追本溯源，雾霾可破
——记复旦大学环境科学与工程系教授张宏亮

2020-12-14 05:22刘玉杰

科学中国人 2020年21期

刘玉杰

张宏亮

如果几年前雾霾没有盘踞在大半个中国当“钉子户”，我们也许不会意识到，即使拥有一日千里的科技发展速度，人类知识也仍有不足，大气原本需要更多呵护。

彻底打败大气污染，当然不能靠风，依靠科技力量才是制胜关键。也因此，越来越多有志于此的科研工作者投身其中。感受到祖国的召唤，在科研赛道上已先行一步的张宏亮辞去了美国的教职，迅速加入复旦大学环境科学与工程系。

运用溯源式气象与化学耦合的三维空气质量模型模拟颗粒物在大气中的化学和物理过程，从而研究污染物与气象和气候的相互关系；开发与完善区域空气质量模型，了解不同类型污染物在大气中的生成、传输和沉降等过程及它们对生态环境、人体健康等的影响；运用可反应示踪物技术，通过扩展大气化学机理和气溶胶过程，对大气中的气相污染物和颗粒物进行源解析，为污染控制提供决策建议……张宏亮以自己的所学与科研沉淀加入了这场护卫蓝天的保卫战中。

立身科研，不畏浮云遮望眼

哲学有终极三问“你是谁？从哪儿来？到哪儿去？”，而对阵科研难题，往往也要从这里追本溯源。

大气污染是什么？可以理解为污染物在空气中，积累到了一定的浓度，达到了足够的时间，威胁人类与自然环境的现象。据美国健康效应研究所发布的全球空气状况报告显示，2017年全球因长期暴露于室外和室内空气污染而死于中风、心脏病、肺癌、糖尿病和慢性肺病的人数接近500万。

那么这些污染物从哪里来、又到哪里去呢？张宏亮耐心地为我们解释道：“它们来源于人类活动和自然活动的排放以及在大气中发生的物理化学过程。这个过程非常复杂，在环境中只能直接观测到污染物的浓度，想要分析它们的来源则需要了解每一个过程的机理，这就需要进行实验研究。我们还可以通过模型模拟科学已经认识到的所有过程，运用计算机来细致分析每一个过程。”

大气污染物种类多样，有雾霾的始作俑者P M2.5，还有臭氧、二氧化硫等。基本模型可以根据排放状况、当前大气中污染的含量和气象条件，预测下一个时间点每一种污染物的浓度。但没有确定来源的定量信息，治理污染谈何容易，点源还比较好控制，移动源和面源简直让人无从下手。而张宏亮的研究重点就是扩展基本模型，让不同来源的污染物在模型中被分别跟踪模拟。

“比如二氧化硫是一种气体污染物，在基本模型中，不管它是从哪里排放的，都会被加在一起模拟，当最后生成硫酸盐时，我们无法知道每一个来源的贡献分别是多少。而在我们源解析的模型中，可以分别跟踪电厂、工业、居民燃煤等排放的二氧化硫，这样最后生成的硫酸盐里，我们就可以得到多少来自电厂，多少来自工业排放，多少来自居民用的燃煤。以此类推，我们可以了解到所有污染物的来源。在大气模型中沉降是一个基本过程，跟踪污染物来源，也就同时跟踪了沉降，这样也能量化来自不同污染源的沉降贡献，为水体污染和土壤污染治理提供必要的信息。”有了确定的来源，规划排放等问题就迎刃而解。在保证中国经济持续发展的同时，治理空气污染就有了科学理论支撑。

和学生合影

与此同时，溯源式模型还可以在气象领域大展拳脚。“大气中的颗粒物会吸收、反射太阳光，这就会影响达到地表的辐射、从而影响地表温度、气压、风等，颗粒物还可以做云核，对云滴的数量和大小也有影响，这就会影响成云和降水等气象条件。”在张宏亮的介绍中，颗粒物有了和人一样的性格，“每一个颗粒物就相当于有棱角的人，不同来源的颗粒物性格特点不一样，有的喜欢水，有的不喜欢。大部分模型中却忽略了这一点，认为所有颗粒物都是一样的，预测因此产生了误差。而我们的源解析模型就可以根据颗粒物的不同来源，判断它们在太阳辐射和成云影响中的不同作用。扩展模型区别对待，就可以更准确地理解污染物和气候、气象的相互关系。”

见微知著，绝知此事要躬行

那么，这位大气污染研究专家又是如何与科研结缘的呢？

张宏亮本科就读于清华大学，十几年前，这位80后学霸从无数优秀学子中杀出重围，叩响这所百年名校的大门时，第一个念头就是“什么专业代表未来”。

“我们高中的时候，中国的环境污染并没有现在这样严重，社会关注度也比较低。很偶然的机会，我注意到了身边一些环境污染的现象，发现司空见惯的尾气、污水都有可能影响我们的生活。我想，不管科技多么发达，我们人类都不能离开空气、水和土壤，大自然跟人类息息相关。”少年的热忱，就这样把多年的光阴锚定在了环境保护的靶心上。

张宏亮当年在清华环境系学习的时候，最主流的研究方向还是水污染治理，课程设置大部分与水污染相关，做大气污染方向的研究人员也相对较少。幸运的是，大学三年级时，系里开设了“大气污染控制”专业课，授课老师是郝吉明院士和王书肖教授，两位大师的授课内容生动有趣，一下子吸引了他的注意力。

硕士阶段，张宏亮进入了清华大学热能系，跟随导师王淑娟教授研究二氧化碳脱除的技术。在初级研究者的探索期，他敏锐地发现我国对污染物在大气中的反应过程了解还存在很大空白。这样的未知领域，对一个满怀赤子之心的青年学者有着致命的吸引力，因此他果断回到了大气污染物的研究中，并决定赴美读博。

赴美深造，著鞭跨马涉远道

4年博士、2年博士后、5年独立的科研和教学工作，张宏亮在美国的发展可谓风生水起。

博士阶段他的主要工作是开发源解析模型。当时在美国，大气污染物源解析模型研究已经初具成就，但原来的源解析方法都是基于观测的统计方法或者敏感性方法，忽略了大气过程的最重要特点——非线性。大气污染物既要经历传输扩散和沉降的物理过程,又要经历光化学、气相、液相和颗粒相等化学过程,复杂至极。如何确定不同源的贡献呢？他敏锐地捕捉到了一点：“采用基于可参与反应的示踪物技术，就可以准确获取不同排放源或排放区域对污染物的贡献，从而为有效控制措施的制定提供必要信息。”

博士阶段，他所开发的模型已经使用在美国得州休斯敦地区和亚洲地区的污染物模拟中，包括气相污染物甲醛、氮氧化物和臭氧及颗粒物的主要成分炭黑、有机碳、硝酸盐、硫酸盐和二次有机气溶胶等。研究结果强调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综合考虑对不同污染物的整体控制效果。

在应用过程中，张宏亮还提高了模型对二次有机气溶胶的分析，也就是大气中二次形成的有机类颗粒物，它的形成机理是目前全球学界的一个热点和难点。此后他乘胜追击、再进一步，开发了溯源式气象和化学耦合的模型。“一般空气质量模型是先模拟气象再模拟污染物，这样忽略了颗粒物对气象的反馈作用。气象和化学耦合的模型可以了解到污染物对气象的反馈作用。但是开源的模型没有考虑到不同来源的颗粒物的反馈作用不同。”就这样，博士后阶段张宏亮开发了跟踪不同来源污染的耦合模型。污染物从不同污染源排放出、可以根据其拥有的不同属性和粒径被分开处理，其在大气中的反应、传输和沉降也可以区分对待，这就大大增加了我们对空气污染和气象、气候之间相互作用的掌控。这一模型在美国也已顺利走上了“工作岗位”，被用到了港口地区船只污染排放的高精度模拟、加州中部谷地浓雾事件分析，以及加州的二氧化碳控制法律对2050年空气质量的协同效应分析等重要舞台上。

张宏亮在美国取得的主要成果可以总结为三项：第一，他所在的研究组率先开发的溯源式颗粒物处理方法能够提高模型对颗粒物光学效应的估算能力，从而更好地模拟颗粒物的光学效应和成云过程。模型的框架搭建好后，一些运用已经证明其独一无二的先进性。第二，开发了基于示踪物技术的污染物源解析模型并广泛运用在世界各地。第三，他综合利用模式和观测数据，明确了污染特征、完善了模式机理、提高了模型在不同时间地点的模拟精度。

几十篇论文陆续发出，他积极参与了美国气溶胶研究协会、美国地球物理协会、亚洲大洋洲地球物理协会等重要学术会议；作为分会场召集人和主持人，组织学术研讨会；还成为了担任多个SCI杂志的编辑、客座编辑和审稿人。

辞职回国，不失初来赤子心

年纪轻轻就在国际学术界崭露头角，并没有让张宏亮忘记自己的初心。最牵动他的，仍然是祖国空气污染治理的现状。2013年，当雾霾成为同胞们街谈巷议的热点话题时，他已经第一时间行动了起来。“我和合作者最早利用我国2013年起开始公布的污染监测数据，分析了我国污染物的现状特征和危害，还利用这个数据库和统计手段，验证了模型存在的误差，发展和完善模式的机理并提高模型的准确性。”而随着源解析模型的日趋完善，他意识到，回国的时刻来临了。

几年来，我国虽然在大气污染领域取得了显著发展，但是在某些方面仍然存在短板，比如在对大气中颗粒物的粒径分布、来源和有毒组分等的研究，再比如开发引领世界的新一代空气质量模式和深入探索颗粒物与气象气候相互的关系等。而这几个方面，刚好是张宏亮的深耕领域。2019年，他辞去了在美国人人艳羡的大学教职，果断携妻带子搬到了上海，受聘复旦大学。

实际上，在登上飞机之前，回国后的研究规划已在张宏亮的心中成形。首先，他计划通过完善自己擅长的溯源式考虑粒径分布的空气质量模式，将其与复旦大学现有的实验室机理研究和外场观测成果相结合，系统深入地研究长三角地区颗粒物的粒径分布、来源以及有毒组分和环境持久自由基的污染水平及变化规律；利用获得的关键数据，研究不同粒径、来源的颗粒物及其有毒组分的主要形成机理、控制因素和转化机制；并预备与健康研究结合，开发建立基于空气质量模式的大气颗粒物污染的人群长期暴露评估理论和方法，揭示长三角地区颗粒物污染的健康影响机制。

另外，张宏亮之前参与开发了最先进的溯源式的污染气象耦合模式，考虑不同来源炭黑的不同的混合状态、提高了模型对颗粒物光学属性、辐射特性、云核和冰核的激活过程的模拟。以此为基础进行深耕，对完善大气过程、理解未来气候变化起到了重要影响。

课题组

除此之外，张宏亮还有一个宏大的目标——要参与构建一个中国自主研发的污染与气象耦合模型。“目前世界上主流的第三代空气质量模式、污染与气象耦合模式都是基于美国等发达国家的。经过长期的治理，这些发达国家的空气污染物浓度已经很低。相对于我国复杂的地理环境、气候类型和高污染浓度等特征，这些模型往往存在较大的偏差。我们中国学者在模拟国内的空气污染时，往往需要自主添加多种机理和过程来提高模型的预测精度。而不同学者所用的方式各不相同，为全国层面的污染治理的顶层架构带来了很多问题。更麻烦的是，我们所用的模型还不能被各级政府部门用来协助污染控制规划。”提到这个想法，他满眼豪情，“之前我们一直在发达国家身后模仿和追赶，而现在时机到了，我认为我们应该能在新一代空气质量模型开发上起到引领作用，与我们日益提升的国际地位相匹配。”

张宏亮在学术交流活动中提出这个设想后，得到了同行们的积极响应，这给了他更多的信心，以自己过去十多年的科研经验为基础，与各地优秀研究者们同行，让更大的团队参与到这项将对中国产生巨大意义的工作中来，这才是他梦寐以求的风景。

投身复旦，摘得星辰满袖行

记者见到张宏亮前不久，他参与了“青少年高校科学营”复旦分营的活动，做了一场《空气污染与气候变化》的主题讲座。他说：“我很喜欢参与这样的活动，愿意和同学们互动。”看到台下热切的目光，犹如看到了当年的自己，重历了科研理想的落地、生根、枝繁叶茂。

走进复旦，过往的经历对张宏亮来说更像是悠扬的前奏。无论是在美国进行课堂教学、指导学生，还是管理课题组、撰写研究计划书……都为今天工作的有序开展做好了铺垫。在国内要开展的科研规划逐步落地，自己所带的本科生和博士生能快速成长，在他看来，事业才正式开启了浑厚的第一乐章。

“本科教学是难点，这是目前全世界不少老师的共识。”他解释说，“时代在发展，同学们接受信息的方式越来越多，海量剧增的信息都在争抢他们有限的注意力。在本科阶段，很多同学还没形成良好的学习习惯，他们会倾向于只吸收自己喜欢的内容，这对教学是个不小的挑战。在这种背景下，课上努力提升大家的兴趣，吸引同学们课下自动自发地学习，我认为是教学设计中很重要的部分。”

张宏亮笃信：授人以鱼不如授人以渔。传统的教学方式倾向于将成形的知识捧给学生，而在他看来，教会学生如何去学习，将会产生更大价值。“如果同学们拿到一本书，能主动阅读、主动思考，他们涉猎的知识就会更加广泛，创新思维也不受束缚，未来的发展也会因此受益。以前在美国，有几个学生常会主动要求我多分学习任务给他们，时长日久，他们的能力确实会比其他人更加出众。复旦的同学们素质都很好，我把精力放在教他们探索陌生领域的方法，目标是引导大家都能对环境污染研究真正感兴趣，希望他们能在未来发光发热。”

在做本科生教学计划的同时，这位年轻的博士生导师，也开始招募团队、准备大干一场了。和其他博导相比，张宏亮更开放，也更严苛。一方面他不考勤自己的博士生，唯一的要求在工作时间一个小时之内回邮件；另一方面，他对学生的研究过程却进行了细致入微的规划，决不放任任何智力上的懒惰。“我自己的切身体会是搞科研必须要耐得住寂寞。头脑聪明确实可以加分，但智力优势并不是取得成果的根本因素。”

“博士培养的核心理念不是学习，是面对任何一个课题时，建立严谨的逻辑探索体系。不管是简单的初始问题，还是深入的细节问题，都要有科学的研究路径和研究方法。”张宏亮非常注重缜密细致的研究方法论，甚至愿意投入很多精力帮学生从头梳理研究思路。“比如说查文献，如何了解先行研究的程度、哪些难点还存在；设计实验方案，如何思考、如何设计、如何验证，才能形成成功或者失败的闭环，这才是成熟的博士生应有的素质。不是仅以发论文为目的，不是仅以毕业为导向的，更不是灵光乍现、异想天开，而是基于海量阅读之后进行思考和尝试，能最终攻克自己的课题，这才是我培养博士生的目标。”

“我们复旦环境科学与工程学科是国家‘双一流’建设学科，有非常好的大气污染实验室观测基础，有做研究机理、外场测浓度的同事们。在大气污染物的模拟方面相对薄弱，但这个相对薄弱对我来说也是机遇。学校已有的大量数据我可以加以利用，跟同事们一起探索也有可能碰撞出新的思路。”张宏亮话锋一转，充满自豪地跟记者宣传起了复旦，“我们的江湾校区环境非常漂亮，你们可以在网上看到很多照片，它有一片清澈如镜的大湖，楼群错落有致，全是欧式风格，为引进人才预留了充足的实验和办公空间。”