探尋陸-氣相互作用的奧秘

李明麗

行穩(wěn)致遠：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、公眾及國際社會廣泛關注的重大環(huán)境問題。如何實現(xiàn)精確預測預報空氣污染，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制、輸送轉化、預報預警和對策評估的重要科學工具。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過程構成的一個復雜系統(tǒng)。近年來空氣質(zhì)量模式的研究取得長足進展，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)化的驅動下，影響大氣環(huán)境的諸過程發(fā)生深刻而快速的改變，這些過程的相互關聯(lián)及其演變對大氣環(huán)境的影響尚不明晰，導致模式模擬結果與實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關鍵過程，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)境科學研究的科學前沿。針對這一問題，暨南大學環(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)值模擬團隊，研究方向為多尺度大氣環(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)值模式的準確性，為地方服務和空氣質(zhì)量改善提供科學決策支持。

基礎理論探索：大氣排放-沉降之間的響應關系

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

針對這一問題，王雪梅作為首席科學家，承擔了國家重點研發(fā)項目“影響區(qū)域排放與沉降響應的關鍵大氣過程”，并組建了一支包括暨南大學、北京大學、南京大學、天津大學、中國科學院大氣物理所、中國農(nóng)業(yè)大學、中山大學等知名高校和科研院所在內(nèi)的項目團隊。這是國家重點研發(fā)計劃大氣專項中唯一一個將大氣-地表過程聯(lián)系起來的項目，該項目以提升區(qū)域排放-沉降響應關系的定量化水平為科學目標，立足我國東部，實現(xiàn)干沉降和云霧清除機制等關鍵科學問題的突破，評估大氣污染物的區(qū)域排放-沉降響應關系及其潛在生態(tài)風險。

為了獲得基礎數(shù)據(jù)，項目首先從觀測出發(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，實現(xiàn)對云霧過程中反應性氣體、顆粒物、云霧滴的物理特性和化學組成的高時間分辨率連續(xù)觀測，彌補了以往觀測只針對霧間顆粒物和氣態(tài)成分、缺乏關鍵多相過程解析的不足。經(jīng)過近4年的研究，項目組基于各類觀測數(shù)據(jù)構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”，進入“趨于穩(wěn)定，逐漸下降”的轉型期。結合觀測和模式，他們構建了影響排放-沉降響應關系的過程量化體系;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。結合沉降模擬和臨界負荷，發(fā)現(xiàn)當前全國約16%的國土面積面臨氮沉降超臨界負荷的生態(tài)風險。目前，這一項目進展順利，培養(yǎng)了多名年輕的學術帶頭人，共4人次獲得“優(yōu)秀青年科學基金項目”“青年拔尖人才支持計劃”等項目資助;此外，王雪梅還作為召集人組織討論和編制新增了2020年度國家自然科學基金委大氣科學學科“生態(tài)氣象”（D0507）分支學科代碼，推動生態(tài)氣象學學科發(fā)展。

把論文寫在祖國大地上：從科學理論到應用

在科學理論探索的基礎上，團隊還在污染防控實踐中檢驗和應用新理論和新方法。在國際上，團隊發(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個國家超過500個研究機構使用。在國內(nèi)，團隊應用改進的空氣質(zhì)量模式為廣州市環(huán)境空氣質(zhì)量達標規(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支撐。此外，王雪梅還受聘擔任2010年第16屆亞運會空氣質(zhì)量保障會商專家，將團隊建立的珠三角高時空分辨率天然源揮發(fā)性有機物排放清單、改進的高分辨率大氣-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用于亞運會。作為深圳2011年世界大學生夏季運動會空氣質(zhì)量保障項目的主要負責人，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)境保護科學技術獎一等獎。

為打贏藍天保衛(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，在實踐中建立起應對空氣污染的科技服務新模式，為東莞、湛江、茂名等地大氣污染治理提供幫扶指導和科學決策支持。團隊根據(jù)歷史空氣質(zhì)量和氣象數(shù)據(jù)以及年度目標，結合污染季節(jié)性變化特征，制訂全年空氣質(zhì)量達標路徑規(guī)劃并建立“科學閉環(huán)”和“行動閉環(huán)”的“雙閉環(huán)”工作模式，保障大氣污染防治工作開展，推動長效與應急措施落實執(zhí)行，跟蹤評估管控成效。

“科學閉環(huán)”包含預測研判、減排方案、措施制定、落地跟蹤、綜合評估。團隊通過空氣質(zhì)量預報和減排情景設計，提前研判重點時段污染物演變形勢;結合長期演變形勢，探討和編制有效的長效減排方案;結合短期（48小時內(nèi)）演變形勢，制訂及篩選具體應急管控措施。對長效減排方案和應急管控措施的落地情況實時跟蹤并反饋，完成減排潛力計算、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，進一步調(diào)整減排方向，提高預測研判的準確性和可行性。“行動閉環(huán)”在于通過確立攻堅方案，設立組織架構，明確行動方案，構建運行機制和推動績效考核管理。在“科學閉環(huán)”的綜合評估和研判分析導向下，明確當前目標形勢和工作重點，制訂以月為單位的科學攻堅行動方案，同時依據(jù)自上而下的組織架構，通過周會商、日常任務和“戰(zhàn)時”會商，建立日常穩(wěn)定運行的工作機制及攻堅戰(zhàn)時運營機制。對執(zhí)行長效減排方案和應急管控措施過程中發(fā)現(xiàn)的問題和落地情況進行反饋，形成以月為單位的后評估方案，通過調(diào)度會進行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。兩環(huán)相扣，形成從“一經(jīng)發(fā)現(xiàn)問題”到“動態(tài)評估反饋”最終“快速解決問題”的正向循環(huán)，從而實現(xiàn)“優(yōu)良天達標”和“臭氧改善”兩大大氣污染防治攻堅戰(zhàn)目標的勝利。在“雙閉環(huán)”理論體系的指導下，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：打造復合型研究隊伍

為了厘清大氣污染物與天氣氣候的雙向反饋機制，王雪梅打造了一支耦合城市尺度-區(qū)域尺度-全球尺度的復合型研究隊伍，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（小時級、百公里級）的多維時空尺度。團隊目前共有教授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;團隊承擔國家和省部級項目20余項。王雪梅目前擔任未來地球計劃（Future Earth）“陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣過程綜合研究”（iLEAPs）科學指導委員會委員、美國城市氣象委員會理事等學術職務，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，團隊圍繞中-小尺度熱動力過程指導城市應對大氣環(huán)境和氣候變化，探索如何最有效地將真實的科學認識轉化為城市應對大氣環(huán)境和氣候變化的工具，發(fā)展了精細城市結構和排放獲取方法體系，建構了精細化的城市下墊面和城市結構數(shù)據(jù)庫，解決精細城市建筑形態(tài)參數(shù)化的難題。在區(qū)域尺度上，團隊針對“如何精細刻畫陸-氣交換關鍵過程和準確量化其對大氣環(huán)境的影響”這一關鍵科學問題，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排放模擬準確度，揭示人為活動對地球氮循環(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)性有機物（S/IVOCs）排放清單，解決了細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制、氣孔導度CO2補償機制等過程，提升森林冠層中陸-氣能量和物質(zhì)交換的模擬能力，從而實現(xiàn)陸-氣交換關鍵過程對大氣環(huán)境影響的準確評估。在全球尺度上，團隊探索區(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空分布研究：探究了對流層污染物進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入平流層，進而迅速在全球中擴散的傳輸機制;發(fā)現(xiàn)了深對流對氣溶膠的輸送和清除效應，表明了全球尺度上深對流通過云上活化的物理機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。

為開闊視野，接受世界前沿的知識，團隊還開展了深入的國際合作，與全球氣候變化研究權威專家Guy Brasseur教授、美國加州大學爾灣分校大氣和生態(tài)系統(tǒng)研究國際學術帶頭人Alex Guenther教授、著名大氣環(huán)境科學家和數(shù)值模擬專家Gregory Carmichael教授等專家學者保持長期的合作關系。作為中方負責人，王雪梅還參與主持了歐盟第七框架計劃PANDA項目和挪中高分辨率空氣質(zhì)量信息系統(tǒng)與對策研究合作項目，結合中國和歐洲衛(wèi)星遙感和地面觀測數(shù)據(jù)，開發(fā)了一個全球及區(qū)域尺度的空氣污染分析與預報聯(lián)合評估系統(tǒng)，并實現(xiàn)了城市污染源的快速診斷。

展望未來，運用“雙閉環(huán)”打法，關注碳達峰和碳中和的國家需求，王雪梅計劃將團隊的研究向更深、更廣處拓展?？諝赓|(zhì)量與氣候變化有怎樣的關系？碳減排跟空氣質(zhì)量改善有怎樣的協(xié)同效應？如何把包括社會經(jīng)濟在內(nèi)的多維尺度放到模式系統(tǒng)中？這些都是團隊未來關注的科學問題。團隊將依托粵港澳環(huán)境質(zhì)量協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)合實驗室、中澳空氣質(zhì)量科學與管理國際聯(lián)合研究中心、廣州區(qū)域低碳經(jīng)濟研究基地等省級科研平臺，保持對陸-氣交換關鍵過程精細刻畫和準確量化的優(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)濟損益核算模式，圍繞提升氣候變化與大氣環(huán)境風險以及碳中和情景下、多尺度的自然-社會效益預測評估能力深入開展系列前沿的科研工作。