林金泰：撥開云霧見真知

大氣化學(xué)，是一門發(fā)展中的學(xué)科，不僅在基礎(chǔ)研究方面有很多問題亟待突破和解決，隨著全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(zhàn)。

“這就要求我們既要腳踏實(shí)地，又要仰望星空。‘腳踏實(shí)地’就是要重視基礎(chǔ)，突破學(xué)科研究難題；‘仰望星空’就是要放眼大局，推動(dòng)前沿交叉發(fā)展。”北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系長聘副教授林金泰，用實(shí)際行動(dòng)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(zhuǎn)移是大氣化學(xué)和大氣環(huán)境領(lǐng)域的一個(gè)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(duì)本國空氣質(zhì)量的影響，但是前人在這方面的研究工作都是默認(rèn)從產(chǎn)品生產(chǎn)的角度出發(fā)，認(rèn)為只要產(chǎn)品生產(chǎn)是在哪個(gè)地區(qū)進(jìn)行，相應(yīng)的污染物排放就屬于該地區(qū)的排放，而不考慮該產(chǎn)品是否在該國家消費(fèi)。然而，在經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，貿(mào)易活動(dòng)的發(fā)展使得產(chǎn)品的消費(fèi)地和產(chǎn)地及相應(yīng)的污染排放地區(qū)分離，“無形”地引起污染物的跨境轉(zhuǎn)移。

經(jīng)濟(jì)貿(mào)易對(duì)全球和區(qū)域大氣環(huán)境影響到底有多大？在科學(xué)上如何量化？這在世界上仍是研究空白領(lǐng)域。

“我對(duì)經(jīng)濟(jì)學(xué)也比較感興趣，在本科時(shí)修了大氣科學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)雙學(xué)士學(xué)位。在大氣化學(xué)本學(xué)科的研究工作中，我慢慢意識(shí)到全球性的大氣污染轉(zhuǎn)移不僅僅由于大氣輸送，可能與貿(mào)易也有關(guān)系。”此前林金泰在大氣輸送引起的污染轉(zhuǎn)移方面做了許多研究工作，并已經(jīng)開始思考經(jīng)濟(jì)貿(mào)易對(duì)大氣污染的影響，但如何定量表征貿(mào)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(zhuǎn)機(jī)。當(dāng)時(shí)林金泰在美國哈佛大學(xué)參加大氣化學(xué)模型方面的專業(yè)學(xué)術(shù)會(huì)議。會(huì)議期間，他無意中讀到《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上的一篇關(guān)于貿(mào)易導(dǎo)致“碳轉(zhuǎn)移”的論文，這使他眼前一亮。就是這篇論文，讓他了解到經(jīng)濟(jì)學(xué)的投入—產(chǎn)出分析，特別是如何把經(jīng)濟(jì)部門之間的聯(lián)系建立起來用于分析環(huán)境問題，這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓他茅塞頓開。于是，林金泰立即行動(dòng)起來，聯(lián)系了清華大學(xué)教授張強(qiáng)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(lián)系國際上有關(guān)研究團(tuán)隊(duì)一起展開了跨學(xué)科跨國家合作研究。

研究團(tuán)隊(duì)從產(chǎn)品消費(fèi)的角度入手，借鑒經(jīng)濟(jì)學(xué)研究中的投入—產(chǎn)出分析方法，計(jì)算了2000年至2009年間與中國的國際貿(mào)易相關(guān)的直接和間接經(jīng)濟(jì)活動(dòng)（產(chǎn)品生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、電力生產(chǎn)等）導(dǎo)致的污染物排放，并進(jìn)一步利用大氣模型模擬其對(duì)我國空氣質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，2006年中國東部地區(qū)近地面大氣中的硫酸鹽顆粒物有23%～34%來自與產(chǎn)品出口相關(guān)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)近地面大氣中的黑碳顆粒物和一氧化碳的相應(yīng)比例分別為10%～23%和12%～23%。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了與中國出口相關(guān)的大氣污染物通過跨境輸送對(duì)全球環(huán)境的影響，首次揭示了貿(mào)易活動(dòng)與大氣輸送的耦合引起的復(fù)雜污染轉(zhuǎn)移。例如，美國從中國進(jìn)口產(chǎn)品而減少本國排放，同時(shí)增加了中國地區(qū)的污染物排放和相應(yīng)大氣輸送，其凈效果是中國地區(qū)和美國西部地區(qū)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(qū)，因此這一污染轉(zhuǎn)移整體上有利于美國的公眾健康。此項(xiàng)研究不僅填補(bǔ)了該研究領(lǐng)域的空白，而且改變了以往僅從大氣輸送角度認(rèn)為中國污染影響美國等地的觀念，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)跨境污染轉(zhuǎn)移問題的復(fù)雜性、改善國際減排協(xié)作提供了重要依據(jù)。

2014年，研究團(tuán)隊(duì)在PNAS上發(fā)表了上述研究成果（Lin et al.， PNAS），在國內(nèi)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(xué)貢獻(xiàn)和原創(chuàng)性”（“outstanding scientific excellence and originality”）的論文，授予Cozzarelli獎(jiǎng)并在美國科學(xué)院大會(huì)暨PNAS年會(huì)上頒發(fā)獎(jiǎng)勵(lì)證書，這篇論文榮獲2015年度Cozzarelli獎(jiǎng)。此后，這篇論文還成功入選《國家自然科學(xué)基金委資助項(xiàng)目優(yōu)秀成果選編（六）》（2011—2015期間）中地球科學(xué)學(xué)部遴選的25項(xiàng)代表性工作之一。論文受到《人民日報(bào)》《環(huán)球時(shí)報(bào)》等國內(nèi)外上百家主流媒體的廣泛報(bào)道，從PNAS網(wǎng)站累計(jì)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(gè)研究被美國科學(xué)院院士David Karl評(píng)價(jià)為“基礎(chǔ)性奠基性的工作”，“將引領(lǐng)隨后一系列全球污染問題的研究”。

百尺竿頭，更進(jìn)一步。在這個(gè)工作的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將研究范圍擴(kuò)展到全球貿(mào)易和全球輸送。他們于2016年在《自然—地球科學(xué)》發(fā)表論文（Lin et al.， Nature Geoscience），量化了全球氣溶膠轉(zhuǎn)移對(duì)區(qū)域和全球輻射強(qiáng)迫的影響，于2017年進(jìn)一步在《自然》發(fā)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(yīng)。這一系列研究表明，大氣污染的全球化及其氣候環(huán)境健康影響與全球消費(fèi)、貿(mào)易和大氣輸送過程有密切關(guān)系，這對(duì)于厘清貿(mào)易、排放和氣候環(huán)境健康的關(guān)系、制訂有效的全球環(huán)境政策和協(xié)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(xué)術(shù)界的認(rèn)可：發(fā)表在《自然—地球科學(xué)》上的論文榮獲2016年度“中國新銳科技人物突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”，發(fā)表在《自然》上的論文入選ESI“熱點(diǎn)論文”和“高被引論文”，被日本和挪威的科學(xué)家評(píng)價(jià)為：“這是第一篇將全球供應(yīng)鏈明確地與人類健康聯(lián)系起來的文章。”

立足基礎(chǔ) 推動(dòng)衛(wèi)星觀測和模型研究的發(fā)展

觀測是大氣化學(xué)和大氣污染研究的基礎(chǔ)，如何獲取可靠的觀測數(shù)據(jù)，是研究者要解決的第一個(gè)難題。而大氣化學(xué)和大氣污染作為復(fù)雜科學(xué)問題，對(duì)其的充分認(rèn)識(shí)離不開數(shù)值模型。由于大氣輸送，區(qū)域污染形成過程受到局地—區(qū)域—全球大氣化學(xué)多尺度相互作用的顯著影響。對(duì)多尺度復(fù)雜過程和機(jī)制的定量分析需要針對(duì)不同地區(qū)的化學(xué)參量進(jìn)行長時(shí)間系統(tǒng)性觀測，并利用適當(dāng)?shù)哪Ｐ凸ぞ吡炕@些過程及機(jī)制，這兩方面目前均存在許多不足。

現(xiàn)有的全球模型和單向嵌套區(qū)域模型因各自的局限性，無法有效表征局地—區(qū)域—全球大氣化學(xué)多尺度相互反饋。為了解決這一難題，林金泰帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)基于GEOS-Chem自主實(shí)現(xiàn)了全球模型與多個(gè)區(qū)域模型的“雙向”耦合，作為國際上僅有的兩個(gè)此類模型之一，探索大氣化學(xué)多尺度相互作用及其對(duì)全球化大氣污染的影響。他們發(fā)現(xiàn)，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?qū)α鲗哟髿庋趸浴⒏吖莱粞鹾蚈H而低估一氧化碳的基本問題，并且雙向耦合模型對(duì)區(qū)域臭氧的模擬能力明顯優(yōu)于常規(guī)的單向嵌套區(qū)域模型，對(duì)研究污染物的生消和輸送以及城市化等小尺度人為活動(dòng)的全球環(huán)境影響有重要意義。該雙向耦合方案被納入GEOS-Chem的標(biāo)準(zhǔn)版本，這是對(duì)他之前改進(jìn)GEOS-Chem邊界層混合參數(shù)化方案（已成為默認(rèn)選項(xiàng)）工作的重要拓展。

林金泰團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值模擬和衛(wèi)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(wèi)星遙感及其對(duì)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(wèi)星觀測來做研究是在缺乏其他觀測資料的情況下，一個(gè)沒有辦法的辦法，但是通過這些年的探索，我覺得衛(wèi)星觀測對(duì)于研究環(huán)境問題非常有前途，所以一直堅(jiān)持在做衛(wèi)星相關(guān)的研究工作。”林金泰告訴記者。

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

林金泰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立了中國衛(wèi)星二氧化氮反演產(chǎn)品POMINO，并首次在反演過程中顯性地表征氣溶膠光學(xué)作用的影響，與國際上眾多其他產(chǎn)品相比，在中國等高氣溶膠濃度地區(qū)大幅度提高了遙感資料的準(zhǔn)確性。結(jié)合衛(wèi)星資料和模型計(jì)算，首次實(shí)現(xiàn)25km高分辨率的中國氮氧化物排放反演，發(fā)現(xiàn)INTEX-B等當(dāng)時(shí)的主要統(tǒng)計(jì)清單嚴(yán)重低估城市排放。發(fā)現(xiàn)“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(gè)關(guān)鍵原因。發(fā)現(xiàn)2005—2013年間中國西部污染地區(qū)人為源氮氧化物的相對(duì)增長率遠(yuǎn)超過東部，其中一個(gè)重要原因是在西部經(jīng)濟(jì)開發(fā)背景下污染工業(yè)自東向西的轉(zhuǎn)移，而這些工業(yè)的生產(chǎn)常常是為了滿足東部地區(qū)的消費(fèi)，這正是“全球化大氣污染”在中國內(nèi)部不同地區(qū)間的具體體現(xiàn)。這些研究工作對(duì)中國大氣污染控制有重要意義。

由于在相關(guān)領(lǐng)域的出色表現(xiàn)，POMINO產(chǎn)品已被收錄到著名的衛(wèi)星產(chǎn)品網(wǎng)站www.temis.nl，并被邀請加入國際衛(wèi)星產(chǎn)品比較計(jì)劃QA4ECV，資料完全對(duì)外免費(fèi)公開并已被多個(gè)國家的學(xué)者采用。林金泰應(yīng)邀在韓國GEMS地球同步衛(wèi)星計(jì)劃的科學(xué)團(tuán)隊(duì)會(huì)議、AGU年會(huì)、EGU年會(huì)及AOGS年會(huì)上作衛(wèi)星遙感產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用方面的特邀報(bào)告。

目前，林金泰正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與荷蘭皇家氣象局（KNMI）緊密合作，改進(jìn)POMINO算法并應(yīng)用到2017年發(fā)射的TropOMI衛(wèi)星探測器上，以獲得新的二氧化氮產(chǎn)品，并進(jìn)一步研究相關(guān)環(huán)境問題，為國家節(jié)能減排戰(zhàn)略提供科學(xué)支撐。

不忘初心 砥礪前行

“科學(xué)無國界，科學(xué)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(xué)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(xué)院大氣與海洋科學(xué)系的教學(xué)科研隊(duì)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(xué)院院刊》《自然—地球科學(xué)》《自然》等SCI期刊發(fā)表15篇論文。回國以來，Web of Science統(tǒng)計(jì)的SCI-E總引用近1300次、他引900余次，國內(nèi)外會(huì)議邀請報(bào)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(jì)劃”青年拔尖人才、美國地球物理學(xué)會(huì)全球環(huán)境變化Early Career Award、中國新銳科技人物突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中國氣象學(xué)會(huì)第八屆全國優(yōu)秀青年氣象科技工作者、中國氣象學(xué)會(huì)十佳全國優(yōu)秀青年氣象科技工作者、中國氣象學(xué)會(huì)涂長望青年氣象科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、美國科學(xué)院院刊Cozzarelli獎(jiǎng)等。

作為北京大學(xué)長聘副教授，在繁重的科研工作之外，林金泰還要承擔(dān)教學(xué)任務(wù)。他的授課對(duì)象既有本科生，也有研究生。扎實(shí)的學(xué)術(shù)積累和出色的研究成果讓他受到學(xué)生敬重。在林金泰的研究團(tuán)隊(duì)里，有博士生6人、本科生數(shù)人。在團(tuán)隊(duì)管理上，林金泰特別鼓勵(lì)學(xué)生去探索自己感興趣的問題，通過興趣來推動(dòng)工作取得進(jìn)展。在這里，他同樣要求學(xué)生“腳踏實(shí)地”——不好高騖遠(yuǎn)，不眼高手低，能夠扎扎實(shí)實(shí)地從每天的工作入手，持之以恒；同時(shí)還要“仰望星空”——不局限于自身的科研內(nèi)容，將眼光放得寬廣一些，了解整個(gè)學(xué)科的發(fā)展和前沿，從中挖掘關(guān)鍵科學(xué)問題。

嚴(yán)師出高徒，在林金泰的培養(yǎng)下，團(tuán)隊(duì)成員工作出色。如果仔細(xì)看，那篇引起轟動(dòng)、獲得Cozzarelli獎(jiǎng)的學(xué)術(shù)論文還有一位共同第一作者，他是林金泰指導(dǎo)的本科生，現(xiàn)在普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位。由于出色的教學(xué)科研成績，林金泰榮獲北京大學(xué)物理學(xué)院陳互雄青年教師獎(jiǎng)，并兩次在物理學(xué)院雙年報(bào)（2013—2014年、2015—2016年）里作為亮點(diǎn)報(bào)道。

生有涯而學(xué)無涯。林金泰深知，成績代表過去，既是認(rèn)可、鼓勵(lì)，也是壓力、動(dòng)力。“如果說《美國科學(xué)院院刊》的那篇論文為我們團(tuán)隊(duì)的研究工作推開了一扇門，那么最近的幾項(xiàng)工作又把這扇門推得更開了，下一步怎樣繼續(xù)與國內(nèi)外學(xué)者一起推動(dòng)相關(guān)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(xué)問題，目前相關(guān)研究正在有條不紊的進(jìn)行中，林金泰也正在積極解開一個(gè)個(gè)難題。