相对落后的情况下，该联网观测对中国地区气溶胶辐射气候效应研究、修正国外卫星遥感反演结果以及推动我国气溶胶空间遥感技术的发展均具有重要意义。
    【3】生态环境气象联网观测研究 
    实验室一直承担着中国生态系统研究网络（CERN）的生态环境气象联网观测研究工作，并按照WMO标准进行标定运行和数据库建设。实验室每年要对40个观测站共计2000余件传感器/仪器进行检修标定，并对近百名观测员轮训。全国太阳辐射联网观测结果显示，我国紫外辐射从东向西逐渐增加（100°E为界），西部由北向南逐渐增加，在东部长江流域最低，且向南向北均逐渐增加，在东北却随纬度增加而减弱。光合有效辐射的分布特征与紫外具有一致性。温度数据显示，近半数CERN生态站观测到气温逐渐升高，但变化趋势亟待长期观测加以确认。评估期实验室已与40个观测站建立了生态环境气象联网观测和数据共享机制，已发表示范性研究论文10篇，对各站共计500人次进行了技术培训，并培 养 博士5人，其中胡波获中科院优秀博士学位论文奖（2008）和“ 全国优秀 博士学位论文（2009）”提名奖，充分体现出实验室在生态环境气象联网观测研究领域的引领作用和服务功能。 
    【4】温室气体联网观测新技术
    温室气体浓度及生态系统-大气界面交换通量观测技术是实验室长期发展的优势学科，特别是生态系统碳、氮温室气体排放的观测技术一直处于国际领先水平。本评估期的新突破是对含氮、含硫温室气体的准确测定技术。从色谱学理论出发，创建了缓冲气技术，彻底解决样品中CO2存在对N2O分析造成隐形干扰这一技术难题，并获国内外同行认可，研究专著已经出版。相关技术已用于LAPC温室气体全国联网观测，申报的国家专利技术广泛应用于复旦大学、同济大学、中国农业大学、南京农业大学等8所大学和中国科学院十多个研究所及德国Karlsruhe气象与气候研究所和澳大利亚有关研究所。本评估期内，国内外科研机构在采用实验室的温室气体观测技术获取的观测结果共发表研究论文66篇，其中SCI文章35篇。采用以上新技术，本评估期开展了农田、草原和林地C、N温室气体排放联网（山西、山东、内蒙和四川等）观测研究，培训观测人员100人次。研究结果用于编制第二个国家温室气体排放清单提交联合国。 
    【5】区域大气本底联网观测研究 
    按照 WMO-GAW的标准，实验室本评估期在全国5个区域本底站成功开展了区域大气本底联网观测研究，内容包括长白山、鼎湖山、贡嘎山、阜康和兴隆站的温室气体（CO2、CH4、N2O、CFC、PFC和SF6）浓度，化学活性气体（地面O3、SO2、CO和NOx）浓度，气溶胶理化特性、光学厚度和粒度谱，以及挥发性有机物（VOCS）浓度等。本评估期，使用实验室多项创新技术对5个区域大气本底站的仪器设备、标定校准和数据传输方式进行了升级改造。初步结果显示，珠江三角洲大气本底（鼎湖山）二次粒子污染严重，细粒子中环境污染元素浓度远高于其他区域，尤其重金属Pb、Cd和As呈现明显富集。基于该联网观测研究，评估期与观测站依托的5个研究所紧密合作，培养研究生10名，培训观测人员50人次，发表相关研究论文15篇；总结精练出一整套大气环境观测技术方法和管理模式，并为实验室培养出一批具有实战经验的技术骨干，为后期承担的系列奥运大气环境联网观测研究项目奠定了科学、技术和管理基础。以此项研究为基础建立的空气中挥发性有机物分析检测技术及烟雾箱反应机理测定技术，被长期应用于我国“神舟”系列飞船乘员舱空气质量检测，为我国航天事业的发展做出了重要贡献。 
    【6】京津冀大气污染沉降通量联网观测 
    为全面掌握京津冀地区大气污染物通过干湿沉降进入陆地和近海生态系统的数量及其作用，按照WMO/GAW标准，实验室建立并运行了京津冀环渤海区域大气污染物沉降通量联网观测，在国内开创了区域尺度降水、降尘中NH4+、NO3-、SO42-等9种水溶性无机盐和Cd、As、Pb、Cr等25种污染元素及苯类物质、有机酸和多环芳烃等有机物的综合观测研究，特别是在国内首次实现了对气态污染物NOx、SO2、O3、NH3和BTEX干沉降的同步观测。研究结果显示，区域大气污染物和营养盐沉降速率具有明显的时空变化，其中氮、硫、PAHs和重金属年沉降总量最高值分别出现在栾城（35 kg hm-2 yr-1）、唐山（170 kg hm-2 yr-1）、塘沽（0.5 kg hm-2 yr-1）和天津（2.7 kg hm-2 yr-1）。观测网运行至今，对10个站共计30余人次进行了技术培训。联网观测研究为国家973项目、中科院知识创新工程重大项目等区域生态环境变化研究提供系统基础研究数据。 
    【7】城市群高塔联网观测 
    在国家杰出青年基金和863课题的资助下，LAPC利用北京325米铁塔和天津255米铁塔及实验室新建立的河北香河100米铁塔及京津冀区域的25个城市地面观测站，开展了城市群大气边界层物理与大气化学联网立体观测研究，旨在认识不同城市下垫面近地层大气污染物“层结”形成的热力学、动力学和光化学机制，揭示超大城市间大气污染物的相互输送规律，并定量城市冠层的物质和能量交换。高塔联网观测研究发现，来自北京西南方向的“老化”气团对京区PM2.5高浓度污染积累有明显贡献；而来自东南方向富含VOCS气团，则对北京夏季午后臭氧高值有极大贡献。烟雾箱乙烯臭氧动力学等实验也证实了烯烃类物质对京津冀区域夏季臭氧高值具有特殊贡献。北京对其偏南区域污染具有过境影响，夏秋季节，周边：北京污染物影响时间比值约为3.5:1。秋季出现高浓度大气污染时，常在50-200m高度常常形成一个稳定的高浓度污染“层结”，造成到达地面紫外辐射衰减5-12%。塔上3层涡度相关测算出北京典型城区化石燃料燃烧排放CO2的通量为21 ± 4 kg m-2 yr-1，高于大多数国内外城市的排放通量。与2007年同期相比，2008年奥运期间北京城市冠层CO2排放通量降低31%。联网研究结果正在为实验室开展的中-欧典型城市群温室气体排放与人体健康研究提供着大量基础性数据。
    实验室在大气边界层物理和大气化学联网观测基础性研究方面共争取到国家、地方和中科院科研课题20项，经费4000万元，发表学术论文110篇，其中SCI(E) 36篇，8篇核心论文他引60次；获国家、地方政府和中科院集体奖5项；个人奖励2项；培养研究生40名；获得或申报国家专利3项，推广应用单位50余个；共为国内外60余家科研单位培训观测技术人员1000人次以上。为研究室、研究所和国内外大量科研单位承担的相关研究课题提供了强有力的科学、技术与人才支撑。

成果二：大气边界层实验、理论与参数化研究
    大气边界层处于地球系统各圈层及人类社会交叉影响的交汇点，它是人类各种活动的主要空间和生物圈、水圈和大气之间相互作用的主要层次。天气及气候模式中大气边界层物理过程参数化方案的改进是提高其模拟性能的关键科学问题之一，同时也是当前大气科学研究的基础前沿问题。全球变化（气候变化、生态环境变化、水资源利用）以及可再生能源（风能、太阳能）开发利用等领域都离不开大气边界层。本实验室自建立以来，一直将大气边界层的基本理论研究作为重点主攻方向，并进行了长期坚持不懈的探索。主要创新性成果简述如下：
    【1】不同下垫面的大气边界层观测实验研究的重要发现
    为了揭示真实下垫面条件下大气边界层特征和规律，发展大气边界层理论，并为模式发展提供基础性支持，利用铁塔、汽艇、雷达、飞机和卫星遥感等手段，在我国五种典型地表开展了有针对性的综合观测实验，即半干旱地区草原下垫面（吉林通榆、锡林浩特），水陆不均匀下垫面（白洋淀），湿地和农田（黑龙江三江、香河等），城市（北京），山地（青藏高原）。上述实验获得了区别于传统水平均匀下垫面边界层的新发现，并积累了大量宝贵的观测资料。例如在青藏高原的观测，揭示了以喜马拉雅山区为代表的青藏高原大型山地“山谷风”和“冰川风”环流的耦合机理。该环流明显有别于传统山地气象学理论以及世界其它山地中的观测结果，耦合环流系统的物质输送能力远远大于过去学术界的传统认识，表明了以喜马拉雅山区为代表的青藏高原大型山地中以局地环流为媒介的低层大气与自由大气间的物质交换过程的重要性。三江平原的涡动相关观测结果表明：沼泽湿地开垦种植水稻导致潜热通量升高，感热通量降低，这种影响与降水无关；但湿地开垦种植大豆导致少雨年份的潜热通量低于湿地，降水充沛年份则高于湿地，感热通量的变化与潜热通量相反。
    【2】大气边界层结构和大气湍流的基础研究取得重要进展
    发现了阵风在大边界层物质交换中的重要作用，提出自然界阵风产生的机制不仅有剧烈天气的外部动力作用原因，同时也是边界层湍流内部自组织结构发展的结果。指出自组织相干结构的存在，也可能目前备受关注的地表能量不平衡现象产生的原因之一。发展了一个利用频谱和混沌时间序列突变点检测理论来提取阵风信号的方法，基于对阵风机理的深入认识，提出了一个新的阵风扰动参数化方案，导出了新的地表摩擦速度理论公式，并以此改进了空气质量模式中的起沙和扬沙过程模拟。
发现了台风、寒潮大风、沙尘暴过程和一般平稳天气大边界层湍流结构完全具有相同的概率密度分布型，即具有稳定分布和标度律，这一结果为强天气条件下大气边界层湍流的理论建模和参数化提供了科学参考。在边界层结构研究方面，我们还给出了两层大气模式中滚轴涡漩（大气中一种重要的有组织结构）的解析解，揭示出下层不稳定层结对流活动与上层稳定层结中重力波的相互作用是滚轴涡漩形成的可能机制之一。
    【3】改进了气候模式的湍流通量参数化方案
    发展了一种新的土壤温度算法，该算法考虑了土壤水分垂直运动对地表温度的影响，并由此改进了陆面过程模式广为使用的土壤温度诊断方法，即强迫恢复法。多种观测资料的验证表明，改进后的强迫恢复方法更好地模拟了土壤温度。
发展了一个可以直接嵌套于气候模式的海面湍流通量参数化方案。将该湍流通量参数化方案耦合到气候模式CAM3中，不仅使得CAM3给出了更为精确的模拟结果，而且提高了CAM3的模拟时效。
    以上成果在“边界层气象”（BLM）、“地球物理研究”(JGR)、“地球物理通讯”（GRL）、中国科学、科学通报和大气科学等国内外重要刊物共发表论文80余篇，其中SCI（E）论文38篇。   

成果三：大气化学过程与气候变化的相互作用模拟研究
    大气中长寿命温室气体、臭氧和气溶胶是导致气候变化的主要人为因子。对流层臭氧和气溶胶也是大气中的主要污染物，因而是空气污染研究与治理的主要对象。传统上大气化学过程和气候变化模拟研究各自独立进行，但由于它们在考虑大气成分排放、化学反应、传输和沉降上有许多共性，而且还在中长期影响评估和应对措施制定方面相互依赖，因此大气化学与气候变化的耦合模拟成为当前国际大气化学研究的最新方向，也是更好地模拟大气化学过程和气候变化的关键。鉴于此，实验室将大气化学过程与气候变化的相互作用模拟作为一个重要研究方向，并于2006年通过“百人计划”引进廖宏研究员，大力加强了这个方面的研究，并取得了一系列突出成果。主要创新成果简述如下：
    【1】定量评估了污染物对全球和中国气候变化的影响（污染物气候变化）
    基于中国区域污染物浓度和光学厚度的观测，采用大气化学-气溶胶-气候耦合模式CACTUS模拟了1951-2000年间温室气体、臭氧和不同气溶胶组分的气候效应，并比较分析了它们的异同。发现：气溶胶和温室气体在1951-2000年东亚(100-130ºE, 20-50ºN)气候变化中所起作用量级相当；人为大气污染物对我国区域气候影响远大于对全球平均尺度的影响。
    【2】揭示了气候变化对污染物浓度和分布的影响（污染物气候变化）
    a)利用再分析气象场驱动全球化学传输模式GEOS-Chem的模拟研究发现：季风强弱相关的湿沉降和季风跨赤道气流对中国气溶胶的年际变化有着决定性作用；在排放源强不变的情况下，弱季风年1998年的中国东部气溶胶浓度比强季风年2002年高45%。该发现表明，中国过去数十年的夏季风减弱起着增加东亚气溶胶浓度的作用。
    b)采用CACTUS模式和IPCC A2情景，发现气候变暖加剧人口密集地区的空气污染，并揭示其主要原因为：气候增暖减慢大气传输, 导致污染物聚集在排放源附近；气溶胶直接辐射强迫减弱对流(减小边界层厚度)，减少降雨(污染物湿沉降), 形成气溶胶局地气候效应和污染物浓度间的正反馈；温度增高时, 植被排放的碳氢化合物增加，有利于对流层臭氧形成。
    【3】揭示了污染物与气候变化相互作用对污染物浓度分布和气候的影响 （污染物气候变化）
    定量评估并从机理上揭示了考虑大气化学过程与气候变化的耦合在大气环流模式模拟污染物浓度和气候变化中的重要性。模拟研究发现：对于未来臭氧模拟，必须要考虑温室气体导致的气候变化；对于未来气溶胶模拟，除考虑未来温室气体导致的气候变化外，还必须要考虑气溶胶自身对气候变化的影响与反馈；相对于非耦合模拟的气候，耦合模拟的未来全球平均地表温度高出7%，区域地表温度相差高达20-50%。
    【4】 研制了中国科学院地球气候系统模式的大气化学-气溶胶模块和海洋碳循环模块
    为中国科学院地球气候系统模式（负责人是本实验室的曾庆存院士）研制了大气化学-气溶胶模块和海洋碳循环模块。大气化学-气溶胶模块中的生物源二次有机气溶胶模拟直接瞄准国际领域研究前沿与热点，其模拟方案直接被美国哈佛大学管理的著名全球化学传输模式GEOS-Chem采用。相关论文Liao et al.（2007)已被SCI他引26次。
    实验室廖宏研究员受邀在2007年AGU秋季年会和2009年“Hemispheric Transport of Air Pollutants (HTAP)”和“Atmospheric Chemistry & Climate (AC&C)”联合大会上作主题报告。廖宏是国际WCRP-SPARC-IGBP-IGAC 2007年联合启动的“AC&C” 研究计划的国际指导委员会委员，以及IPCC第一和第二工作组特邀模式专家，并受邀作为UNEP2010年“Assessment of the climate and air quality impacts of black carbon and tropospheric ozone”报告科学基础部分的主笔之一。

成果四：陆地生态系统与大气间碳氮交换研究
    陆地生态系统通过排放/吸收主要温室气体二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）直接影响全球气候，气候变化也对陆地生态系统的碳氮过程产生反馈效应。为了应对气候变化，联合国《全球气候变化框架公约》要求各缔约国定期提交国家温室气体排放清单，并采取有效的温室气体减排行动。实验室面向领域科学前沿和国家紧迫需求，在陆地生态系统温室气体排放/吸收的过程、机理、清单编制方法（模型）及调控原理与途径等方面取得了重要研究成果。
    【1】陆地碳氮生物地球化学过程模型的研制取得重要进展
    研制可与气候模式耦合的陆地碳氮生物地球化学过程模型，是实验室一项长期而艰巨的任务。依据实验室的长期观测与机理研究，在建模方法和模型参数化等方面取得重要进展。评估期内研制了农田碳收支子模型(Agro-C)和湿地CH4排放子模型(CH4MODwetland)，发展了稻田CH4排放子模型(CH4MOD 2.0)和氮循环子模型(IAP-N)。Agro-C通过了全国不同区域农田的大样本观测数据验证，可用于模拟作物净初级生产力、土壤有机碳变化和CO2净交换。CH4MODwetland用于模拟自然湿地的CH4产生、转化与排放过程，对中国、美国和加拿大野外观测数据的验证结果表明，其模拟自然湿地CH4排放的效果优于国际同类模型Wetland-DNDC （前者的模拟效率为0.79，后者为0.30）。CH4MOD 2.0比上个评估期研制的1.0版本新增了模拟大气CO2升高影响稻田CH4排放的功能，并通过了中国和日本稻田自由大气CO2升高试验（FACE）数据的验证。本评估期发展的新版IAP-N子模型不仅可模拟区域不同来源的N2O排放、活性氮源与汇及氮库间的流通量，还可模拟农田的逐日N2O排放。Agro-C、CH4MOD 2.0和IAP-N子模型正被用于编制我国政府提交联合国的国家农田温室气体（CO2、CH4、N2O）排放清单。
    【2】典型陆地生态系统温室气体排放过程与规律研究取得多项新发现
    a）揭示了中国农田的碳汇功能，其汇强度为16-28 Tg C yr-1，相当于抵消我国能源活动温室气体年排放量的2-3%，此结果被作为中国陆地碳收支的一部分发表于Nature，纠正了国际学术界关于“中国农田是重要碳排放源”的不正确认识。
    b) 发现湿地开垦可显著削减全部温室气体排放量总和的21-33%，并阐明其原因是湿地开垦停止（垦为旱地）或减少（垦为稻田）的CH4排放量超过了CO2和N2O排放增加量。
    c) 发现秸秆还田可使水-旱轮作农田的N2O排放降低30-60%，并提出了秸秆碳氮比调节机制来阐明这一显著削减效应。
    d) 发现过度放牧可导致半干旱草原的CH4汇功能削弱近50%，并提出了放牧促进土壤水分蒸发和土壤压实这两个过程的协同作用机制来阐明此削弱效应。
    e) 过去普遍认为，氮沉降增加削弱森林对大气CH4的吸收，原因是CH4氧化微生物多“食”氮而少“食”CH4。本实验室的研究却发现了大气氮沉降增加抑制森林吸收CH4的乙烯途径机制，即氮沉降促进植物生长和乙烯产生，从而导致CH4氧化微生物因多“食”乙烯而“少”食CH4。该新机制也为“森林对大气CH4的吸收为何在亚表层土壤中最强”这个长期困扰学术界的难题提供了答案。
    以上成果共发表实验室为第一单位的论文49篇，其中SCI（E）38篇，专著1部；登记软件著作权3份。徐星凯2006年被聘为SCI期刊《African Journal of Agricultural Research》的编委；黄耀2008年被分别聘为国际著名SCI期刊《Agricultural and Forest Meteorology》和《Agriculture, Ecosystems & Environment》的编委，并于2009年被聘为美国Auburn 大学客座教授。研制的模型被政府间气候变化专门委员会（IPCC）的国家温室气体排放清单编制指南推荐为最优方法。

成果五：空气质量多模式集合预报系统研制与应用
    我国城市群区域大气复合污染日益严重。区域模拟和预测技术的研发，对于揭示城市群大气污染形成机制，推动区域空气质量预测和预报，实施区域大气污染调控与防治等具有重要意义。区域空气质量预测、预报理论及其建模研究，涉及气象、数学、物理、化学、生态、计算机等诸多学科，是大气环境科学的重大前沿课题之一，也是实验室贯穿 “九五” 、“十五”、“十一五”的重点研究项目。空气质量多模式集合预报技术与方法是提高空气质量预报准确率的有效途径，国外关于区域空气质量预报，特别是多污染物的集合预报工作也刚起步。5年来，在国家“973”项目、“863”重大项目、国家自然科学基金重点项目、中国科学院“知识创新工程”和奥运空气质量保障项目等支持下，实验室通过自主研发和系统集成，建立了污染物来源的模式解析与过程跟踪技术与大气化学资料同化系统，研制嵌套网格空气质量预报模式 (NAQPMS)，特别是率先研制了具有自主知识产权的高准确度空气质量多模式集合预报系统，实现了我国在大气化学模式研制及区域空气质量集合预报技术上的跨越式发展，为北京奥运会、上海世博会等国家大型活动提供了坚实的科技支撑，已被北京、上海等环保局选定为空气质量数值预报的业务系统。主要创新性成果简述如下：
    【1】自主研制了嵌套网格空气质量模式（NAQPMS）
    区域空气质量模式的研制是大气复合污染模拟预测技术开发的核心与关键。实验室发起和参加了多个模式比较计划，并结合我国城市群大气复合污染的排放、输送、演变特点，自主研制了代码规范、具有自主知识产权的嵌套网格空气质量模式NAQPMS (图1)。该模式包括动态污染源、平流扩散、干湿沉降、气溶胶过程和大气化学反应模块，以及动态污染源、气象、资料同化等模块，并纳入了模式共性技术(污染来源与过程跟踪技术、敏感性分析技术、反向模拟技术等)。突出特点如下：
    a）更新了化学反应机制，模拟的化学物种从过去的34种增加到71种，化学反应由81个增加到134个，适用于背景地区、城市、远郊及海洋上空大气质量模拟。探究了天气系统对化学过程中起关键作用的自由基及其重要前体物 (HONO、HCHO、O3)的影响，有效改进了臭氧、氮氧化物、VOC等光化反应物种的模拟效果。
    b）发展了独特的污染来源模式解析与过程跟踪技术，通过一次模拟即可获得各地区、不同类型排放源对目标区污染物浓度的贡献以及各地区之间相互输送量，明显优于传统的排放源关闭法，既克服了非线性问题，又可大量节省计算资源。此方法在北京奥运空气质量和广州亚运空气质量保障方案制定中发挥了重要作用，及时高效地确定了重点控制区和污染源。
    c）研制了以集合卡尔曼滤波为主，并考虑最优插值、四维变分同化的大气化学资料同化系统。沙尘集合卡尔曼滤波同化系统的建立有效提高了沙尘模拟预报。
    d）发展了卫星资料模式参数处理技术和城市冠层模式，提高了城市下垫面和复杂山区的大气边界层模拟能力。建立了基于立体观测（地面站点观测、地基遥感、航测、卫星遥感）的模式系统检验和不确定性分析方法, 优选了模式系统过程参数化方案。
    【2】率先研制了空气质量多模式集合预报系统（EMS）
    实验室发起和参与了多个国际模式比较计划，发展了多模式集成预报理论与技术，以自主开发的NAQPMS模式为核心，集成美国EPA的Models-3/CMAQ及Environ公司CAMx等多个国际主流模式，率先研制出具有自主知识产权的嵌入资料同化系统的区域大气复合污染模拟与预测多模式集成系统（EMS），实现了我国空气质量集合预报技术的跨越式发展。系统的主要优势如下：
    a）采用统一模拟区域设置、统一污染物排放清单及处理过程，统一的气象场驱动，利用并行计算技术和自动化运行等作业管理技术，有效保障了实时预报系统的时效性和稳定性。
    b）研制了适合模式系统特点的集合扰动方法，构建最能代表模式不确定性的最优扰动组合，使集合预报能最大限度的反应模式预报的不确定性。
    c）研制了基于随机动力预报方法、滞后平均预报法、增长模繁殖法和奇异矢量法的集合预报技术，发展了集合平均、权重预报、半经验集合预报、神经网络集成及集合卡尔曼滤波资料同化等集成方法，减少了单个模式模拟的不确定性，有效提升了多模式集合预报效果，使我国空气质量预报水平上了新台阶。
    【3】多模式集合预报系统的应用研究及推广
    北京市环境保护监测中心选定EMS作为北京市奥运空气质量业务预报系统，从2008年3月投入业务运行至今，运行稳定，结果可靠，准确预报了奥运北京空气质量及其演变趋势，有效支持了北京奥运大气环境治理与控制，并继续为后奥运时期北京空气质量业务预报发挥着重要作用。由于此系统在奥运中表现出色，为我国赢得了广泛的国际赞誉，在国内外引起强烈反响，一年内即被上海、广州等环保局选定为业务预报系统，为上海世博会及广州亚运空气质量保障提供科技支撑。