走向世界的中國預(yù)報模式

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，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)報不準(zhǔn)確等問題。“宇航員在太空中可以根據(jù)物理知識構(gòu)建一個模擬倉，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?！敝袊茖W(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，在團(tuán)隊自主研發(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)為研究對象，研發(fā)出我國氣溶膠重污染預(yù)報模式——重污染數(shù)值模式NAQPMS，提高了重污染預(yù)報效果。如今，這一模式已成為中國環(huán)境監(jiān)測總站和3大區(qū)域預(yù)報中心的核心業(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)報水平。

22年的時間里，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)展二次污染物動態(tài)溯源新方法，解決了污染輸送量評估難題，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)報區(qū)域空氣質(zhì)量的數(shù)值預(yù)報技術(shù)，實現(xiàn)重污染事件的預(yù)報預(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起作用，傳統(tǒng)的實驗室研究無法針對大氣污染構(gòu)建一個準(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，以一個合理水平再現(xiàn)污染的形成過程，讓各方面因素同時起作用;其次，數(shù)值模擬的方式，還可以較好地對污染天氣進(jìn)行預(yù)報，解決了以往只能依靠經(jīng)驗判斷或統(tǒng)計學(xué)研究的方式;數(shù)值模式的發(fā)展，也對大氣污染的成因提供了有效的分析手段，可以量化每一個因素對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，對觀測和污染源數(shù)據(jù)的利用不足，難以對區(qū)域污染特別是重污染事件實現(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)測技術(shù)瓶頸，研制出我國自己的區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報系統(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)化為主要推動力向以城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)為主要推動力的轉(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。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)報污染時空分布及其來源，是我國環(huán)境管理部門亟待解決的一大難題，也是國家對大氣環(huán)境科學(xué)研究提出的重要任務(wù)。”李杰認(rèn)為，預(yù)報準(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)報和預(yù)測能力。

通過分析3年來50多次重污染過程，他與團(tuán)隊發(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)隊自主研制出我國氣溶膠重污染預(yù)報模式——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)報預(yù)警中心和十余個區(qū)域（?。┑暮诵臉I(yè)務(wù)模式，京津冀重污染預(yù)報準(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，美國氣候變化科技計劃主筆、聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental?Panel?on?Climate?Change，簡稱IPCC）第四次報告評審專家和NOAA氣溶膠模式專家委員會成員米勒（Miller）、國際地理協(xié)會前主席高迪（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個成員國）和日本國立環(huán)境研究所邀請開展亞洲空氣污染評估研究，成為日本J-STREAM模式比較計劃的核心成員。

解決區(qū)域污染輸送評估難題

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我國的影響，是適應(yīng)國際環(huán)境外交領(lǐng)域的新形勢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。

對此，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)測和模擬研究（LTP）大型國際合作項目，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)為中國污染源對日本的貢獻(xiàn)達(dá)到50%;克洛斯（Clori）（2001）等指出中國污染源對日本的貢獻(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)低于下游臺站（1.0ppbv?yr-1），甚至其日平均濃度呈下降的趨勢，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估不確定以及周邊國家對我國影響的研究較少，難以滿足國家需求。如果對東亞地區(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，還可以為順應(yīng)國際區(qū)域環(huán)境合作的外交形勢提供科學(xué)支持。

針對區(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)報工具，可以有效再現(xiàn)污染物的三維時空分布特征，解析大氣污染物的主要來源（行業(yè)等），還可以評估污染物跨界輸送的影響。

事實上，早在2006—2007年，李杰和團(tuán)隊就開始研究國內(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)致的時空分布及不同物理化學(xué)過程貢獻(xiàn)的相對大小，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、閉合特點的污染源解析技術(shù)，李杰和團(tuán)隊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周邊國家的影響，并確定對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)隊開展重污染精細(xì)溯源研究，率先發(fā)展二次污染物動態(tài)溯源新方法，解決了污染輸送量評估難題，成為中國《大氣顆粒物來源解析技術(shù)指南》等多項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，實現(xiàn)重污染期間污染排放總量優(yōu)化設(shè)計。

李杰團(tuán)隊發(fā)明的二次污染物動態(tài)溯源方法，在參與研究北京、天津及周邊16個城市的污染輸送問題的研究中，獲得了國家科技進(jìn)步獎二等獎;針對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)會環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎二等獎。二次污染物動態(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)評價為“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)，不能只是在實驗室埋頭苦干，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，光思考而沒有知識儲備，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。

早在高中的時候，對空氣質(zhì)量預(yù)報不甚了解的李杰卻對大氣科學(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)時遭遇的罕見性沙塵暴進(jìn)行過深入研究。

當(dāng)時的發(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)的觀測手段。

“大氣人”的成果并非坐在實驗室就可以完成，需要跋山涉水，獲取一手?jǐn)?shù)據(jù)。針對國內(nèi)目前背景觀測站數(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個高山觀測站，分別位于泰山、黃山和華山。在連續(xù)3年的時間里，他和團(tuán)隊每年都要在3個觀測站做10次左右的觀測，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)對于污染物快速增長的情況總是無法準(zhǔn)確模擬和預(yù)報，而一旦預(yù)報錯誤，就會對地方造成極大壓力，各地總結(jié)重污染預(yù)警預(yù)報時的尷尬現(xiàn)狀表明，國內(nèi)的污染預(yù)報缺乏一個行之有效的機(jī)制，仍亟需創(chuàng)新發(fā)展。

早在日本交流學(xué)習(xí)時，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技術(shù)的發(fā)展，新的研究成果也為他們在數(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，李杰對培養(yǎng)人才有著自己的理念。他始終認(rèn)為，必須對學(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，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個困難。他還認(rèn)為，學(xué)生在讀研究生期間就必須找準(zhǔn)一個學(xué)習(xí)的方向，培養(yǎng)一個好的學(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、更長時效的空氣質(zhì)量預(yù)報，要提高中國重污染預(yù)警預(yù)報模式的功能和機(jī)制，形成中國自己的模式和特色。與此同時，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，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)報中的準(zhǔn)確率，進(jìn)一步研究全球性的污染物對中國的一些影響?！崩罱苷f。

（責(zé)編：蘇寒山）