走向世界的中国预报模式

刘玉杰

在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，“区域大气复合污染防治”被列为环境领域的优先主题。而早在2010年，区域性的大气灰霾和光化学烟雾就作为防治的重点，被列入了国务院《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》中。

由于我国长期缺乏自主研发的数值模式，重污染的预警、预报和溯源一直在区域大气复合污染防治中面临尴尬，传统的模式更存在着机制有缺陷、预报不准确等问题。“宇航员在太空中可以根据物理知识构建一个模拟仓，但大气污染的研究却做不到，灰霾和臭氧的研究在大气科学的分支中更加复杂。”中国科学院大气物理研究所研究员、博士生导师李杰说。

近年来，李杰和他所在的中国科学院大气物理研究所团队，在团队自主研发的空气质量模式NAQPMS基础上，突破重污染形成机制的数值表征难题，以京津冀地区为研究对象，研发出我国气溶胶重污染预报模式——重污染数值模式NAQPMS，提高了重污染预报效果。如今，这一模式已成为中国环境监测总站和3大区域预报中心的核心业务模式，为我国区域重污染红色预警提供了关键技术支撑，有效提高了我国城市空气质量的预报水平。

22年的时间里，李杰深耕于中国大气物理和大气环境研究领域，不仅在重污染预报的数值模式中完成了自主创新，率先发展二次污染物动态溯源新方法，解决了污染输送量评估难题，更致力于将中国自主研发的数值模式向“一带一路”沿线国家推广。他希望，未来在提高污染预警预测准确率的基础上，能够致力于研究中国与世界的污染输送难题。

中国自主的重污染预警数值模式

长期以来，发展能够合理模拟预报区域空气质量的数值预报技术，实现重污染事件的预报预警，既是国际大气环境研究领域最关注的前沿科学问题，也是制订重污染应急预案的科学基础。

对研究者来说，已形成的污染必须追溯和了解到其来源，才能有针对性地进行有效控制。而大气学科有着不可重复性和复杂性的特征，已经发生的污染天气已经过去，且大气污染的形成中，所有因素几乎都在同时起作用，传统的实验室研究无法针对大气污染构建一个准确的模拟环境。

在李杰看来，采用数值模拟的手段，即可以利用气象学、数学、物理和化学的跨学科手段，通过建模，以一个合理水平再现污染的形成过程，让各方面因素同时起作用;其次，数值模拟的方式，还可以较好地对污染天气进行预报，解决了以往只能依靠经验判断或统计学研究的方式;数值模式的发展，也对大气污染的成因提供了有效的分析手段，可以量化每一个因素对污染的形成有多大作用，分析污染的成因、来源、影响。

中国科学院大气物理研究所的课题组，从20世纪90年代开始，就一直在研究数值预报技术与模式。然而，研究表明，当前国内外空气质量数值模式对于京津冀地区复合大气污染（特别是二次污染物）的生消过程缺乏深入的认识，对观测和污染源数据的利用不足，难以对区域污染特别是重污染事件实现准确模拟，亟须阐明符合复合污染成因，突破区域灰霾模拟、预测技术瓶颈，研制出我国自己的区域空气质量预报系统。

李杰认为，近几十年来，中国的经济增长方式经历了以工业化为主要推动力向以城镇经济为主要推动力的转变。大城市重要污染企业向中小城市转移，污染源分布格局发生改变，导致大气污染呈现出区域化和复合化的新特点。区域性的光化学烟雾和灰霾交替、耦合发生，客观上要求必须更加全面了解大气污染在新条件下的演变规律。

在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》的基础上，2013年6月，李克强总理部署大气污染防治十条措施（简称“国十条”），明确了环渤海等区域的联防联控机制，特别是将重污染天气纳入地方政府突发事件管理，根据污染等级采取控制措施。

“区域性复合大气污染是当前京津冀地区面临的主要环境问题之一。如何准确预报污染时空分布及其来源，是我国环境管理部门亟待解决的一大难题，也是国家对大气环境科学研究提出的重要任务。”李杰认为，预报准确率偏低是困扰京津冀重污染预警应急的难题，也是国内外主流模式共同面临的技术瓶颈，其中突出表现为硫酸盐和二次有机气溶胶浓度被严重低估。

随着PM2.5的污染问题在国内越发受到关注，李杰和团队努力研发出了符合中国情况的重污染空气质量数值模式，提高了灰霾等污染物的预报和预测能力。

通过分析3年来50多次重污染过程，他与团队发现，气溶胶表面的非均相过程是重污染期间硫酸盐快速增长的关键，其增长速率与气溶胶理化属性和气象要素之间存在动态正反馈机制。

这一机制与经典理论强调的均相和云化学完全不同，也与近年来认为非均相化学速率在一定气象条件下是静态的观点不同。李杰说，通过这一机制，京津冀重污染期间硫酸盐的模拟误差从-50%减少至-10%。

李杰与团队还发现，中间挥发性有机物的氧化是秋冬季二次有机气溶胶的关键形成机制，环境温度在其中扮演了关键角色，这些前体物主要来自散煤燃烧和机动车排放，被当前主流模式所忽视。

在开展重污染期间二次气溶胶的形成机制研究的基础上，李杰与团队自主研制出我国气溶胶重污染预报模式——重污染数值模式NAQPMS，成为我国区域重污染红色预警的关键技术之一。

自2013年5月以来，重污染数值模式NAQPMS业已成为國家环境质量预报预警中心和十余个区域（省）的核心业务模式，京津冀重污染预报准确率超70%，特别是“2016年重污染准确率达85%以上”，较2010年提高30%以上。

NAQPMS也在国际上获得好评，美国气候变化科技计划主笔、联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）第四次报告评审专家和NOAA气溶胶模式专家委员会成员米勒（Miller）、国际地理协会前主席高迪（Goudie）将NAQPMS称为东北亚气溶胶研究、亚洲矿尘与人为无机盐相互作用机制研究的代表性成果。NAQPMS还作为唯一的中国模式，被国际应用系统分析研究所（24个成员国）和日本国立环境研究所邀请开展亚洲空气污染评估研究，成为日本J-STREAM模式比较计划的核心成员。

解决区域污染输送评估难题

伴随着东亚地区近年来经济的快速发展，人类活动所致的SO2、NOx、VOC、CO、NH3和PM等常规污染物以及汞、二噁英等有毒污染物排放的急剧增加，空气污染物远距离跨国界传输问题，已经越来越引起东亚国家的关注。准确评估东亚各国间大气污染物的相互输送通量和贡献，特别是我国大气污染物的跨境输送及周边国家对我国的影响，是适应国际环境外交领域的新形势所需要迫切解决的科学问题。

早在多年前，东亚大气污染物的跨界输送问题已经成为我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中环境领域的优先发展主题，被《国家环境保护“十一五”科技发展规划》列为三大全球环境问题之一，是当前国际关系中新的外交热点。

对此，韩国发起了由中日韩共同参加的东北亚地区远距离跨国界传输空气污染物的监测和模拟研究（LTP）大型国际合作项目，目前已经进行了为期10年的研究。

李杰认为，采用数值模拟来研究大气化学物质浓度的分布、演变及讨论各区域的相互影响和贡献，变得越来越重要。然而，因研究方法和所使用资料的差异，东亚各国对大气污染物跨国输送特别是我国大气污染物跨界输送影响的定量评估结果还存在较大的偏差和争议。

以硫化物的輸送为例，市川（Ichikawa）和藤田（Fujita）（1995）认为中国污染源对日本的贡献达到50%;克洛斯（Clori）（2001）等指出中国污染源对日本的贡献从1985年的25%增长至1997年的39%。上述结果与黄美元（Huang）（1995）等和阿思特（Arndt）（1998）等的研究截然相反：中国污染源对日本的贡献仅为3.5%～15%。

二次污染物臭氧的研究也存在同样的争议。中国区域本底站（临安）的观测结果显示臭氧日最大浓度的增幅（0.58ppbv yr-1）远远低于下游台站（1.0ppbv yr-1），甚至其日平均浓度呈下降的趋势，这一特征并未被大部分数值模拟所捕获。

在李杰看来，由于长期以来受多种因素的制约，我国对东亚大气污染物洲际输送的研究存在不足，主要表现在输送影响的定量化评估不确定以及周边国家对我国影响的研究较少，难以满足国家需求。如果对东亚地区的区域空气质量问题做进一步深入研究，不仅可以让中国在环境外交上赢得主动，还可以为顺应国际区域环境合作的外交形势提供科学支持。

针对区域大气的研究中，传统的研究方法本身存在一定缺陷的问题，李杰与团队专门就东亚各国之间大气污染相互输送和国内不同城市群之间的大气污染相互影响问题进行了深入研究。而以三维大气数值模式作为主要的预报工具，可以有效再现污染物的三维时空分布特征，解析大气污染物的主要来源（行业等），还可以评估污染物跨界输送的影响。

事实上，早在2006—2007年，李杰和团队就开始研究国内城市之间的污染输送。他们发现，不仅北京与河北等城市之间有着污染上的相互影响，在夏天，长三角的污染物也可以被吹到京津冀、辽东半岛等城市群，城市群与城市群之间同样存在着相互影响。

李杰认为，数值模拟在了解大气化学过程的发生机制及其环境气候效应中具有重要作用，可以量化众多物理化学过程的综合作用，还可以给出大气化学物质细致的时空分布及不同物理化学过程贡献的相对大小，并为大气污染远程输送提供许多新的分析技术与手段，而他和团队发明的NAQPMS同样为污染物远程输送研究提供了关键技术支撑。

为了发展具有守恒、闭合特点的污染源解析技术，李杰和团队模拟分析东亚大气污染物（酸沉降、臭氧和大气颗粒物）的源受体关系及其时空分布特征，将东亚区域划分为若干子区域，分别是我国东北、华北、华中、华东、华南和西南6个区域，日本、韩国、东南亚及其海域，利用数值模拟结果，分析不同污染物（酸沉降、臭氧和大气颗粒物）的源受体关系，分析跨界输送特别是我国跨界输送对周边国家的影响，并确定对我国有显著影响的周边国家地区及其敏感季节。

而在数值模拟的基础上，李杰和团队开展重污染精细溯源研究，率先发展二次污染物动态溯源新方法，解决了污染输送量评估难题，成为中国《大气颗粒物来源解析技术指南》等多项国家指南的核心技术。这一新方法，不仅发展了考虑大气化学非线性特征的二次污染物溯源新方法，一次模拟即可解析不同地区、行业和理化机制的贡献，还构建了大气污染物总量优化模型，实现重污染期间污染排放总量优化设计。

李杰团队发明的二次污染物动态溯源方法，在参与研究北京、天津及周边16个城市的污染输送问题的研究中，获得了国家科技进步奖二等奖;针对东亚国家之间污染物相互输送影响的研究，也获得了中国环境科学学会环境保护科学技术奖二等奖。二次污染物动态溯源方法也被知名学者汉森（Hansen）称为“比传统方法更准确”，还被英国兰卡斯特大学评价为“技术先进”，是污染决策支持研究的核心工具。

中国的大气科学要为“一带一路”作贡献

李杰说，搞大气科学，不能只是在实验室埋头苦干，除了要走出去获取更多一线数据，也要多读书多思考。“学而不思则罔，思而不学则殆，光学习不联系实际，不和大家交流，学到的东西就是死的;反过来，光思考而没有知识储备，思考就是空中楼阁。”

李杰1997年考上南京气象学院（现南京信息工程大学），就读于大气物理和大气环境专业，2001年到兰州大学攻读大气物理和大气环境专业硕士研究生，2004年考上中国科学院大气物理研究所大气物理学与大气环境博士，一直在大气物理和大气环境研究领域步步为营，不断深耕。

早在高中的时候，对空气质量预报不甚了解的李杰却对大气科学充满兴趣，他觉得气候学是非常神奇而又非常有意思的学科。在攻读硕士研究生期间，李杰还曾就北京当时遭遇的罕见性沙尘暴进行过深入研究。

当时的发现是，沙尘暴并非完全是由人为导致的水土流失引起的，同时也有一部分自然因素。而且，沙尘暴并不总是坏事，一些沙尘暴可以输送到下游地区，营养成分随之沉淀到海里，可以促进当地的鱼类和浮游植物的生长。而浮游植物的生长又可以吸收二氧化碳，起到固碳的作用。

这一研究更让李杰深刻知道，大气科学并非简单的有无、好坏的问题，而是一个很大的循环系统，需要更深入的研究，使用更先进的观测手段。

“大气人”的成果并非坐在实验室就可以完成，需要跋山涉水，获取一手数据。针对国内目前背景观测站数据较少的情况，李杰所在的中国科学院大气物理所与相关地方合作建设了3个高山观测站，分别位于泰山、黄山和华山。在连续3年的时间里，他和团队每年都要在3个观测站做10次左右的观测，进行大气数据尤其是臭氧和一氧化碳的收集和模拟。3年下来，仅泰山和黄山，李杰就各自爬了二三十次，还在华山上住过很久一段时間。让他难忘的是，12月份，在华山西峰，风大雪厚，他们住在近2000米海拔的山峰上，仪器在屋子里，他们围着火炉睡觉，盖着两层厚厚的被子。

长年的研究让李杰敏锐地发现，国内对于污染物快速增长的情况总是无法准确模拟和预报，而一旦预报错误，就会对地方造成极大压力，各地总结重污染预警预报时的尴尬现状表明，国内的污染预报缺乏一个行之有效的机制，仍亟需创新发展。

早在日本交流学习时，李杰就已经在不断研究，希望发展出适合中国污染预警的数值模式，如针对华北地区夏季臭氧全国最高的情况进行溯源分析等。李杰坦言，在日本的时候主要从事科学机制研究，而回到国内后，他的研究就与国内污染的实际情况紧密结合在一起了。

李杰说，随着大气物理理论和气象观测技术的发展，新的研究成果也为他们在数值模式方面的研究提供了非常大的助力，中国利用数值模式预警预报污染天气的范围越来越广。不断发展的大数据和人工智能技术，也在助推着中国自主研发的数值模式的发展，开放性和包容性越来越强。如今，中国的重污染预警预报已经达到国际先进水平。

作为一名博士生导师，李杰对培养人才有着自己的理念。他始终认为，必须对学生多做思想工作，尤其是要告诉他们，科研并非小学生想的那样高高在上，而是非常艰辛的。但同时，科研也不是高不可攀的，想获得科研的成果，须通过自己的努力，克服科研道路上的一个个困难。他还认为，学生在读研究生期间就必须找准一个学习的方向，培养一个好的学习习惯，找准国家未来需要攻克的科研难题。

对于未来国内大气科学的发展，李杰说，需要做更高分辨率、更长时效的空气质量预报，要提高中国重污染预警预报模式的功能和机制，形成中国自己的模式和特色。与此同时，在“一带一路”的大背景下，中国的大气科学研究者，可以利用在国内研究中的成功经验，为“一带一路”沿线国家提供相应的帮助，在环境保护上，与“一带一路”沿线国家相互影响。为此，中国科学院大气物理研究所组织了东亚空气质量数值模式国际比较计划，不仅有来自中日韩等国家的研究者参与，也有来自东南亚其他国家及欧洲、美洲等国家的参与，通过相互合作，形成更好的数值模式。

“未来，我希望自己的研究可以提高国家在污染预警预报中的准确率，进一步研究全球性的污染物对中国的一些影响。”李杰说。

（责编：苏寒山）