劉玉杰

在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中，“區(qū)域大氣復(fù)合污染防治”被列為環(huán)境領(lǐng)域的優(yōu)先主題。而早在2010年，區(qū)域性的大氣灰霾和光化學(xué)煙霧就作為防治的重點(diǎn)，被列入了國務(wù)院《關(guān)于推進(jìn)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作改善區(qū)域空氣質(zhì)量的指導(dǎo)意見》中。

由于我國長期缺乏自主研發(fā)的數(shù)值模式，重污染的預(yù)警、預(yù)報(bào)和溯源一直在區(qū)域大氣復(fù)合污染防治中面臨尷尬，傳統(tǒng)的模式更存在著機(jī)制有缺陷、預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確等問題?！坝詈絾T在太空中可以根據(jù)物理知識(shí)構(gòu)建一個(gè)模擬倉，但大氣污染的研究卻做不到，灰霾和臭氧的研究在大氣科學(xué)的分支中更加復(fù)雜。”中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師李杰說。

近年來，李杰和他所在的中國科學(xué)院大氣物理研究所團(tuán)隊(duì)，在團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的空氣質(zhì)量模式NAQPMS基礎(chǔ)上，突破重污染形成機(jī)制的數(shù)值表征難題，以京津冀地區(qū)為研究對(duì)象，研發(fā)出我國氣溶膠重污染預(yù)報(bào)模式——重污染數(shù)值模式NAQPMS，提高了重污染預(yù)報(bào)效果。如今，這一模式已成為中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站和3大區(qū)域預(yù)報(bào)中心的核心業(yè)務(wù)模式，為我國區(qū)域重污染紅色預(yù)警提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，有效提高了我國城市空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)水平。

22年的時(shí)間里，李杰深耕于中國大氣物理和大氣環(huán)境研究領(lǐng)域，不僅在重污染預(yù)報(bào)的數(shù)值模式中完成了自主創(chuàng)新，率先發(fā)展二次污染物動(dòng)態(tài)溯源新方法，解決了污染輸送量評(píng)估難題，更致力于將中國自主研發(fā)的數(shù)值模式向“一帶一路”沿線國家推廣。他希望，未來在提高污染預(yù)警預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上，能夠致力于研究中國與世界的污染輸送難題。

中國自主的重污染預(yù)警數(shù)值模式

長期以來，發(fā)展能夠合理模擬預(yù)報(bào)區(qū)域空氣質(zhì)量的數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重污染事件的預(yù)報(bào)預(yù)警，既是國際大氣環(huán)境研究領(lǐng)域最關(guān)注的前沿科學(xué)問題，也是制訂重污染應(yīng)急預(yù)案的科學(xué)基礎(chǔ)。

對(duì)研究者來說，已形成的污染必須追溯和了解到其來源，才能有針對(duì)性地進(jìn)行有效控制。而大氣學(xué)科有著不可重復(fù)性和復(fù)雜性的特征，已經(jīng)發(fā)生的污染天氣已經(jīng)過去，且大氣污染的形成中，所有因素幾乎都在同時(shí)起作用，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研究無法針對(duì)大氣污染構(gòu)建一個(gè)準(zhǔn)確的模擬環(huán)境。

在李杰看來，采用數(shù)值模擬的手段，即可以利用氣象學(xué)、數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)的跨學(xué)科手段，通過建模，以一個(gè)合理水平再現(xiàn)污染的形成過程，讓各方面因素同時(shí)起作用;其次，數(shù)值模擬的方式，還可以較好地對(duì)污染天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)，解決了以往只能依靠經(jīng)驗(yàn)判斷或統(tǒng)計(jì)學(xué)研究的方式;數(shù)值模式的發(fā)展，也對(duì)大氣污染的成因提供了有效的分析手段，可以量化每一個(gè)因素對(duì)污染的形成有多大作用，分析污染的成因、來源、影響。

中國科學(xué)院大氣物理研究所的課題組，從20世紀(jì)90年代開始，就一直在研究數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)與模式。然而，研究表明，當(dāng)前國內(nèi)外空氣質(zhì)量數(shù)值模式對(duì)于京津冀地區(qū)復(fù)合大氣污染（特別是二次污染物）的生消過程缺乏深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)觀測(cè)和污染源數(shù)據(jù)的利用不足，難以對(duì)區(qū)域污染特別是重污染事件實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確模擬，亟須闡明符合復(fù)合污染成因，突破區(qū)域灰霾模擬、預(yù)測(cè)技術(shù)瓶頸，研制出我國自己的區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

李杰認(rèn)為，近幾十年來，中國的經(jīng)濟(jì)增長方式經(jīng)歷了以工業(yè)化為主要推動(dòng)力向以城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)為主要推動(dòng)力的轉(zhuǎn)變。大城市重要污染企業(yè)向中小城市轉(zhuǎn)移，污染源分布格局發(fā)生改變，導(dǎo)致大氣污染呈現(xiàn)出區(qū)域化和復(fù)合化的新特點(diǎn)。區(qū)域性的光化學(xué)煙霧和灰霾交替、耦合發(fā)生，客觀上要求必須更加全面了解大氣污染在新條件下的演變規(guī)律。

在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》的基礎(chǔ)上，2013年6月，李克強(qiáng)總理部署大氣污染防治十條措施（簡稱“國十條”），明確了環(huán)渤海等區(qū)域的聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制，特別是將重污染天氣納入地方政府突發(fā)事件管理，根據(jù)污染等級(jí)采取控制措施。

“區(qū)域性復(fù)合大氣污染是當(dāng)前京津冀地區(qū)面臨的主要環(huán)境問題之一。如何準(zhǔn)確預(yù)報(bào)污染時(shí)空分布及其來源，是我國環(huán)境管理部門亟待解決的一大難題，也是國家對(duì)大氣環(huán)境科學(xué)研究提出的重要任務(wù)?！崩罱苷J(rèn)為，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率偏低是困擾京津冀重污染預(yù)警應(yīng)急的難題，也是國內(nèi)外主流模式共同面臨的技術(shù)瓶頸，其中突出表現(xiàn)為硫酸鹽和二次有機(jī)氣溶膠濃度被嚴(yán)重低估。

隨著PM2.5的污染問題在國內(nèi)越發(fā)受到關(guān)注，李杰和團(tuán)隊(duì)努力研發(fā)出了符合中國情況的重污染空氣質(zhì)量數(shù)值模式，提高了灰霾等污染物的預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)能力。

通過分析3年來50多次重污染過程，他與團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，氣溶膠表面的非均相過程是重污染期間硫酸鹽快速增長的關(guān)鍵，其增長速率與氣溶膠理化屬性和氣象要素之間存在動(dòng)態(tài)正反饋機(jī)制。

這一機(jī)制與經(jīng)典理論強(qiáng)調(diào)的均相和云化學(xué)完全不同，也與近年來認(rèn)為非均相化學(xué)速率在一定氣象條件下是靜態(tài)的觀點(diǎn)不同。李杰說，通過這一機(jī)制，京津冀重污染期間硫酸鹽的模擬誤差從-50%減少至-10%。

李杰與團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，中間揮發(fā)性有機(jī)物的氧化是秋冬季二次有機(jī)氣溶膠的關(guān)鍵形成機(jī)制，環(huán)境溫度在其中扮演了關(guān)鍵角色，這些前體物主要來自散煤燃燒和機(jī)動(dòng)車排放，被當(dāng)前主流模式所忽視。

在開展重污染期間二次氣溶膠的形成機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，李杰與團(tuán)隊(duì)自主研制出我國氣溶膠重污染預(yù)報(bào)模式——重污染數(shù)值模式NAQPMS，成為我國區(qū)域重污染紅色預(yù)警的關(guān)鍵技術(shù)之一。

自2013年5月以來，重污染數(shù)值模式NAQPMS業(yè)已成為國家環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警中心和十余個(gè)區(qū)域（?。┑暮诵臉I(yè)務(wù)模式，京津冀重污染預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率超70%，特別是“2016年重污染準(zhǔn)確率達(dá)85%以上”，較2010年提高30%以上。

NAQPMS也在國際上獲得好評(píng)，美國氣候變化科技計(jì)劃主筆、聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental?Panel?on?Climate?Change，簡稱IPCC）第四次報(bào)告評(píng)審專家和NOAA氣溶膠模式專家委員會(huì)成員米勒（Miller）、國際地理協(xié)會(huì)前主席高迪（Goudie）將NAQPMS稱為東北亞氣溶膠研究、亞洲礦塵與人為無機(jī)鹽相互作用機(jī)制研究的代表性成果。NAQPMS還作為唯一的中國模式，被國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（24個(gè)成員國）和日本國立環(huán)境研究所邀請(qǐng)開展亞洲空氣污染評(píng)估研究，成為日本J-STREAM模式比較計(jì)劃的核心成員。

解決區(qū)域污染輸送評(píng)估難題

伴隨著東亞地區(qū)近年來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)所致的SO2、NOx、VOC、CO、NH3和PM等常規(guī)污染物以及汞、二噁英等有毒污染物排放的急劇增加，空氣污染物遠(yuǎn)距離跨國界傳輸問題，已經(jīng)越來越引起東亞國家的關(guān)注。準(zhǔn)確評(píng)估東亞各國間大氣污染物的相互輸送通量和貢獻(xiàn)，特別是我國大氣污染物的跨境輸送及周邊國家對(duì)我國的影響，是適應(yīng)國際環(huán)境外交領(lǐng)域的新形勢(shì)所需要迫切解決的科學(xué)問題。

早在多年前，東亞大氣污染物的跨界輸送問題已經(jīng)成為我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中環(huán)境領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題，被《國家環(huán)境保護(hù)“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃》列為三大全球環(huán)境問題之一，是當(dāng)前國際關(guān)系中新的外交熱點(diǎn)。

對(duì)此，韓國發(fā)起了由中日韓共同參加的東北亞地區(qū)遠(yuǎn)距離跨國界傳輸空氣污染物的監(jiān)測(cè)和模擬研究（LTP）大型國際合作項(xiàng)目，目前已經(jīng)進(jìn)行了為期10年的研究。

李杰認(rèn)為，采用數(shù)值模擬來研究大氣化學(xué)物質(zhì)濃度的分布、演變及討論各區(qū)域的相互影響和貢獻(xiàn)，變得越來越重要。然而，因研究方法和所使用資料的差異，東亞各國對(duì)大氣污染物跨國輸送特別是我國大氣污染物跨界輸送影響的定量評(píng)估結(jié)果還存在較大的偏差和爭議。

以硫化物的輸送為例，市川（Ichikawa）和藤田（Fujita）（1995）認(rèn)為中國污染源對(duì)日本的貢獻(xiàn)達(dá)到50%;克洛斯（Clori）（2001）等指出中國污染源對(duì)日本的貢獻(xiàn)從1985年的25%增長至1997年的39%。上述結(jié)果與黃美元（Huang）（1995）等和阿思特（Arndt）（1998）等的研究截然相反：中國污染源對(duì)日本的貢獻(xiàn)僅為3.5%～15%。

二次污染物臭氧的研究也存在同樣的爭議。中國區(qū)域本底站（臨安）的觀測(cè)結(jié)果顯示臭氧日最大濃度的增幅（0.58ppbv?yr-1）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于下游臺(tái)站（1.0ppbv?yr-1），甚至其日平均濃度呈下降的趨勢(shì)，這一特征并未被大部分?jǐn)?shù)值模擬所捕獲。

在李杰看來，由于長期以來受多種因素的制約，我國對(duì)東亞大氣污染物洲際輸送的研究存在不足，主要表現(xiàn)在輸送影響的定量化評(píng)估不確定以及周邊國家對(duì)我國影響的研究較少，難以滿足國家需求。如果對(duì)東亞地區(qū)的區(qū)域空氣質(zhì)量問題做進(jìn)一步深入研究，不僅可以讓中國在環(huán)境外交上贏得主動(dòng)，還可以為順應(yīng)國際區(qū)域環(huán)境合作的外交形勢(shì)提供科學(xué)支持。

針對(duì)區(qū)域大氣的研究中，傳統(tǒng)的研究方法本身存在一定缺陷的問題，李杰與團(tuán)隊(duì)專門就東亞各國之間大氣污染相互輸送和國內(nèi)不同城市群之間的大氣污染相互影響問題進(jìn)行了深入研究。而以三維大氣數(shù)值模式作為主要的預(yù)報(bào)工具，可以有效再現(xiàn)污染物的三維時(shí)空分布特征，解析大氣污染物的主要來源（行業(yè)等），還可以評(píng)估污染物跨界輸送的影響。

事實(shí)上，早在2006—2007年，李杰和團(tuán)隊(duì)就開始研究國內(nèi)城市之間的污染輸送。他們發(fā)現(xiàn)，不僅北京與河北等城市之間有著污染上的相互影響，在夏天，長三角的污染物也可以被吹到京津冀、遼東半島等城市群，城市群與城市群之間同樣存在著相互影響。

李杰認(rèn)為，數(shù)值模擬在了解大氣化學(xué)過程的發(fā)生機(jī)制及其環(huán)境氣候效應(yīng)中具有重要作用，可以量化眾多物理化學(xué)過程的綜合作用，還可以給出大氣化學(xué)物質(zhì)細(xì)致的時(shí)空分布及不同物理化學(xué)過程貢獻(xiàn)的相對(duì)大小，并為大氣污染遠(yuǎn)程輸送提供許多新的分析技術(shù)與手段，而他和團(tuán)隊(duì)發(fā)明的NAQPMS同樣為污染物遠(yuǎn)程輸送研究提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

為了發(fā)展具有守恒、閉合特點(diǎn)的污染源解析技術(shù)，李杰和團(tuán)隊(duì)模擬分析東亞大氣污染物（酸沉降、臭氧和大氣顆粒物）的源受體關(guān)系及其時(shí)空分布特征，將東亞區(qū)域劃分為若干子區(qū)域，分別是我國東北、華北、華中、華東、華南和西南6個(gè)區(qū)域，日本、韓國、東南亞及其海域，利用數(shù)值模擬結(jié)果，分析不同污染物（酸沉降、臭氧和大氣顆粒物）的源受體關(guān)系，分析跨界輸送特別是我國跨界輸送對(duì)周邊國家的影響，并確定對(duì)我國有顯著影響的周邊國家地區(qū)及其敏感季節(jié)。

而在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，李杰和團(tuán)隊(duì)開展重污染精細(xì)溯源研究，率先發(fā)展二次污染物動(dòng)態(tài)溯源新方法，解決了污染輸送量評(píng)估難題，成為中國《大氣顆粒物來源解析技術(shù)指南》等多項(xiàng)國家指南的核心技術(shù)。這一新方法，不僅發(fā)展了考慮大氣化學(xué)非線性特征的二次污染物溯源新方法，一次模擬即可解析不同地區(qū)、行業(yè)和理化機(jī)制的貢獻(xiàn)，還構(gòu)建了大氣污染物總量優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)重污染期間污染排放總量優(yōu)化設(shè)計(jì)。

李杰團(tuán)隊(duì)發(fā)明的二次污染物動(dòng)態(tài)溯源方法，在參與研究北京、天津及周邊16個(gè)城市的污染輸送問題的研究中，獲得了國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng);針對(duì)東亞國家之間污染物相互輸送影響的研究，也獲得了中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。二次污染物動(dòng)態(tài)溯源方法也被知名學(xué)者漢森（Hansen）稱為“比傳統(tǒng)方法更準(zhǔn)確”，還被英國蘭卡斯特大學(xué)評(píng)價(jià)為“技術(shù)先進(jìn)”，是污染決策支持研究的核心工具。

中國的大氣科學(xué)要為“一帶一路”作貢獻(xiàn)

李杰說，搞大氣科學(xué)，不能只是在實(shí)驗(yàn)室埋頭苦干，除了要走出去獲取更多一線數(shù)據(jù)，也要多讀書多思考?！皩W(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆，光學(xué)習(xí)不聯(lián)系實(shí)際，不和大家交流，學(xué)到的東西就是死的;反過來，光思考而沒有知識(shí)儲(chǔ)備，思考就是空中樓閣?！?/p>

李杰1997年考上南京氣象學(xué)院（現(xiàn)南京信息工程大學(xué)），就讀于大氣物理和大氣環(huán)境專業(yè)，2001年到蘭州大學(xué)攻讀大氣物理和大氣環(huán)境專業(yè)碩士研究生，2004年考上中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境博士，一直在大氣物理和大氣環(huán)境研究領(lǐng)域步步為營，不斷深耕。

早在高中的時(shí)候，對(duì)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)不甚了解的李杰卻對(duì)大氣科學(xué)充滿興趣，他覺得氣候?qū)W是非常神奇而又非常有意思的學(xué)科。在攻讀碩士研究生期間，李杰還曾就北京當(dāng)時(shí)遭遇的罕見性沙塵暴進(jìn)行過深入研究。

當(dāng)時(shí)的發(fā)現(xiàn)是，沙塵暴并非完全是由人為導(dǎo)致的水土流失引起的，同時(shí)也有一部分自然因素。而且，沙塵暴并不總是壞事，一些沙塵暴可以輸送到下游地區(qū)，營養(yǎng)成分隨之沉淀到海里，可以促進(jìn)當(dāng)?shù)氐聂~類和浮游植物的生長。而浮游植物的生長又可以吸收二氧化碳，起到固碳的作用。

這一研究更讓李杰深刻知道，大氣科學(xué)并非簡單的有無、好壞的問題，而是一個(gè)很大的循環(huán)系統(tǒng)，需要更深入的研究，使用更先進(jìn)的觀測(cè)手段。

“大氣人”的成果并非坐在實(shí)驗(yàn)室就可以完成，需要跋山涉水，獲取一手?jǐn)?shù)據(jù)。針對(duì)國內(nèi)目前背景觀測(cè)站數(shù)據(jù)較少的情況，李杰所在的中國科學(xué)院大氣物理所與相關(guān)地方合作建設(shè)了3個(gè)高山觀測(cè)站，分別位于泰山、黃山和華山。在連續(xù)3年的時(shí)間里，他和團(tuán)隊(duì)每年都要在3個(gè)觀測(cè)站做10次左右的觀測(cè)，進(jìn)行大氣數(shù)據(jù)尤其是臭氧和一氧化碳的收集和模擬。3年下來，僅泰山和黃山，李杰就各自爬了二三十次，還在華山上住過很久一段時(shí)間。讓他難忘的是，12月份，在華山西峰，風(fēng)大雪厚，他們住在近2000米海拔的山峰上，儀器在屋子里，他們圍著火爐睡覺，蓋著兩層厚厚的被子。

長年的研究讓李杰敏銳地發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)對(duì)于污染物快速增長的情況總是無法準(zhǔn)確模擬和預(yù)報(bào)，而一旦預(yù)報(bào)錯(cuò)誤，就會(huì)對(duì)地方造成極大壓力，各地總結(jié)重污染預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)的尷尬現(xiàn)狀表明，國內(nèi)的污染預(yù)報(bào)缺乏一個(gè)行之有效的機(jī)制，仍亟需創(chuàng)新發(fā)展。

早在日本交流學(xué)習(xí)時(shí)，李杰就已經(jīng)在不斷研究，希望發(fā)展出適合中國污染預(yù)警的數(shù)值模式，如針對(duì)華北地區(qū)夏季臭氧全國最高的情況進(jìn)行溯源分析等。李杰坦言，在日本的時(shí)候主要從事科學(xué)機(jī)制研究，而回到國內(nèi)后，他的研究就與國內(nèi)污染的實(shí)際情況緊密結(jié)合在一起了。

李杰說，隨著大氣物理理論和氣象觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，新的研究成果也為他們?cè)跀?shù)值模式方面的研究提供了非常大的助力，中國利用數(shù)值模式預(yù)警預(yù)報(bào)污染天氣的范圍越來越廣。不斷發(fā)展的大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，也在助推著中國自主研發(fā)的數(shù)值模式的發(fā)展，開放性和包容性越來越強(qiáng)。如今，中國的重污染預(yù)警預(yù)報(bào)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

作為一名博士生導(dǎo)師，李杰對(duì)培養(yǎng)人才有著自己的理念。他始終認(rèn)為，必須對(duì)學(xué)生多做思想工作，尤其是要告訴他們，科研并非小學(xué)生想的那樣高高在上，而是非常艱辛的。但同時(shí)，科研也不是高不可攀的，想獲得科研的成果，須通過自己的努力，克服科研道路上的一個(gè)個(gè)困難。他還認(rèn)為，學(xué)生在讀研究生期間就必須找準(zhǔn)一個(gè)學(xué)習(xí)的方向，培養(yǎng)一個(gè)好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，找準(zhǔn)國家未來需要攻克的科研難題。

對(duì)于未來國內(nèi)大氣科學(xué)的發(fā)展，李杰說，需要做更高分辨率、更長時(shí)效的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)，要提高中國重污染預(yù)警預(yù)報(bào)模式的功能和機(jī)制，形成中國自己的模式和特色。與此同時(shí)，在“一帶一路”的大背景下，中國的大氣科學(xué)研究者，可以利用在國內(nèi)研究中的成功經(jīng)驗(yàn)，為“一帶一路”沿線國家提供相應(yīng)的幫助，在環(huán)境保護(hù)上，與“一帶一路”沿線國家相互影響。為此，中國科學(xué)院大氣物理研究所組織了東亞空氣質(zhì)量數(shù)值模式國際比較計(jì)劃，不僅有來自中日韓等國家的研究者參與，也有來自東南亞其他國家及歐洲、美洲等國家的參與，通過相互合作，形成更好的數(shù)值模式。

“未來，我希望自己的研究可以提高國家在污染預(yù)警預(yù)報(bào)中的準(zhǔn)確率，進(jìn)一步研究全球性的污染物對(duì)中國的一些影響?！崩罱苷f。

（責(zé)編：蘇寒山）