探秘气溶胶，让蓝天白云重归苍穹

高妍 曹丽娟

编者按

突如其来的新冠肺炎疫情，让气溶胶这个早已明确会对气候、环境、农业、健康等方方面面产生影响的微小颗粒物，以意想不到的方式进入了公众视野。人们渴望用口罩防护自身的同时，也希望用专业的知识武装头脑。人们开始关心它的一切：是什么？如何形成？怎样传播？以何种方式产生影响？

事实上，为了看清楚、弄明白，彻底揭开它神秘的面纱，很多科研工作者已经做出了几十年甚至更长时间的执着钻研。这场抗新冠病毒的战役，将这些默默无闻的科技工作者推到了聚光灯下，而我们乐见更多人懂得他们的信仰与坚守——

刚刚跨入2020，各地2019年空气质量成绩单就已出炉。

北京，PM2.5年均浓度创下2013年监测以来最低值，且全年没有出现严重污染日，重污染日仅4天;兰州，全年赢得296个好天气，6项污染物浓度均同比下降;上海，年内PM2.5年均浓度达到国家标准……

“蓝天保卫战”攻坚关键时期，这无疑是一个令人振奋的成绩。这改善背后，或有天时、地利相助，但“人和”居功至伟。

近年，为了解决人民群众的“心肺之患”，解决大气污染难题，政府表现出了前所未有的决心和力度。“大气十条”“蓝天保卫战三年行动计划”等一系列政策频频出台，各地政府也在根据自身实际情况制定各项措施，抓落实、促改善。

国家在推动，各地在行动，人民在响应，我们的科技工作者也在积极助力。近年，一批以大气污染联防联控为核心的科技支撑计划、重点研发计划稳步推进，一系列大气污染防控、治理技术试点应用。在各地推动大气污染治理与防控过程中，科技人的力量愈发凸显。中国科学院气溶胶化学与物理重点实验室（以下简称“实验室”）便是这其中的优秀代表。

自建立之日起，实验室便瞄准国际全球变化研究中气溶胶气候环境影响等科学问题，及国家面临的空气污染治理和大气灰霾控制技术等紧迫的科技需求开展攻关。三十多年来，在刘东生、安芷生老一辈科学家的指引下，在曹军骥研究员的领导下，实验室在粉尘、黑碳、有机和PM2.5等气溶胶前沿领域开展了多项原创性研究，取得了诸多创新型研究成果并推动示范应用，不仅为国家气候谈判、环境外交提供科学支持，更为区域与城市环境治理、PM2.5达标、灰霾污染控制等提供了技术储备与示范。

“黄土人”的蓝天情

他们以“黄土人”自称，不仅因为实验室扎根西部、扎根黄土，还因为自上世纪80年代就开始建立的“黄土情缘”。

在全球气候变化研究中，黄土高原一直是具有全球意义的研究对象，它与深海沉积、南极和格陵兰冰盖并称地球“三大自然秘笈”。刘东生、安芷生、张小曳、曹军骥，以及他们所代表的团队，就是解读黄土高原这本“秘笈”的“黄土人”。

1984年，在刘东生院士等老一辈科学家的倡议下，中科院黄土与第四纪地质研究室成立，时任副研究员的安芷生院士带领几名科研人员开始了艰苦而辉煌的创业历程。

1999年，以黄土与第四纪地质国家重点实验室为基础，中科院地球环境研究所成立。

中科院地球环境研究所奠基人、“黄土之父”刘东生院士从事地学研究近60年，创立了黄土学，带领中国第四纪研究和古全球变化研究领域跻身于世界领先行列。安芷生院士则将黄土学及第四纪研究推向深入。到张小曳、曹军骥这里，已经是将黄土研究扩展至大气环境领域的第三代。

黄土精神代代传承，也因着时代进步与社会变迁而不断拓展与创新。气溶胶问题研究，就是“黄土人”与时俱进延伸出的、解读黄土“秘笈”的新触角。

大气污染的严重性，在本世纪初彻底暴露。也正是在2000年，中科院地球环境研究所开始筹建气溶胶实验室。3年建成并运行，再3年扩大为粉尘与环境研究室，成为黄土与第四纪地质国家重点实验室的五大支柱研究室之一。到2014年8月，中科院正式批准建设气溶胶化学与物理院级重点实验室。

自建立之初，实验室便有明确定位——瞄准当前国际全球变化研究中气溶胶气候环境影响等科学问题，瞄准国家面临的空气污染治理和大气灰霾控制技术等紧迫的科技需求，重点开展气溶胶关键物种及其气候环境意义、PM2.5来源解析与污染控制、气溶胶数值模拟、先进气溶胶技术及其应用四大方向研究工作。

总之，一切都是为了头顶的蓝天。

蓝天之争，创新之战

在西安，如果你路过西长安街与居安路交叉口，会看到一座圆柱形高塔。足足60米的“身高”，使它格外显眼。

它被市民俗称为除霾塔，学名大型太阳能城市空气清洁系统，“主要是采用太阳能作为驱动能源，利用空气热升冷降的特点，在系統内加装过滤PM2.5和光催化材料，通过导流塔输出清洁空气，进而实现自动净化除尘的功能。”简单讲，这是一个大型空气净化器。

这个空气净化器可不简单，它是国内外首次提出大型城市空气清洁概念并成功建造和运行的城市空气净化装置;也是世界上首个集热能利用、分级过滤和光催化技术综合利用的大规模城市空气净化系统。

有数据显示，它可以有效去除大气中以颗粒物为主的污染物，塔内对空气的过滤效率可达80%以上，重污染天对空气的日处理能力可达500万立方米，覆盖10平方公里，在重污染天气条件下，PM2.5可平均减少15%。

除霾塔的建成运行，不仅开辟了大气污染的环境净化新途径，还为新能源领域各个技术环节的协调和集成提供了有益借鉴，带动了环保相关产业的发展。2018年3月，Nature杂志专门在New Focus栏目介绍了该装置;同年底，该装置入选美媒评出的“28项中国制造的能改变世界的创新工程之一”，与量子卫星、FAST天眼等大国重器并列。

除霾塔的理念提出、原型机设计团队主要就是中科院气溶胶化学与物理重点实验室团队。这一装置正是实验室四大研究方向之一——先进气溶胶技术研发及应用的典型成果。

自建立以来，实验室的研究工作，一直围绕四大方向展开。他们将气溶胶科学和理论与国家气候、环境外交及污染控制紧密结合，以当前国家战略发展需求为指导，综合野外观测、实验室测试分析、计算机模拟及气溶胶关键技术开发等多种手段，积极研究我国气溶胶的化学及物理变化过程及其气候与环境效应，旨在辩明气溶胶在区域与全球环境变化过程中的地位与作用，探索气溶胶污染控制、过滤、捕集等新技术及其工业应用。至今，已经取得系列成果。

● 气溶胶关键物种及其气候环境意义

不同时间和空间尺度上气溶胶的物理、化学及光学特征是准确认识气溶胶气候及环境效应的关键，也是我国大气污染治理与环境外交决策的科学依据。

为此，实验室针对我国典型区域的气溶胶关键物种，如粉尘、有机气溶胶、黑碳等开展了系统观测与研究，拿到丰富的一手观测数据的同时，也拓展思路，开发出了测试新技术、解析新方法、模拟新手段，获得了多个城市与地区的气溶胶关键物种分布及其相关特征，为污染治理提供了科学依据。

近5年在该领域发表相关论文150余篇，包括Nature和Science Advances文章各一篇，被SCI总引用达2000余次。其中Nature文章是我国气溶胶领域第一篇发表在Nature的研究报道，还被Nature China作为亮点成果报道，入选“2014年中国科研代表性25项成果”之一。

● PM2.5来源解析与污染控制

灰霾笼罩下，PM2.5研究形势严峻，而研究最终是为了指导应用，实验室努力在研究中做到这一点。

从2003年起他们就开展了全国14城市PM2.5冬夏两季的同步观测，获得PM2.5质量浓度和化学全组分的空间分布格局，为国家开展PM2.5监测与防治提供了背景数据。

他们前瞻性地开展了西安PM2.5研究，建立了自2003年以来西安PM2.5日均质量浓度和各个物质组成的变化特征（国内唯一的、最长序列日均变化的连续曲线），积累了大量数据，并出版了国内第一本PM2.5系统研究专著。

他们自主研发了精细化受体源解析模型并推广应用，为京津冀及周边“2+26”城市和汾渭平原11城市PM2.5来源解析和污染精准防控提供科技支撑。

他们还开展了大气PM2.5污染形成机制研究，进行了大气污染减排分析，为政府制订重霾应对提供科学支撑。

● 气溶胶数值模拟

他们通过先进的数值模拟算法与模式，分别开展了关中、京津冀、青藏高原等地区的气溶胶模拟研究，对不同地区污染问题的可能影响因素进行了持续性观测与模拟分析，并将分析成果应用到了现实之中，为国家和地方相关政策的制定提供科学支持。

基于这些研究，实验室取得了高水平的研究成果。仅在2014-2018年间，实验室就产出了360余篇SCI论文，其中以第一署名单位完成一区SCI论文52篇，包括Nature、Science文章3篇，PNAS文章1篇、Science Advances文章1篇。相关论文被高频次引用约6000次，其中Nature文章单篇SCI他引超过1500次，在国际学术界形成广泛影响力，极大推动了中国气溶胶学科的长足进步。

更重要的，这些研究成果为国内大气污染治理、灰霾防控提供了高质量的科技支撑与咨询服务。2015年牵头由中科院向国务院提交《我国大气PM2.5污染现状与控制对策》咨询报告，得到张高丽副总理等批示;2017年提交《我国灰霾成因》咨询报告与研究建议书，两次得到李克强总理批示;多次参加陕西省大气污染防控大会，多次在省委常委会作专题讲座，2次在全省大气污染防治大会作主题发言;多次参加西安、咸阳、宝鸡、铜川等地市的大气污染防治会议并作专题发言与讲座，为省市大气污染防控提供数十份建议与研究报告，推动了关中平原及汾渭平原进入国家大气污染防控三大重点区域，为西安PM2.5浓度自2013年来下降达60%、咸阳2019年空气质量改善率居全国第三等做出了贡献。

因为成绩突出，实验室多位科研人员获得多项国内外气溶胶领域的奖励——曹军骥获得被誉为“空气领域诺贝尔奖”的“Haagen-Smit Award”、国际空气污染控制领域最高奖——Frank A Chambers奖、国际气溶胶学会IAFA奖、TWAS地球天文及空间科学奖及全国优秀科技工作者称号;黄汝锦获得欧洲气溶胶学会施茂斯奖、亚洲气溶胶青年科学家奖等;何建辉获得亚洲气溶胶青年科学家奖;黄宇获中国气溶胶技术创新奖;王启元获得中国气溶胶青年科学家奖……等等，已成为国内气溶胶研究集体中获得国际气溶胶届学术奖励最多的单位。

初心不改，矢志未来

荣誉与掌声背后，离不开“黄土人”的初心与坚守，更少不了合理的机制与优秀的管理。

实验室能够在短时间内实现高水平成果与高水平科学家的产出，主要得益于合理的团队结构与开放的建设理念。

实验室先后培养了1名工程院院士、6名国家杰出青年科学基金获得者等高端人才。目前在这个平均年龄只有36岁的年轻团队，有老一辈科学家的指引，有包括1名国家“千人计划”、3名国家杰出青年科学基金获得者、2名“万人计划”、1名中组部青年千人、5名中科院百人计划在内的高水平人才作为领军人，又有诸多新鲜血液作为后继力量，真正做到了老一代善指引，中坚可支撑，后辈有延续。

围绕总体定位和主要学术方向，实验室形成了以曹军骥、铁学煕、黄汝锦、李国辉和黄宇等为学术带头人的四个研究团队，汇集了一批不同专业背景的研究人员，分工明确、互为补充、合作紧密，具备开展气溶胶理化性质、实验室模拟、数值模拟及污染控制等系统研究的专业能力。

年轻、人才梯队合理、学科结构合理，这三点决定了这支队伍在研究中能打能戰;而开放建设理念的坚持，更使整个团队能够在国内外气溶胶学术舞台上站出来、走出去。

开放、合作，一直是实验室的持身态度。除了自有研究团队，实验室多年来还打造出了客座研究群体和国际合作研究群体，前者以项目带动，联合国内外学者组建，跨学科、跨研究单元，互为补充;后者则通过国际合作与学术交流实现。

到目前为止，实验室已与美国哥伦比亚大学、沙漠研究所、瑞士保罗谢勒研究所等20余个国（境）外及北京大学、西安交通大学等10余所国内高校和研究机构开展了实质性合作研究。近期更重点推动与美国明尼苏达大学、美国TSI公司、瑞士苏黎世联邦理工学院、日本县立熊本大学、意大利环境分析研究所等签订正式合作协议，开展高水平合作研究，大力发展空气污染控制技术。

这一切，都在为实验室在未来研究中走得更远积蓄力量。关于未来，他们也已有规划：针对我国主要颗粒物污染来源，建设在线质谱指纹源谱库;建立高精度观测技术集成体系;研发在线动态源解析新算法……等等。

总之，服务国家战略需求的初心不变，为国家气候谈判、政策制定提供科技支撑的理想不变，为区域与城市治理提供技术支持的目标不变;变的，是研究技术与手段，是研究内容与方向，“希望通过10余年的努力，将实验室建设成为国际气溶胶研究的著名研究中心。”

抚今追昔，初心未改。展望未来，激情满怀。在中科院气溶胶化学与物理重点实验室的坚守之下，在“黄土人”的努力之下，所有的变与不变都将融入蓝天白云，回归苍穹。