林金泰：撥開云霧見真知

大氣化學，是一門發展中的學科，不僅在基礎研究方面有很多問題亟待突破和解決，隨著全球社會經濟的逐漸深入融合，全球化大氣污染等課題也成為研究者新的挑戰。

“這就要求我們既要腳踏實地，又要仰望星空。‘腳踏實地’就是要重視基礎，突破學科研究難題；‘仰望星空’就是要放眼大局，推動前沿交叉發展。”北京大學物理學院大氣與海洋科學系長聘副教授林金泰，用實際行動給出了他的答案。

放眼世界 探索全球化大氣污染問題

大氣污染物的跨境轉移是大氣化學和大氣環境領域的一個重大問題。由于污染物在大氣中的跨境輸送，國際上眾多國家長期以來都十分重視其他國家排放的污染物對本國空氣質量的影響，但是前人在這方面的研究工作都是默認從產品生產的角度出發，認為只要產品生產是在哪個地區進行，相應的污染物排放就屬于該地區的排放，而不考慮該產品是否在該國家消費。然而，在經濟全球化的背景下，貿易活動的發展使得產品的消費地和產地及相應的污染排放地區分離，“無形”地引起污染物的跨境轉移。

經濟貿易對全球和區域大氣環境影響到底有多大？在科學上如何量化？這在世界上仍是研究空白領域。

“我對經濟學也比較感興趣，在本科時修了大氣科學和經濟學雙學士學位。在大氣化學本學科的研究工作中，我慢慢意識到全球性的大氣污染轉移不僅僅由于大氣輸送，可能與貿易也有關系。”此前林金泰在大氣輸送引起的污染轉移方面做了許多研究工作，并已經開始思考經濟貿易對大氣污染的影響，但如何定量表征貿易隱含污染，卻是一直困擾他的難題之一。

2011年5月，研究迎來了轉機。當時林金泰在美國哈佛大學參加大氣化學模型方面的專業學術會議。會議期間，他無意中讀到《美國科學院院刊》（PNAS）上的一篇關于貿易導致“碳轉移”的論文，這使他眼前一亮。就是這篇論文，讓他了解到經濟學的投入—產出分析，特別是如何把經濟部門之間的聯系建立起來用于分析環境問題，這個發現讓他茅塞頓開。于是，林金泰立即行動起來，聯系了清華大學教授張強和賀克斌，恰好兩位清華教授也在思考類似的問題，雙方一拍即合，隨后聯系國際上有關研究團隊一起展開了跨學科跨國家合作研究。

研究團隊從產品消費的角度入手，借鑒經濟學研究中的投入—產出分析方法，計算了2000年至2009年間與中國的國際貿易相關的直接和間接經濟活動（產品生產、交通運輸、電力生產等）導致的污染物排放，并進一步利用大氣模型模擬其對我國空氣質量的影響。研究發現，2006年中國東部地區近地面大氣中的硫酸鹽顆粒物有23%～34%來自與產品出口相關的經濟活動，發現近地面大氣中的黑碳顆粒物和一氧化碳的相應比例分別為10%～23%和12%～23%。

研究團隊進一步分析了與中國出口相關的大氣污染物通過跨境輸送對全球環境的影響，首次揭示了貿易活動與大氣輸送的耦合引起的復雜污染轉移。例如，美國從中國進口產品而減少本國排放，同時增加了中國地區的污染物排放和相應大氣輸送，其凈效果是中國地區和美國西部地區大氣中的硫酸鹽污染增加而美國東部的污染減少了。由于美國人口主要分布于其東部地區，因此這一污染轉移整體上有利于美國的公眾健康。此項研究不僅填補了該研究領域的空白，而且改變了以往僅從大氣輸送角度認為中國污染影響美國等地的觀念，為進一步認識跨境污染轉移問題的復雜性、改善國際減排協作提供了重要依據。

2014年，研究團隊在PNAS上發表了上述研究成果（Lin et al.， PNAS），在國內外引起巨大反響。P N A S每年從3500篇論文中選出6篇具有“杰出科學貢獻和原創性”（“outstanding scientific excellence and originality”）的論文，授予Cozzarelli獎并在美國科學院大會暨PNAS年會上頒發獎勵證書，這篇論文榮獲2015年度Cozzarelli獎。此后，這篇論文還成功入選《國家自然科學基金委資助項目優秀成果選編（六）》（2011—2015期間）中地球科學學部遴選的25項代表性工作之一。論文受到《人民日報》《環球時報》等國內外上百家主流媒體的廣泛報道，從PNAS網站累計下載量超過17萬次，被Nature、PNAS、Chemical Reviews、L a n c e t刊物引用180余次（G o o g l e Scholar），入選ESI“高被引論文”。這個研究被美國科學院院士David Karl評價為“基礎性奠基性的工作”，“將引領隨后一系列全球污染問題的研究”。

百尺竿頭，更進一步。在這個工作的基礎上，研究團隊進一步將研究范圍擴展到全球貿易和全球輸送。他們于2016年在《自然—地球科學》發表論文（Lin et al.， Nature Geoscience），量化了全球氣溶膠轉移對區域和全球輻射強迫的影響，于2017年進一步在《自然》發表論文（Zhang et al.， Nature）（林金泰為共同通訊作者），揭示了全球化顆粒物污染的健康效應。這一系列研究表明，大氣污染的全球化及其氣候環境健康影響與全球消費、貿易和大氣輸送過程有密切關系，這對于厘清貿易、排放和氣候環境健康的關系、制訂有效的全球環境政策和協同減排方案具有重要意義。

這些研究成果頗具影響力，同樣受到學術界的認可：發表在《自然—地球科學》上的論文榮獲2016年度“中國新銳科技人物突出貢獻獎”，發表在《自然》上的論文入選ESI“熱點論文”和“高被引論文”，被日本和挪威的科學家評價為：“這是第一篇將全球供應鏈明確地與人類健康聯系起來的文章。”

立足基礎 推動衛星觀測和模型研究的發展

觀測是大氣化學和大氣污染研究的基礎，如何獲取可靠的觀測數據，是研究者要解決的第一個難題。而大氣化學和大氣污染作為復雜科學問題，對其的充分認識離不開數值模型。由于大氣輸送，區域污染形成過程受到局地—區域—全球大氣化學多尺度相互作用的顯著影響。對多尺度復雜過程和機制的定量分析需要針對不同地區的化學參量進行長時間系統性觀測，并利用適當的模型工具量化這些過程及機制，這兩方面目前均存在許多不足。

現有的全球模型和單向嵌套區域模型因各自的局限性，無法有效表征局地—區域—全球大氣化學多尺度相互反饋。為了解決這一難題，林金泰帶領研究團隊基于GEOS-Chem自主實現了全球模型與多個區域模型的“雙向”耦合，作為國際上僅有的兩個此類模型之一，探索大氣化學多尺度相互作用及其對全球化大氣污染的影響。他們發現，雙向耦合較好地表征了尺度間相互作用和反饋，大幅度解決了目前低精度全球模型無法有效模擬小尺度過程而易于高估北半球對流層大氣氧化性、高估臭氧和OH而低估一氧化碳的基本問題，并且雙向耦合模型對區域臭氧的模擬能力明顯優于常規的單向嵌套區域模型，對研究污染物的生消和輸送以及城市化等小尺度人為活動的全球環境影響有重要意義。該雙向耦合方案被納入GEOS-Chem的標準版本，這是對他之前改進GEOS-Chem邊界層混合參數化方案（已成為默認選項）工作的重要拓展。

林金泰團隊進一步結合數值模擬和衛星遙感觀測，研究中國大氣污染問題，特別是在氮氧化物的衛星遙感及其對臭氧和顆粒物污染的影響方面做了一系列研究工作。“也算是歪打正著吧。一開始選擇使用衛星觀測來做研究是在缺乏其他觀測資料的情況下，一個沒有辦法的辦法，但是通過這些年的探索，我覺得衛星觀測對于研究環境問題非常有前途，所以一直堅持在做衛星相關的研究工作。”林金泰告訴記者。

“衛星遙感可提供水平覆蓋面廣、分辨率高、更新及時的公開氮氧化物資料，是定量估計氮氧化物污染時空特征、排放和環境影響的一種重要手段，特別是可以進一步結合模型計算，反演氮氧化物排放及其時空變化，并定量估計氮氧化物排放變化對臭氧、顆粒物等主要污染物的影響。”林金泰介紹。

林金泰帶領團隊建立了中國衛星二氧化氮反演產品POMINO，并首次在反演過程中顯性地表征氣溶膠光學作用的影響，與國際上眾多其他產品相比，在中國等高氣溶膠濃度地區大幅度提高了遙感資料的準確性。結合衛星資料和模型計算，首次實現25km高分辨率的中國氮氧化物排放反演，發現INTEX-B等當時的主要統計清單嚴重低估城市排放。發現“十一五”期間氮氧化物的快速增長是中國無法有效降低顆粒物污染的一個關鍵原因。發現2005—2013年間中國西部污染地區人為源氮氧化物的相對增長率遠超過東部，其中一個重要原因是在西部經濟開發背景下污染工業自東向西的轉移，而這些工業的生產常常是為了滿足東部地區的消費，這正是“全球化大氣污染”在中國內部不同地區間的具體體現。這些研究工作對中國大氣污染控制有重要意義。

由于在相關領域的出色表現，POMINO產品已被收錄到著名的衛星產品網站www.temis.nl，并被邀請加入國際衛星產品比較計劃QA4ECV，資料完全對外免費公開并已被多個國家的學者采用。林金泰應邀在韓國GEMS地球同步衛星計劃的科學團隊會議、AGU年會、EGU年會及AOGS年會上作衛星遙感產品開發和應用方面的特邀報告。

目前，林金泰正帶領團隊與荷蘭皇家氣象局（KNMI）緊密合作，改進POMINO算法并應用到2017年發射的TropOMI衛星探測器上，以獲得新的二氧化氮產品，并進一步研究相關環境問題，為國家節能減排戰略提供科學支撐。

不忘初心 砥礪前行

“科學無國界，科學家有祖國；我是中國人，要研究世界的問題，更要研究中國的問題。”林金泰說。林金泰在哈佛大學的博士后研究主要就是圍繞中國的大氣污染問題開展，并于2010年8月回國加入母校物理學院大氣與海洋科學系的教學科研隊伍，開始新的人生歷程。自回國后，林金泰先后作為（共同）第一作者或通訊作者在《美國科學院院刊》《自然—地球科學》《自然》等SCI期刊發表15篇論文。回國以來，Web of Science統計的SCI-E總引用近1300次、他引900余次，國內外會議邀請報告20余次。

10多年的科研歷練，讓林金泰迅速成長起來，先后榮獲或入選國家“萬人計劃”青年拔尖人才、美國地球物理學會全球環境變化Early Career Award、中國新銳科技人物突出貢獻獎、國家自然科學基金委優秀青年科學基金、中國氣象學會第八屆全國優秀青年氣象科技工作者、中國氣象學會十佳全國優秀青年氣象科技工作者、中國氣象學會涂長望青年氣象科技獎一等獎、美國科學院院刊Cozzarelli獎等。

作為北京大學長聘副教授，在繁重的科研工作之外，林金泰還要承擔教學任務。他的授課對象既有本科生，也有研究生。扎實的學術積累和出色的研究成果讓他受到學生敬重。在林金泰的研究團隊里，有博士生6人、本科生數人。在團隊管理上，林金泰特別鼓勵學生去探索自己感興趣的問題，通過興趣來推動工作取得進展。在這里，他同樣要求學生“腳踏實地”——不好高騖遠，不眼高手低，能夠扎扎實實地從每天的工作入手，持之以恒；同時還要“仰望星空”——不局限于自身的科研內容，將眼光放得寬廣一些，了解整個學科的發展和前沿，從中挖掘關鍵科學問題。

嚴師出高徒，在林金泰的培養下，團隊成員工作出色。如果仔細看，那篇引起轟動、獲得Cozzarelli獎的學術論文還有一位共同第一作者，他是林金泰指導的本科生，現在普林斯頓大學攻讀博士學位。由于出色的教學科研成績，林金泰榮獲北京大學物理學院陳互雄青年教師獎，并兩次在物理學院雙年報（2013—2014年、2015—2016年）里作為亮點報道。

生有涯而學無涯。林金泰深知，成績代表過去，既是認可、鼓勵，也是壓力、動力。“如果說《美國科學院院刊》的那篇論文為我們團隊的研究工作推開了一扇門，那么最近的幾項工作又把這扇門推得更開了，下一步怎樣繼續與國內外學者一起推動相關方面的研究是我們正在思考和探索的問題。”圍繞“全球化大氣污染”這一科學問題，目前相關研究正在有條不紊的進行中，林金泰也正在積極解開一個個難題。