探寻陆-气相互作用的奥秘

李明丽

行稳致远：聚焦陆-气交换作用

近30年来，与我国高速的城镇化和经济增长相伴随的，是土地利用的剧烈变化和污染排放的快速增长，大气污染成为政府、公众及国际社会广泛关注的重大环境问题。如何实现精确预测预报空气污染，是目前我国大气环境研究亟待解决的难题。

区域空气质量模式是用来研究大气污染形成机制、输送转化、预报预警和对策评估的重要科学工具。区域空气质量模式是由气象过程、源排放过程、陆面过程和大气化学过程构成的一个复杂系统。近年来空气质量模式的研究取得长足进展，但是对各过程之间相互作用的研究还十分缺乏。尤其是在我国城镇化的驱动下，影响大气环境的诸过程发生深刻而快速的改变，这些过程的相互关联及其演变对大气环境的影响尚不明晰，导致模式模拟结果与实际观测之间存在很大差距。

陆地-大气之间的相互作用是一个关键过程，控制着大气圈、地表及生态圈之间的物质、能量和动量传输。精确量化陆气交换过程是提高空气质量模式模拟性能的有效手段之一，是国内外大气环境科学研究的科学前沿。针对这一问题，暨南大学环境与气候研究院教授王雪梅组建了空气质量与气候相互作用数值模拟团队，研究方向为多尺度大气环境及其与气候相互作用数值模拟，通过提高区域-城市大气环境与气候变化相互作用数值模式的准确性，为地方服务和空气质量改善提供科学决策支持。

基础理论探索：大气排放-沉降之间的响应关系

在陆气交换的研究领域，大气排放-沉降间的响应关系是认识表层地球系统物质循环的科学基础，深入理解排放-沉降响应关系对于区域大气污染防控和生态环境保护具有重要意义。尽管从全球尺度来看二者之间应为线性响应关系，但在区域尺度由于存在复杂的物理化学反应引起的滞后效应等干扰，大气污染物排放-沉降之间往往呈现非线性响应关系，这是精细化区域空气质量模式研发中亟待解决的基础科学问题。

针对这一问题，王雪梅作为首席科学家，承担了国家重点研发项目“影响区域排放与沉降响应的关键大气过程”，并组建了一支包括暨南大学、北京大学、南京大学、天津大学、中国科学院大气物理所、中国农业大学、中山大学等知名高校和科研院所在内的项目团队。这是国家重点研发计划大气专项中唯一一个将大气-地表过程联系起来的项目，该项目以提升区域排放-沉降响应关系的定量化水平为科学目标，立足我国东部，实现干沉降和云雾清除机制等关键科学问题的突破，评估大气污染物的区域排放-沉降响应关系及其潜在生态风险。

为了获得基础数据，项目首先从观测出发，搭建了边界层和冠层的气象-污染物干沉降通量及速率高频同步观测系统，制订了典型气态污染物和颗粒物干沉降观测技术规范;建立了适用于山帽云和辐射雾研究的云雾过程在线综合观测平台，实现对云雾过程中反应性气体、颗粒物、云雾滴的物理特性和化学组成的高时间分辨率连续观测，弥补了以往观测只针对雾间颗粒物和气态成分、缺乏关键多相过程解析的不足。经过近4年的研究，项目组基于各类观测数据构建了我国大气氮沉降过去近40年的长期序列数据集，厘清全国排放-沉降演变趋势，发现我国大气氮沉降已越过不断攀升的“历史峰值期”，進入“趋于稳定，逐渐下降”的转型期。结合观测和模式，他们构建了影响排放-沉降响应关系的过程量化体系;基于数值模拟和“质心迁移”法，初步厘清了氮排放-沉降收支平衡，发现70%的总氮排放以沉降形式回到地表，域内总氮沉降的40%～50%来自本地排放的贡献。结合沉降模拟和临界负荷，发现当前全国约16%的国土面积面临氮沉降超临界负荷的生态风险。目前，这一项目进展顺利，培养了多名年轻的学术带头人，共4人次获得“优秀青年科学基金项目”“青年拔尖人才支持计划”等项目资助;此外，王雪梅还作为召集人组织讨论和编制新增了2020年度国家自然科学基金委大气科学学科“生态气象”（D0507）分支学科代码，推动生态气象学学科发展。

把论文写在祖国大地上：从科学理论到应用

在科学理论探索的基础上，团队还在污染防控实践中检验和应用新理论和新方法。在国际上，团队发展的多层冠层模式已纳入最新的全球天然源排放模式MEGAN-v2.1，被世界主流的空气质量模式采用，全球至少50个国家超过500个研究机构使用。在国内，团队应用改进的空气质量模式为广州市环境空气质量达标规划研究、粤港空气质素研究、珠三角联防联控研究等提供了重要的科学支撑。此外，王雪梅还受聘担任2010年第16届亚运会空气质量保障会商专家，将团队建立的珠三角高时空分辨率天然源挥发性有机物排放清单、改进的高分辨率大气-陆面耦合的空气质量模式及城镇化对大气环境的影响等方面的研究成果直接应用于亚运会。作为深圳2011年世界大学生夏季运动会空气质量保障项目的主要负责人，王雪梅参与了空气质量保障方案的制订，还因此获得了2012年广东省环境保护科学技术奖一等奖。

为打赢蓝天保卫战，王雪梅还作为广东省生态环境厅环境咨询专家委员会委员，开展广东省城市大气环境改善的科技帮扶工作，在实践中建立起应对空气污染的科技服务新模式，为东莞、湛江、茂名等地大气污染治理提供帮扶指导和科学决策支持。团队根据历史空气质量和气象数据以及年度目标，结合污染季节性变化特征，制订全年空气质量达标路径规划并建立“科学闭环”和“行动闭环”的“双闭环”工作模式，保障大气污染防治工作开展，推动长效与应急措施落实执行，跟踪评估管控成效。

“科学闭环”包含预测研判、减排方案、措施制定、落地跟踪、综合评估。团队通过空气质量预报和减排情景设计，提前研判重点时段污染物演变形势;结合长期演变形势，探讨和编制有效的长效减排方案;结合短期（48小时内）演变形势，制订及筛选具体应急管控措施。对长效减排方案和应急管控措施的落地情况实时跟踪并反馈，完成减排潜力计算、清单减排效果评估、措施效果评估等综合评估，通过综合评估分析研判阶段性工作重点，进一步调整减排方向，提高预测研判的准确性和可行性。“行动闭环”在于通过确立攻坚方案，设立组织架构，明确行动方案，构建运行机制和推动绩效考核管理。在“科学闭环”的综合评估和研判分析导向下，明确当前目标形势和工作重点，制订以月为单位的科学攻坚行动方案，同时依据自上而下的组织架构，通过周会商、日常任务和“战时”会商，建立日常稳定运行的工作机制及攻坚战时运营机制。对执行长效减排方案和应急管控措施过程中发现的问题和落地情况进行反馈，形成以月为单位的后评估方案，通过调度会进行统筹协调。两环相扣，形成从“一经发现问题”到“动态评估反馈”最终“快速解决问题”的正向循环，从而实现“优良天达标”和“臭氧改善”两大大气污染防治攻坚战目标的胜利。在“双闭环”理论体系的指导下，同比2019年，2020年东莞空气质量改善率位列全国第二。

跨尺度耦合：打造复合型研究队伍

为了厘清大气污染物与天气气候的双向反馈机制，王雪梅打造了一支耦合城市尺度-区域尺度-全球尺度的复合型研究队伍，研究对象（污染物-天气-气候）跨越了从城市-街区（秒级、米级）、区域（分钟级、公里级）到气候（小时级、百公里级）的多维时空尺度。团队目前共有教授3人、副教授及副研究员5人、助理研究员1人、博士后4人、在读研究生30余人;团队承担国家和省部级项目20余项。王雪梅目前担任未来地球计划（Future Earth）“陆地生态系统与大气过程综合研究”（iLEAPs）科学指导委员会委员、美国城市气象委员会理事等学术职务，以及大气环境主流SCI期刊AE、AAQR、APJAS、Urban Climate编委。

在城市尺度上，团队围绕中-小尺度热动力过程指导城市应对大气环境和气候变化，探索如何最有效地将真实的科学认识转化为城市应对大气环境和气候变化的工具，发展了精细城市结构和排放获取方法体系，建构了精细化的城市下垫面和城市结构数据库，解决精细城市建筑形态参数化的难题。在区域尺度上，团队针对“如何精细刻画陆-气交换关键过程和准确量化其对大气环境的影响”这一关键科学问题，对排放、二次生成、输送、沉降等陆气交换过程中的重要环节开展创新研究：大幅提升土壤NO排放模拟准确度，揭示人为活动对地球氮循环影响需要重新审视;开创性发展网格化人为源半挥发性有机物（S/IVOCs）排放清单，解决了细颗粒物二次组分模拟和观测存在量级差异的难题;引入光合作用叶片氮影响机制、气孔导度CO2补偿机制等过程，提升森林冠层中陆-气能量和物质交换的模拟能力，从而实现陆-气交换关键过程对大气环境影响的准确评估。在全球尺度上，团队探索区域污染或者区域性减排如何影响区域乃至全球气候，为此引入了美国大气研究中心开发的气候模式（CESM），开展了包括对流层和平流层的全大气层污染物的时空分布研究：探究了对流层污染物进入平流层的典型输送管道，发现污染物可以通过对流传输的方式进入平流层，进而迅速在全球中扩散的传输机制;发现了深对流对气溶胶的输送和清除效应，表明了全球尺度上深对流通过云上活化的物理机制可以有效清除气溶胶等污染物质，从而定量评估区域污染与气候的双向反馈效应。

为开阔视野，接受世界前沿的知识，团队还开展了深入的国际合作，与全球气候变化研究权威专家Guy Brasseur教授、美国加州大学尔湾分校大气和生态系统研究国际学术带头人Alex Guenther教授、著名大气环境科学家和数值模拟专家Gregory Carmichael教授等专家学者保持长期的合作关系。作为中方负责人，王雪梅还参与主持了欧盟第七框架计划PANDA项目和挪中高分辨率空气质量信息系统与对策研究合作项目，结合中国和欧洲卫星遥感和地面观测数据，开发了一个全球及区域尺度的空气污染分析与预报联合评估系统，并实现了城市污染源的快速诊断。

展望未来，运用“双闭环”打法，关注碳达峰和碳中和的国家需求，王雪梅计划将团队的研究向更深、更广处拓展。空氣质量与气候变化有怎样的关系？碳减排跟空气质量改善有怎样的协同效应？如何把包括社会经济在内的多维尺度放到模式系统中？这些都是团队未来关注的科学问题。团队将依托粤港澳环境质量协同创新联合实验室、中澳空气质量科学与管理国际联合研究中心、广州区域低碳经济研究基地等省级科研平台，保持对陆-气交换关键过程精细刻画和准确量化的优势，发挥融合了城市尺度、区域尺度和全球尺度数值模拟能力的特色，整合大气环境数值模式-经济损益核算模式，围绕提升气候变化与大气环境风险以及碳中和情景下、多尺度的自然-社会效益预测评估能力深入开展系列前沿的科研工作。