追本溯源，霧霾可破

劉玉杰

如果幾年前霧霾沒有盤踞在大半個中國當“釘子戶”，我們也許不會意識到，即使擁有一日千里的科技發(fā)展速度，人類知識也仍有不足，大氣原本需要更多呵護。

徹底打敗大氣污染，當然不能靠風，依靠科技力量才是制勝關鍵。也因此，越來越多有志于此的科研工作者投身其中。感受到祖國的召喚，在科研賽道上已先行一步的張宏亮辭去了美國的教職，迅速加入復旦大學環(huán)境科學與工程系。

運用溯源式氣象與化學耦合的三維空氣質量模型模擬顆粒物在大氣中的化學和物理過程，從而研究污染物與氣象和氣候的相互關系；開發(fā)與完善區(qū)域空氣質量模型，了解不同類型污染物在大氣中的生成、傳輸和沉降等過程及它們對生態(tài)環(huán)境、人體健康等的影響；運用可反應示蹤物技術，通過擴展大氣化學機理和氣溶膠過程，對大氣中的氣相污染物和顆粒物進行源解析，為污染控制提供決策建議……張宏亮以自己的所學與科研沉淀加入了這場護衛(wèi)藍天的保衛(wèi)戰(zhàn)中。

立身科研，不畏浮云遮望眼

哲學有終極三問“你是誰？從哪兒來？到哪兒去？”，而對陣科研難題，往往也要從這里追本溯源。

大氣污染是什么？可以理解為污染物在空氣中，積累到了一定的濃度，達到了足夠的時間，威脅人類與自然環(huán)境的現(xiàn)象。據(jù)美國健康效應研究所發(fā)布的全球空氣狀況報告顯示，2017年全球因長期暴露于室外和室內空氣污染而死于中風、心臟病、肺癌、糖尿病和慢性肺病的人數(shù)接近500萬。

那么這些污染物從哪里來、又到哪里去呢？張宏亮耐心地為我們解釋道：“它們來源于人類活動和自然活動的排放以及在大氣中發(fā)生的物理化學過程。這個過程非常復雜，在環(huán)境中只能直接觀測到污染物的濃度，想要分析它們的來源則需要了解每一個過程的機理，這就需要進行實驗研究。我們還可以通過模型模擬科學已經(jīng)認識到的所有過程，運用計算機來細致分析每一個過程?！?/p>

大氣污染物種類多樣，有霧霾的始作俑者PM2.5，還有臭氧、二氧化硫等?；灸Ｐ涂梢愿鶕?jù)排放狀況、當前大氣中污染的含量和氣象條件，預測下一個時間點每一種污染物的濃度。但沒有確定來源的定量信息，治理污染談何容易，點源還比較好控制，移動源和面源簡直讓人無從下手。而張宏亮的研究重點就是擴展基本模型，讓不同來源的污染物在模型中被分別跟蹤模擬。

“比如二氧化硫是一種氣體污染物，在基本模型中，不管它是從哪里排放的，都會被加在一起模擬，當最后生成硫酸鹽時，我們無法知道每一個來源的貢獻分別是多少。而在我們源解析的模型中，可以分別跟蹤電廠、工業(yè)、居民燃煤等排放的二氧化硫，這樣最后生成的硫酸鹽里，我們就可以得到多少來自電廠，多少來自工業(yè)排放，多少來自居民用的燃煤。以此類推，我們可以了解到所有污染物的來源。在大氣模型中沉降是一個基本過程，跟蹤污染物來源，也就同時跟蹤了沉降，這樣也能量化來自不同污染源的沉降貢獻，為水體污染和土壤污染治理提供必要的信息?！庇辛舜_定的來源，規(guī)劃排放等問題就迎刃而解。在保證中國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的同時，治理空氣污染就有了科學理論支撐。

與此同時，溯源式模型還可以在氣象領域大展拳腳。“大氣中的顆粒物會吸收、反射太陽光，這就會影響達到地表的輻射、從而影響地表溫度、氣壓、風等，顆粒物還可以做云核，對云滴的數(shù)量和大小也有影響，這就會影響成云和降水等氣象條件。”在張宏亮的介紹中，顆粒物有了和人一樣的性格，“每一個顆粒物就相當于有棱角的人，不同來源的顆粒物性格特點不一樣，有的喜歡水，有的不喜歡。大部分模型中卻忽略了這一點，認為所有顆粒物都是一樣的，預測因此產生了誤差。而我們的源解析模型就可以根據(jù)顆粒物的不同來源，判斷它們在太陽輻射和成云影響中的不同作用。擴展模型區(qū)別對待，就可以更準確地理解污染物和氣候、氣象的相互關系?！?/p>

見微知著，絕知此事要躬行

那么，這位大氣污染研究專家又是如何與科研結緣的呢？

張宏亮本科就讀于清華大學，十幾年前，這位80后學霸從無數(shù)優(yōu)秀學子中殺出重圍，叩響這所百年名校的大門時，第一個念頭就是“什么專業(yè)代表未來”。

“我們高中的時候，中國的環(huán)境污染并沒有現(xiàn)在這樣嚴重，社會關注度也比較低。很偶然的機會，我注意到了身邊一些環(huán)境污染的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)司空見慣的尾氣、污水都有可能影響我們的生活。我想，不管科技多么發(fā)達，我們人類都不能離開空氣、水和土壤，大自然跟人類息息相關?！鄙倌甑臒岢?，就這樣把多年的光陰錨定在了環(huán)境保護的靶心上。

張宏亮當年在清華環(huán)境系學習的時候，最主流的研究方向還是水污染治理，課程設置大部分與水污染相關，做大氣污染方向的研究人員也相對較少。幸運的是，大學三年級時，系里開設了“大氣污染控制”專業(yè)課，授課老師是郝吉明院士和王書肖教授，兩位大師的授課內容生動有趣，一下子吸引了他的注意力。

碩士階段，張宏亮進入了清華大學熱能系，跟隨導師王淑娟教授研究二氧化碳脫除的技術。在初級研究者的探索期，他敏銳地發(fā)現(xiàn)我國對污染物在大氣中的反應過程了解還存在很大空白。這樣的未知領域，對一個滿懷赤子之心的青年學者有著致命的吸引力，因此他果斷回到了大氣污染物的研究中，并決定赴美讀博。

赴美深造，著鞭跨馬涉遠道

4年博士、2年博士后、5年獨立的科研和教學工作，張宏亮在美國的發(fā)展可謂風生水起。

博士階段他的主要工作是開發(fā)源解析模型。當時在美國，大氣污染物源解析模型研究已經(jīng)初具成就，但原來的源解析方法都是基于觀測的統(tǒng)計方法或者敏感性方法，忽略了大氣過程的最重要特點——非線性。大氣污染物既要經(jīng)歷傳輸擴散和沉降的物理過程，又要經(jīng)歷光化學、氣相、液相和顆粒相等化學過程，復雜至極。如何確定不同源的貢獻呢？他敏銳地捕捉到了一點：“采用基于可參與反應的示蹤物技術，就可以準確獲取不同排放源或排放區(qū)域對污染物的貢獻，從而為有效控制措施的制定提供必要信息。”

博士階段，他所開發(fā)的模型已經(jīng)使用在美國得州休斯敦地區(qū)和亞洲地區(qū)的污染物模擬中，包括氣相污染物甲醛、氮氧化物和臭氧及顆粒物的主要成分炭黑、有機碳、硝酸鹽、硫酸鹽和二次有機氣溶膠等。研究結果強調了不同污染物的主要排放源各不相同，表明了有效污染控制措施需要綜合考慮對不同污染物的整體控制效果。

在應用過程中，張宏亮還提高了模型對二次有機氣溶膠的分析，也就是大氣中二次形成的有機類顆粒物，它的形成機理是目前全球學界的一個熱點和難點。此后他乘勝追擊、再進一步，開發(fā)了溯源式氣象和化學耦合的模型?！耙话憧諝赓|量模型是先模擬氣象再模擬污染物，這樣忽略了顆粒物對氣象的反饋作用。氣象和化學耦合的模型可以了解到污染物對氣象的反饋作用。但是開源的模型沒有考慮到不同來源的顆粒物的反饋作用不同?！本瓦@樣，博士后階段張宏亮開發(fā)了跟蹤不同來源污染的耦合模型。污染物從不同污染源排放出、可以根據(jù)其擁有的不同屬性和粒徑被分開處理，其在大氣中的反應、傳輸和沉降也可以區(qū)分對待，這就大大增加了我們對空氣污染和氣象、氣候之間相互作用的掌控。這一模型在美國也已順利走上了“工作崗位”，被用到了港口地區(qū)船只污染排放的高精度模擬、加州中部谷地濃霧事件分析，以及加州的二氧化碳控制法律對2050年空氣質量的協(xié)同效應分析等重要舞臺上。

張宏亮在美國取得的主要成果可以總結為三項：第一，他所在的研究組率先開發(fā)的溯源式顆粒物處理方法能夠提高模型對顆粒物光學效應的估算能力，從而更好地模擬顆粒物的光學效應和成云過程。模型的框架搭建好后，一些運用已經(jīng)證明其獨一無二的先進性。第二，開發(fā)了基于示蹤物技術的污染物源解析模型并廣泛運用在世界各地。第三，他綜合利用模式和觀測數(shù)據(jù)，明確了污染特征、完善了模式機理、提高了模型在不同時間地點的模擬精度。

幾十篇論文陸續(xù)發(fā)出，他積極參與了美國氣溶膠研究協(xié)會、美國地球物理協(xié)會、亞洲大洋洲地球物理協(xié)會等重要學術會議；作為分會場召集人和主持人，組織學術研討會；還成為了擔任多個SCI雜志的編輯、客座編輯和審稿人。

辭職回國，不失初來赤子心

年紀輕輕就在國際學術界嶄露頭角，并沒有讓張宏亮忘記自己的初心。最牽動他的，仍然是祖國空氣污染治理的現(xiàn)狀。 2013年，當霧霾成為同胞們街談巷議的熱點話題時，他已經(jīng)第一時間行動了起來?！拔液秃献髡咦钤缋梦覈?013年起開始公布的污染監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了我國污染物的現(xiàn)狀特征和危害，還利用這個數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)計手段，驗證了模型存在的誤差，發(fā)展和完善模式的機理并提高模型的準確性。”而隨著源解析模型的日趨完善，他意識到，回國的時刻來臨了。

幾年來，我國雖然在大氣污染領域取得了顯著發(fā)展，但是在某些方面仍然存在短板，比如在對大氣中顆粒物的粒徑分布、來源和有毒組分等的研究，再比如開發(fā)引領世界的新一代空氣質量模式和深入探索顆粒物與氣象氣候相互的關系等。而這幾個方面，剛好是張宏亮的深耕領域。2019年，他辭去了在美國人人艷羨的大學教職，果斷攜妻帶子搬到了上海，受聘復旦大學。

實際上，在登上飛機之前，回國后的研究規(guī)劃已在張宏亮的心中成形。首先，他計劃通過完善自己擅長的溯源式考慮粒徑分布的空氣質量模式，將其與復旦大學現(xiàn)有的實驗室機理研究和外場觀測成果相結合，系統(tǒng)深入地研究長三角地區(qū)顆粒物的粒徑分布、來源以及有毒組分和環(huán)境持久自由基的污染水平及變化規(guī)律；利用獲得的關鍵數(shù)據(jù)，研究不同粒徑、來源的顆粒物及其有毒組分的主要形成機理、控制因素和轉化機制；并預備與健康研究結合，開發(fā)建立基于空氣質量模式的大氣顆粒物污染的人群長期暴露評估理論和方法，揭示長三角地區(qū)顆粒物污染的健康影響機制。

另外，張宏亮之前參與開發(fā)了最先進的溯源式的污染氣象耦合模式，考慮不同來源炭黑的不同的混合狀態(tài)、提高了模型對顆粒物光學屬性、輻射特性、云核和冰核的激活過程的模擬。以此為基礎進行深耕，對完善大氣過程、理解未來氣候變化起到了重要影響。

除此之外，張宏亮還有一個宏大的目標——要參與構建一個中國自主研發(fā)的污染與氣象耦合模型?！澳壳笆澜缟现髁鞯牡谌諝赓|量模式、污染與氣象耦合模式都是基于美國等發(fā)達國家的。經(jīng)過長期的治理，這些發(fā)達國家的空氣污染物濃度已經(jīng)很低。相對于我國復雜的地理環(huán)境、氣候類型和高污染濃度等特征，這些模型往往存在較大的偏差。我們中國學者在模擬國內的空氣污染時，往往需要自主添加多種機理和過程來提高模型的預測精度。而不同學者所用的方式各不相同，為全國層面的污染治理的頂層架構帶來了很多問題。更麻煩的是，我們所用的模型還不能被各級政府部門用來協(xié)助污染控制規(guī)劃?！碧岬竭@個想法，他滿眼豪情，“之前我們一直在發(fā)達國家身后模仿和追趕，而現(xiàn)在時機到了，我認為我們應該能在新一代空氣質量模型開發(fā)上起到引領作用，與我們日益提升的國際地位相匹配?！?/p>

張宏亮在學術交流活動中提出這個設想后，得到了同行們的積極響應，這給了他更多的信心，以自己過去十多年的科研經(jīng)驗為基礎，與各地優(yōu)秀研究者們同行，讓更大的團隊參與到這項將對中國產生巨大意義的工作中來，這才是他夢寐以求的風景。

投身復旦，摘得星辰滿袖行

記者見到張宏亮前不久，他參與了“青少年高?？茖W營”復旦分營的活動，做了一場《空氣污染與氣候變化》的主題講座。他說：“我很喜歡參與這樣的活動，愿意和同學們互動?！笨吹脚_下熱切的目光，猶如看到了當年的自己，重歷了科研理想的落地、生根、枝繁葉茂。

走進復旦，過往的經(jīng)歷對張宏亮來說更像是悠揚的前奏。無論是在美國進行課堂教學、指導學生，還是管理課題組、撰寫研究計劃書……都為今天工作的有序開展做好了鋪墊。在國內要開展的科研規(guī)劃逐步落地，自己所帶的本科生和博士生能快速成長，在他看來，事業(yè)才正式開啟了渾厚的第一樂章。

“本科教學是難點，這是目前全世界不少老師的共識。”他解釋說，“時代在發(fā)展，同學們接受信息的方式越來越多，海量劇增的信息都在爭搶他們有限的注意力。在本科階段，很多同學還沒形成良好的學習習慣，他們會傾向于只吸收自己喜歡的內容，這對教學是個不小的挑戰(zhàn)。在這種背景下，課上努力提升大家的興趣，吸引同學們課下自動自發(fā)地學習，我認為是教學設計中很重要的部分。”

張宏亮篤信：授人以魚不如授人以漁。傳統(tǒng)的教學方式傾向于將成形的知識捧給學生，而在他看來，教會學生如何去學習，將會產生更大價值?！叭绻瑢W們拿到一本書，能主動閱讀、主動思考，他們涉獵的知識就會更加廣泛，創(chuàng)新思維也不受束縛，未來的發(fā)展也會因此受益。以前在美國，有幾個學生常會主動要求我多分學習任務給他們，時長日久，他們的能力確實會比其他人更加出眾。復旦的同學們素質都很好，我把精力放在教他們探索陌生領域的方法，目標是引導大家都能對環(huán)境污染研究真正感興趣，希望他們能在未來發(fā)光發(fā)熱。”

在做本科生教學計劃的同時，這位年輕的博士生導師，也開始招募團隊、準備大干一場了。和其他博導相比，張宏亮更開放，也更嚴苛。一方面他不考勤自己的博士生，唯一的要求在工作時間一個小時之內回郵件；另一方面，他對學生的研究過程卻進行了細致入微的規(guī)劃，決不放任任何智力上的懶惰?！拔易约旱那猩眢w會是搞科研必須要耐得住寂寞。頭腦聰明確實可以加分，但智力優(yōu)勢并不是取得成果的根本因素。”

“博士培養(yǎng)的核心理念不是學習，是面對任何一個課題時，建立嚴謹?shù)倪壿嬏剿黧w系。不管是簡單的初始問題，還是深入的細節(jié)問題，都要有科學的研究路徑和研究方法。”張宏亮非常注重縝密細致的研究方法論，甚至愿意投入很多精力幫學生從頭梳理研究思路?！氨热缯f查文獻，如何了解先行研究的程度、哪些難點還存在；設計實驗方案，如何思考、如何設計、如何驗證，才能形成成功或者失敗的閉環(huán)，這才是成熟的博士生應有的素質。不是僅以發(fā)論文為目的，不是僅以畢業(yè)為導向的，更不是靈光乍現(xiàn)、異想天開，而是基于海量閱讀之后進行思考和嘗試，能最終攻克自己的課題，這才是我培養(yǎng)博士生的目標?！?/p>

“我們復旦環(huán)境科學與工程學科是國家‘雙一流建設學科，有非常好的大氣污染實驗室觀測基礎，有做研究機理、外場測濃度的同事們。在大氣污染物的模擬方面相對薄弱，但這個相對薄弱對我來說也是機遇。學校已有的大量數(shù)據(jù)我可以加以利用，跟同事們一起探索也有可能碰撞出新的思路?！睆埡炅猎掍h一轉，充滿自豪地跟記者宣傳起了復旦，“我們的江灣校區(qū)環(huán)境非常漂亮，你們可以在網(wǎng)上看到很多照片，它有一片清澈如鏡的大湖，樓群錯落有致，全是歐式風格，為引進人才預留了充足的實驗和辦公空間。”

在美麗的復旦大學江灣校區(qū)，這位年輕學者帶著自己恒定如初的赤子心，抵達了理想的土地。霧霾，或是更廣泛的大氣污染物，它們曾遮蔽過陽光，甚至也可能將人類帶往幽暗的長夜，但在張宏亮的堅守中，神秘被一寸寸揭開，真理呈現(xiàn)了它的本來面貌。塵囂散盡，在這場求真務實的科學探秘中，中國也將迎來更澄澈的藍天。