李明麗

行穩(wěn)致遠(yuǎn)：聚焦陸-氣交換作用

近30年來，與我國高速的城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)增長相伴隨的，是土地利用的劇烈變化和污染排放的快速增長，大氣污染成為政府、公眾及國際社會(huì)廣泛關(guān)注的重大環(huán)境問題。如何實(shí)現(xiàn)精確預(yù)測預(yù)報(bào)空氣污染，是目前我國大氣環(huán)境研究亟待解決的難題。

區(qū)域空氣質(zhì)量模式是用來研究大氣污染形成機(jī)制、輸送轉(zhuǎn)化、預(yù)報(bào)預(yù)警和對策評估的重要科學(xué)工具。區(qū)域空氣質(zhì)量模式是由氣象過程、源排放過程、陸面過程和大氣化學(xué)過程構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。近年來空氣質(zhì)量模式的研究取得長足進(jìn)展，但是對各過程之間相互作用的研究還十分缺乏。尤其是在我國城鎮(zhèn)化的驅(qū)動(dòng)下，影響大氣環(huán)境的諸過程發(fā)生深刻而快速的改變，這些過程的相互關(guān)聯(lián)及其演變對大氣環(huán)境的影響尚不明晰，導(dǎo)致模式模擬結(jié)果與實(shí)際觀測之間存在很大差距。

陸地-大氣之間的相互作用是一個(gè)關(guān)鍵過程，控制著大氣圈、地表及生態(tài)圈之間的物質(zhì)、能量和動(dòng)量傳輸。精確量化陸氣交換過程是提高空氣質(zhì)量模式模擬性能的有效手段之一，是國內(nèi)外大氣環(huán)境科學(xué)研究的科學(xué)前沿。針對這一問題，暨南大學(xué)環(huán)境與氣候研究院教授王雪梅組建了空氣質(zhì)量與氣候相互作用數(shù)值模擬團(tuán)隊(duì)，研究方向?yàn)槎喑叨却髿猸h(huán)境及其與氣候相互作用數(shù)值模擬，通過提高區(qū)域-城市大氣環(huán)境與氣候變化相互作用數(shù)值模式的準(zhǔn)確性，為地方服務(wù)和空氣質(zhì)量改善提供科學(xué)決策支持。

基礎(chǔ)理論探索：大氣排放-沉降之間的響應(yīng)關(guān)系

在陸氣交換的研究領(lǐng)域，大氣排放-沉降間的響應(yīng)關(guān)系是認(rèn)識(shí)表層地球系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的科學(xué)基礎(chǔ)，深入理解排放-沉降響應(yīng)關(guān)系對于區(qū)域大氣污染防控和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。盡管從全球尺度來看二者之間應(yīng)為線性響應(yīng)關(guān)系，但在區(qū)域尺度由于存在復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)引起的滯后效應(yīng)等干擾，大氣污染物排放-沉降之間往往呈現(xiàn)非線性響應(yīng)關(guān)系，這是精細(xì)化區(qū)域空氣質(zhì)量模式研發(fā)中亟待解決的基礎(chǔ)科學(xué)問題。

針對這一問題，王雪梅作為首席科學(xué)家，承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“影響區(qū)域排放與沉降響應(yīng)的關(guān)鍵大氣過程”，并組建了一支包括暨南大學(xué)、北京大學(xué)、南京大學(xué)、天津大學(xué)、中國科學(xué)院大氣物理所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中山大學(xué)等知名高校和科研院所在內(nèi)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。這是國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃大氣專項(xiàng)中唯一一個(gè)將大氣-地表過程聯(lián)系起來的項(xiàng)目，該項(xiàng)目以提升區(qū)域排放-沉降響應(yīng)關(guān)系的定量化水平為科學(xué)目標(biāo)，立足我國東部，實(shí)現(xiàn)干沉降和云霧清除機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題的突破，評估大氣污染物的區(qū)域排放-沉降響應(yīng)關(guān)系及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

為了獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目首先從觀測出發(fā)，搭建了邊界層和冠層的氣象-污染物干沉降通量及速率高頻同步觀測系統(tǒng)，制訂了典型氣態(tài)污染物和顆粒物干沉降觀測技術(shù)規(guī)范;建立了適用于山帽云和輻射霧研究的云霧過程在線綜合觀測平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對云霧過程中反應(yīng)性氣體、顆粒物、云霧滴的物理特性和化學(xué)組成的高時(shí)間分辨率連續(xù)觀測，彌補(bǔ)了以往觀測只針對霧間顆粒物和氣態(tài)成分、缺乏關(guān)鍵多相過程解析的不足。經(jīng)過近4年的研究，項(xiàng)目組基于各類觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建了我國大氣氮沉降過去近40年的長期序列數(shù)據(jù)集，厘清全國排放-沉降演變趨勢，發(fā)現(xiàn)我國大氣氮沉降已越過不斷攀升的“歷史峰值期”，進(jìn)入“趨于穩(wěn)定，逐漸下降”的轉(zhuǎn)型期。結(jié)合觀測和模式，他們構(gòu)建了影響排放-沉降響應(yīng)關(guān)系的過程量化體系;基于數(shù)值模擬和“質(zhì)心遷移”法，初步厘清了氮排放-沉降收支平衡，發(fā)現(xiàn)70%的總氮排放以沉降形式回到地表，域內(nèi)總氮沉降的40%～50%來自本地排放的貢獻(xiàn)。結(jié)合沉降模擬和臨界負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前全國約16%的國土面積面臨氮沉降超臨界負(fù)荷的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。目前，這一項(xiàng)目進(jìn)展順利，培養(yǎng)了多名年輕的學(xué)術(shù)帶頭人，共4人次獲得“優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目”“青年拔尖人才支持計(jì)劃”等項(xiàng)目資助;此外，王雪梅還作為召集人組織討論和編制新增了2020年度國家自然科學(xué)基金委大氣科學(xué)學(xué)科“生態(tài)氣象”（D0507）分支學(xué)科代碼，推動(dòng)生態(tài)氣象學(xué)學(xué)科發(fā)展。

把論文寫在祖國大地上：從科學(xué)理論到應(yīng)用

在科學(xué)理論探索的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)還在污染防控實(shí)踐中檢驗(yàn)和應(yīng)用新理論和新方法。在國際上，團(tuán)隊(duì)發(fā)展的多層冠層模式已納入最新的全球天然源排放模式MEGAN-v2.1，被世界主流的空氣質(zhì)量模式采用，全球至少50個(gè)國家超過500個(gè)研究機(jī)構(gòu)使用。在國內(nèi)，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用改進(jìn)的空氣質(zhì)量模式為廣州市環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)規(guī)劃研究、粵港空氣質(zhì)素研究、珠三角聯(lián)防聯(lián)控研究等提供了重要的科學(xué)支撐。此外，王雪梅還受聘擔(dān)任2010年第16屆亞運(yùn)會(huì)空氣質(zhì)量保障會(huì)商專家，將團(tuán)隊(duì)建立的珠三角高時(shí)空分辨率天然源揮發(fā)性有機(jī)物排放清單、改進(jìn)的高分辨率大氣-陸面耦合的空氣質(zhì)量模式及城鎮(zhèn)化對大氣環(huán)境的影響等方面的研究成果直接應(yīng)用于亞運(yùn)會(huì)。作為深圳2011年世界大學(xué)生夏季運(yùn)動(dòng)會(huì)空氣質(zhì)量保障項(xiàng)目的主要負(fù)責(zé)人，王雪梅參與了空氣質(zhì)量保障方案的制訂，還因此獲得了2012年廣東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，王雪梅還作為廣東省生態(tài)環(huán)境廳環(huán)境咨詢專家委員會(huì)委員，開展廣東省城市大氣環(huán)境改善的科技幫扶工作，在實(shí)踐中建立起應(yīng)對空氣污染的科技服務(wù)新模式，為東莞、湛江、茂名等地大氣污染治理提供幫扶指導(dǎo)和科學(xué)決策支持。團(tuán)隊(duì)根據(jù)歷史空氣質(zhì)量和氣象數(shù)據(jù)以及年度目標(biāo)，結(jié)合污染季節(jié)性變化特征，制訂全年空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)路徑規(guī)劃并建立“科學(xué)閉環(huán)”和“行動(dòng)閉環(huán)”的“雙閉環(huán)”工作模式，保障大氣污染防治工作開展，推動(dòng)長效與應(yīng)急措施落實(shí)執(zhí)行，跟蹤評估管控成效。

“科學(xué)閉環(huán)”包含預(yù)測研判、減排方案、措施制定、落地跟蹤、綜合評估。團(tuán)隊(duì)通過空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和減排情景設(shè)計(jì)，提前研判重點(diǎn)時(shí)段污染物演變形勢;結(jié)合長期演變形勢，探討和編制有效的長效減排方案;結(jié)合短期（48小時(shí)內(nèi)）演變形勢，制訂及篩選具體應(yīng)急管控措施。對長效減排方案和應(yīng)急管控措施的落地情況實(shí)時(shí)跟蹤并反饋，完成減排潛力計(jì)算、清單減排效果評估、措施效果評估等綜合評估，通過綜合評估分析研判階段性工作重點(diǎn)，進(jìn)一步調(diào)整減排方向，提高預(yù)測研判的準(zhǔn)確性和可行性?！靶袆?dòng)閉環(huán)”在于通過確立攻堅(jiān)方案，設(shè)立組織架構(gòu)，明確行動(dòng)方案，構(gòu)建運(yùn)行機(jī)制和推動(dòng)績效考核管理。在“科學(xué)閉環(huán)”的綜合評估和研判分析導(dǎo)向下，明確當(dāng)前目標(biāo)形勢和工作重點(diǎn)，制訂以月為單位的科學(xué)攻堅(jiān)行動(dòng)方案，同時(shí)依據(jù)自上而下的組織架構(gòu)，通過周會(huì)商、日常任務(wù)和“戰(zhàn)時(shí)”會(huì)商，建立日常穩(wěn)定運(yùn)行的工作機(jī)制及攻堅(jiān)戰(zhàn)時(shí)運(yùn)營機(jī)制。對執(zhí)行長效減排方案和應(yīng)急管控措施過程中發(fā)現(xiàn)的問題和落地情況進(jìn)行反饋，形成以月為單位的后評估方案，通過調(diào)度會(huì)進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。兩環(huán)相扣，形成從“一經(jīng)發(fā)現(xiàn)問題”到“動(dòng)態(tài)評估反饋”最終“快速解決問題”的正向循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)“優(yōu)良天達(dá)標(biāo)”和“臭氧改善”兩大大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)目標(biāo)的勝利。在“雙閉環(huán)”理論體系的指導(dǎo)下，同比2019年，2020年東莞空氣質(zhì)量改善率位列全國第二。

跨尺度耦合：打造復(fù)合型研究隊(duì)伍

為了厘清大氣污染物與天氣氣候的雙向反饋機(jī)制，王雪梅打造了一支耦合城市尺度-區(qū)域尺度-全球尺度的復(fù)合型研究隊(duì)伍，研究對象（污染物-天氣-氣候）跨越了從城市-街區(qū)（秒級、米級）、區(qū)域（分鐘級、公里級）到氣候（小時(shí)級、百公里級）的多維時(shí)空尺度。團(tuán)隊(duì)目前共有教授3人、副教授及副研究員5人、助理研究員1人、博士后4人、在讀研究生30余人;團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國家和省部級項(xiàng)目20余項(xiàng)。王雪梅目前擔(dān)任未來地球計(jì)劃（Future Earth）“陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣過程綜合研究”（iLEAPs）科學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員、美國城市氣象委員會(huì)理事等學(xué)術(shù)職務(wù)，以及大氣環(huán)境主流SCI期刊AE、AAQR、APJAS、Urban Climate編委。

在城市尺度上，團(tuán)隊(duì)圍繞中-小尺度熱動(dòng)力過程指導(dǎo)城市應(yīng)對大氣環(huán)境和氣候變化，探索如何最有效地將真實(shí)的科學(xué)認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為城市應(yīng)對大氣環(huán)境和氣候變化的工具，發(fā)展了精細(xì)城市結(jié)構(gòu)和排放獲取方法體系，建構(gòu)了精細(xì)化的城市下墊面和城市結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，解決精細(xì)城市建筑形態(tài)參數(shù)化的難題。在區(qū)域尺度上，團(tuán)隊(duì)針對“如何精細(xì)刻畫陸-氣交換關(guān)鍵過程和準(zhǔn)確量化其對大氣環(huán)境的影響”這一關(guān)鍵科學(xué)問題，對排放、二次生成、輸送、沉降等陸氣交換過程中的重要環(huán)節(jié)開展創(chuàng)新研究：大幅提升土壤NO排放模擬準(zhǔn)確度，揭示人為活動(dòng)對地球氮循環(huán)影響需要重新審視;開創(chuàng)性發(fā)展網(wǎng)格化人為源半揮發(fā)性有機(jī)物（S/IVOCs）排放清單，解決了細(xì)顆粒物二次組分模擬和觀測存在量級差異的難題;引入光合作用葉片氮影響機(jī)制、氣孔導(dǎo)度CO2補(bǔ)償機(jī)制等過程，提升森林冠層中陸-氣能量和物質(zhì)交換的模擬能力，從而實(shí)現(xiàn)陸-氣交換關(guān)鍵過程對大氣環(huán)境影響的準(zhǔn)確評估。在全球尺度上，團(tuán)隊(duì)探索區(qū)域污染或者區(qū)域性減排如何影響區(qū)域乃至全球氣候，為此引入了美國大氣研究中心開發(fā)的氣候模式（CESM），開展了包括對流層和平流層的全大氣層污染物的時(shí)空分布研究：探究了對流層污染物進(jìn)入平流層的典型輸送管道，發(fā)現(xiàn)污染物可以通過對流傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)入平流層，進(jìn)而迅速在全球中擴(kuò)散的傳輸機(jī)制;發(fā)現(xiàn)了深對流對氣溶膠的輸送和清除效應(yīng)，表明了全球尺度上深對流通過云上活化的物理機(jī)制可以有效清除氣溶膠等污染物質(zhì)，從而定量評估區(qū)域污染與氣候的雙向反饋效應(yīng)。

為開闊視野，接受世界前沿的知識(shí)，團(tuán)隊(duì)還開展了深入的國際合作，與全球氣候變化研究權(quán)威專家Guy Brasseur教授、美國加州大學(xué)爾灣分校大氣和生態(tài)系統(tǒng)研究國際學(xué)術(shù)帶頭人Alex Guenther教授、著名大氣環(huán)境科學(xué)家和數(shù)值模擬專家Gregory Carmichael教授等專家學(xué)者保持長期的合作關(guān)系。作為中方負(fù)責(zé)人，王雪梅還參與主持了歐盟第七框架計(jì)劃PANDA項(xiàng)目和挪中高分辨率空氣質(zhì)量信息系統(tǒng)與對策研究合作項(xiàng)目，結(jié)合中國和歐洲衛(wèi)星遙感和地面觀測數(shù)據(jù)，開發(fā)了一個(gè)全球及區(qū)域尺度的空氣污染分析與預(yù)報(bào)聯(lián)合評估系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了城市污染源的快速診斷。

展望未來，運(yùn)用“雙閉環(huán)”打法，關(guān)注碳達(dá)峰和碳中和的國家需求，王雪梅計(jì)劃將團(tuán)隊(duì)的研究向更深、更廣處拓展?？諝赓|(zhì)量與氣候變化有怎樣的關(guān)系？碳減排跟空氣質(zhì)量改善有怎樣的協(xié)同效應(yīng)？如何把包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)在內(nèi)的多維尺度放到模式系統(tǒng)中？這些都是團(tuán)隊(duì)未來關(guān)注的科學(xué)問題。團(tuán)隊(duì)將依托粵港澳環(huán)境質(zhì)量協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、中澳空氣質(zhì)量科學(xué)與管理國際聯(lián)合研究中心、廣州區(qū)域低碳經(jīng)濟(jì)研究基地等省級科研平臺(tái)，保持對陸-氣交換關(guān)鍵過程精細(xì)刻畫和準(zhǔn)確量化的優(yōu)勢，發(fā)揮融合了城市尺度、區(qū)域尺度和全球尺度數(shù)值模擬能力的特色，整合大氣環(huán)境數(shù)值模式-經(jīng)濟(jì)損益核算模式，圍繞提升氣候變化與大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)以及碳中和情景下、多尺度的自然-社會(huì)效益預(yù)測評估能力深入開展系列前沿的科研工作。