探索气溶胶天气气候效应——记中国科学院大气物理研究所研究员林光星

李 莉 孙雅琴

林光星

全球气候模式是研究与预估气溶胶气候效应及其反馈的重要工具。长期从事气溶胶—地球系统模式的研发与应用，中国科学院大气物理研究所研究员林光星，不仅与国内外著名研究单位有着良好合作基础，更有着丰富的地球系统模式发展和应用经历。2020年，他在国家明确提出“碳达峰、碳中和”双碳目标的背景下回国，为认识气溶胶对气候的影响机制，做好预测，找到实现“双碳”目标的有效途径，林光星做着持续探索。

海外逐梦

林光星坦言，与相关方向结缘完全属于巧合。高中毕业，林光星考入北京大学，因对数理化感兴趣，他进入北京大学地球物理系学习。此后院系调整，林光星进入物理学院开始学习大气科学。从懵懂到对此感兴趣，在逐渐摸索中，林光星也慢慢确认了自己对科研的热爱。

“面对一些问题，我总是试图去搞清楚，我觉得科研让人幸福的地方就在于它可以满足我这样的兴趣爱好。”林光星说。在北京大学完成本科、硕士学业后，林光星出国深造，在美国密西根大学大气科学方向攻读博士学位。怀着对外面世界的好奇、抱着学习的态度，林光星在科研道路上勇攀高峰，博士毕业他先后在美国密西根大学大气海洋与空间系、美国西北太平洋国家实验室大气科学与全球变化部开展博士后研究，还作为美国西北太平洋国家实验室大气科学与全球变化部的地球科学家投身一系列研究工作。其中，他参与的一个重要项目是改进美国能源部的地球系统模式（E3S M）的多尺度模式（MMF)（也叫超级参数化，即在气候模式的粗网格中嵌入云解析模式）。为降低气候模式中气溶胶辐射强迫估计和云的反馈的不确定性，利用大时间尺度观测数据，林光星研发了多尺度气候模式系统及其模式应用，并利用完善的M M F模拟了全球云和气溶胶的时空分布。

在项目攻关中，林光星分析了气溶胶在次网格上的不均匀性及其与云的特性变化的关系，指出了模拟次网格气溶胶和云的变化的重要性。在此基础上，他在MMF的云解析模式格点上（4公里网格）加入了大气气溶胶过程的处理，为研究气溶胶提供了一个全新而强大的工具。通过和地面、飞机和卫星观测资料比较，林光星发现此新模式能够改进北美、欧洲及极地地区的黑炭气溶胶浓度模拟。除此之外，林光星还改进了M M F中的云微物理方案，使M M F成为一个能够更好地预测未来气候变化下水循环、云反馈、气溶胶气候效应和地球生物化学循环的强大工具。

参与项目的经历，让林光星对“合作”二字有了深刻的体会。虽然观测和模拟是同一个行业，但却分属不同的方向，为更好交流，需要理解对方的工作，在此过程中林光星丰富了知识面；良好的交流也让林光星所研发的模式不断被优化，越来越贴近于观测结果。

外表，林光星是一个理性、冷静的年轻学者，但内心他也有年轻人对冒险的向往和冲动。与做观测的科研工作者打交道，林光星收获了不一样的体验。经常在野外观测的科学家经历会更丰富，他们会向林光星讲起很多趣事及惊险的经历。通过他们的讲述，想象着坐飞机在大暴雨后穿过云层进行观测的画面，林光星仿佛也经历了另一种人生，也让他对于科研工作萌生了更多的灵感火花。

致力创新

大气气溶胶危害人体健康，对天气和气候系统更有着重要影响，但气溶胶气候效应的研究还存在很多不足，是未来气候预测不确定性的主要来源之一。为降低这种不确定性，林光星一直致力于研发地球系统模式中气溶胶相关的模式分量，改进对气溶胶有关过程的处理，并应用这些先进的地球系统模式结合观测，研究大气气溶胶的分布、演变和气候效应。

为降低气溶胶模拟的不确定性，林光星研发了一套基于物理化学过程的显式有机气溶胶模式。不同于传统的简单方案，这模式可以显式模拟大气中发生的一系列物理化学过程，从而预测出大气中的有机气溶胶浓度，开创了模拟有机气溶胶的新方向。目前，此模型已被多个国际研究小组用于探究气溶胶的科学问题中，并且，林光星的研究还成为I P C C（Intergovernmental Panel on Climate Change，联合国政府间气候变化专门委员会）第五次评估报告关于气溶胶辐射强迫估计的主要依据。

传统气候模式通常会忽视二次有机气溶胶对气候变化的影响，并且认为二次有机气溶胶不吸收任何太阳光。结合已有的观测数据量化了棕碳气溶胶的气候辐射强迫的结果，林光星发现棕碳气溶胶在大气中和冰雪表面的辐射吸收都有不可忽略的贡献（占黑炭气溶胶辐射吸收的27%～70%）。这一新发现对气候系统能量平衡和大气能量垂直分布有着重要的意义。

在这些发现中，林光星开发的CESM-IMPACT模式大幅度提高了有机气溶胶的模拟质量浓度，缩小了模式与观测之间的差距。而且此模式发现液态化学反应对二次有机气溶胶的全球平均贡献可以达到30%以上。这一结果发表后得到国际学术界的广泛关注。《化学评论》（Chemnical Reviews）杂志的一篇综述文章对林光星在有机气溶胶在液态形成方面的研究做了大篇幅讨论。另外一篇文章也肯定了林光星对异戊二烯环氧二醇有机气溶胶首次模拟所作的贡献。I P C C第五次评估报告也强调了他所做研究对二次有机气溶胶源解析的贡献。

回国筑梦

虽然在国外求学、工作多年，但林光星一直在关注祖国的发展动态。如何使我国从应对气候变化的积极参与者、努力贡献者，逐步成为关键引领者，是诸多环境学者的共同关切，林光星亦是其中一分子。结合自己的科研兴趣，更为了拥抱更广阔的发展空间，林光星决定回国。中国科学院大气物理研究所为林光星各项工作的开展提供了大力支持。回国后，林光星很快适应了国内的科研节奏。

做模式研究对计算机资源的要求较高，中国科学院大气物理研究所的大科学装置“地球模拟器”为林光星提供了重要的科研平台。林光星介绍，现有的观测已经发现二次气溶胶（二次有机气溶胶、硝酸盐和铵盐气溶胶）是我国雾霾的重要组成部分，现有的地球系统模式的气溶胶模块仍然有许多需要改进的地方，特别是对于二次气溶胶的模拟还有很大偏差，因此回国发展完善中国科学院地球系统模式中的大气气溶胶物理化学过程的处理方式，打造具有中国特色、国际领先水平的二次气溶胶模块十分必要。

另外，林光星还将进一步提升国内地球模式对云和降水的模拟能力，利用多尺度模拟框架提升中国科学院地球系统模式的分辨率到公里尺度，显式解析模拟深对流，精细模拟气溶胶、云、降水及它们之间的相互作用。

气候变化正在影响着地球上每一个地区，对全球粮食、水、生态、能源、基础设施及民众生命财产安全构成长期重大威胁，应对气候变化刻不容缓。在“中国将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的承诺被提出后，“双碳”成为大力推进的重要任务。但工厂减排，减排了二氧化碳，另一方面也减排了气溶胶，减排气溶胶对气候会有什么影响？对天气会有什么影响？由于“双碳”目标被提出不久，缺乏观测数据，目前这些问题的答案还不明确。提前模拟、发现问题、早做规划，林光星希望通过自己的工作为此作一些贡献。

“‘双碳’目标的实现涉及很多面，不是一两个人能搞定的问题，要做出与气候变化有关的任何决定，需要大家共同达成协同合作的意愿。即便明天就出现一种奇迹般的地球工程技术，它能否保证在没有副作用的情况下就帮助地球恢复到工业化前的气候，也仍需所有人一起对其进行测试和实施。”林光星说，“归根结底，在影响气候、天气上，人类活动都扮演了极为重要的角色。”