坐看云卷云舒 靜聽花開花落
——記清華大學地球系統科學系副教授彭怡然之氣溶膠研究

李明麗

彭怡然

氣溶膠應該算是近幾年出現在科普領域里的高頻詞了。

從“臭名昭著”的霧霾顆粒污染物PM2.5，到澳大利亞森林大火形成的“火云”，再到近期因為新冠病毒沖上熱搜的病毒飛沫。這個“調皮的小家伙”憑借其“魔幻神力”一次又一次地展露人前。但其實，人類對這個自然界中普遍存在的微小物質還知之甚少。

“氣溶膠有很多種，我研究的只是其中的一個領域。”巍巍學府，水木清華。清華大學地球系統科學系副教授彭怡然自始至終對大自然的神奇奧秘懷有一顆敬畏和探索之心。她和她所在的團隊主要從事的是大氣物理方向下氣溶膠與云物理研究，意在通過數值模擬分析等現代技術手段揭開氣溶膠對天氣和氣候的影響面紗。

坐看云卷云舒，靜聽花開花落。當清華園中一名手持現代“利器”的女科學家與云、霧、塵、氣相遇，會擦出怎樣的火花？

沙和塵的相伴

“在現實生活中，你幾乎看不到它。它是懸浮在大氣中的塵埃，它無處不在。它非常微小，但有時候會很強大。它可能來自沙漠的塵土，也可能來自海洋逸散的海鹽，它可能從噴發中的火山而來，也可能在森林大火中形成，它可能從工廠的煙囪飛出，也可能是卡車排放的尾氣。氣溶膠可以做一些讓人印象深刻的事，就像把太陽光反射回太空，可以給地球降溫，或者通過收集水汽來形成云朵；另一方面，一些氣溶膠顆粒可以捕獲陽光并加熱空氣，從而防止云團的形成。氣溶膠可能會造成化學反應，破壞臭氧層；而在地球上，它可能會導致人類出現一系列的健康問題……”進入神奇的氣溶膠世界，你會發現這里包羅萬象，真正詮釋著大自然的宏觀與微觀——小顆粒，大不同。

北京女孩彭怡然與氣溶膠結緣始于20世紀90年代。那時，她以優異成績考入北京大學地球物理系。未名湖畔，博雅塔下，大師云集，包羅萬象。恰同學少年，風華正茂。彭怡然記憶中的北大地球物理系，囊括了從天上到地下的很多自然學科，而他們直到大三才開始分專業。在空天領域，上至浩瀚縹緲的宇宙銀河太空，中至火箭發射到空中幾百公里的空間領域，下至從地面到空中幾十公里的范圍，都有彭怡然的同學涉及其中，而她最終選擇了從地面到空中幾十公里范圍內的大氣科學研究，只因“覺得它并不是那么遙不可及，而是與人類生活密切相關的，親切而實在的學科”。

抱著對大氣科學的好奇探索之心，彭怡然在大四那一年與氣溶膠有了“自然而然的第一次相遇”。因為跟隨我國氣溶膠研究的先驅——毛節泰教授做畢業研究論文，那一年她接觸了一個關于沙塵氣溶膠的研究課題。彼時，相關研究在國內尚屬空白，大家對氣溶膠的關心程度亦如一張白紙，而彭怡然卻對此充滿好奇。作為一名成長在20世紀八九十年代的北京女孩，她對北京春秋時刻黃沙漫卷、突如其來的沙塵暴天氣有著深刻的記憶和體會。“我一想到自己的研究如果能夠對緩和北京沙塵暴天氣起到一定作用就覺得很不錯。”在好奇心和成就感驅使下，彭怡然就跟著攻讀博士的師兄和師姐們跑到位于北京郊區的興隆天文臺開始了她第一次的氣溶膠研究初體驗，采樣觀測、記錄觀察……一點一滴的積累最終化成夢想的種子，從此生根發芽。

因為有前期的興趣鋪墊，大四申請到國外留學的時候，彭怡然毅然選擇遵從內心，到加拿大戴爾豪斯大學從事氣溶膠方面的研究深造。就是在那里，她跟隨博士生導師，開啟了用數值模式來模擬氣溶膠對天氣氣候的影響研究。如果說北京大學帶給彭怡然的是興趣的啟蒙，在海外科學殿堂恣意翱翔探索的日子，為她打開了一扇通往更廣闊探索天地的大門。難忘出國留學初期在語言溝通上面臨的挑戰，難忘第一次在國際學術大會上作報告時的青澀，難忘將多年研究成果展示在眾人前的那份成就感和自豪感……“當你可以感受到這個世界上有那么多科學家和你一樣在關注同一個領域的問題，而你又可以自由暢快地和他們探討，這是一件令人非常愉快的事情。”研究愈深入，彭怡然在相關科學研究領域里一直探索下去的愿望愈篤定。

團隊合影

5年辛勤結碩果，2004年，彭怡然獲得加拿大戴爾豪斯大學大氣科學博士學位，之后前往德國馬克思-普朗克氣象研究所從事博士后研究工作。在那里，等待她的又是一次眼界和視野的開闊。德國馬克思-普朗克氣象研究所擁有世界上最先進的全球氣候模式之一，彭怡然前往深造的時候，這個模式已經發展到了第5代。吸收先進技術和理念，彭怡然不僅參與了一些與氣溶膠云相關的參數化開發工作，還打破圈層，對海洋、生態等相關領域的物理過程有了更為深入、系統的了解，從而將自己的研究觸角伸到了地球系統模式。就像一張編織的大網，把上下研究的點成功串聯了起來。與此同時，最讓彭怡然獲益匪淺的是一項關于東亞沙塵氣溶膠模擬數值改進的工作。結合東亞地區沙塵顆粒的特點，她和合作者修正了“出身歐洲”的模式對亞洲沙塵濃度模擬偏低的現象，使其更符合東亞的實際情況。將研究結合自己周邊的需要不斷調整改進，彭怡然嘗到了研究惠及于人的成就感。

積沙成塔，集腋成裘，多年的學習積累不僅滿足了彭怡然探索氣溶膠神奇奧秘的好奇心，還為她之后將所學擴展深入奠定了堅實的基礎。

云和雨的相遇

2007年，學有所成的彭怡然進入加拿大氣候模式與分析中心從事博士后研究，并最終留在那里成為研究助理。加拿大氣候模式與分析中心是一家政府機構，就此安定下來的彭怡然一方面繼續從事沙塵氣溶膠的模擬改進工作，另一方面也開始深入探索研究氣溶膠和云對大氣能量的影響，期間受同事啟發開始將研究領域擴展至輻射方面。她在中心使用的模式中開發出了一套完整的沙塵氣溶膠的模塊，并將能量和輻射等因素融入其中，大大提升了模式的可靠性。至今，該模塊還在加拿大氣候模式與分析中心使用著。

雖然研究取得不錯進展，但在加拿大待了幾年的彭怡然總覺得“不太有歸屬感”，加之加拿大近年來削減相關領域的投入，與之相較，大洋彼岸的祖國卻在大力支持和鼓勵相關方面的發展。彭怡然深感回國的時機到了。

在2009年舉辦的哥本哈根世界氣候大會上，各國派出的氣候談判專家齊聚一堂據理力爭，中國專家置身其中，但因為所提出的觀點都是用外國人的模式算出來的，深感發言沒有底氣。擁有自主知識產權的全球氣候模式成為眾望所歸。2013年，在與國內相關領域的學者交流中，彭怡然了解到清華大學正在組建一個地球系統科學中心，而她的專業正是中心所需。天時、地利與人和，在跨出國門10多年之后，彭怡然踏上了歸程。

水木清華，鐘靈毓秀。與彭怡然的母校北大一樣，清華作為國內最好的學府之一，聚集了一批國內精英學者。置身其中，彭怡然很快就找到了家的感覺和努力前行的方向。立足國家和行業所需，她和團隊其他成員一起致力于在相關領域發出“清華聲音”，走出“清華模式”。

剛回國那些年，在經歷了短暫的適應性調整之后，彭怡然的科研很快步入了正軌。她將自己多年在海外積累的經驗和方法帶回國，憑借國家自然科學基金面上、青年和重大項目以及科技部重點專項等項目課題支持，在氣溶膠與云的動力和物理過程及其在全球氣候模式中的參數化、氣溶膠對輻射和氣候產生的直接和間接影響等研究領域取得了卓有成效的成果。

太平洋上涌起的中緯度氣旋有可能會造成中國華北、東北甚至美國西海岸等地區的災害天氣？氣溶膠暖云滴的冷卻能力或能抵消全球變暖帶來的升溫？京津冀地區的氣溶膠污染物或會影響該區域對流云降水的強度？進入彭怡然的氣溶膠研究世界，你會發現氣溶膠、云、輻射與降水等過程的模擬在全球、區域尺度上表現。描述氣溶膠和云對能量和水文循環的影響、了解氣溶膠-云-輻射-降水過程的相互作用對改進天氣預報和氣候模式至關重要。雖然研究偏理論化，但堅信見微知著的彭怡然依然醉心氣溶膠、云、雨、塵等物質與能量的相互影響研究之中，樂此不疲。

在國家自然科學基金青年項目“氣溶膠影響暖云滴譜分布的離散效應在全球氣候模式中的數值模擬研究”中，彭怡然及其團隊關注到了氣溶膠改變云微物理特征從而影響云的輻射特性（第一間接效應）和降水過程（第二間接效應），尤其是氣候模式對全球間接效應的估算。“在暖云中氣溶膠的增多不僅會增加云滴數濃度，減小云滴尺寸，還會改變云滴譜分布的寬度，這個效應被稱為離散效應。近年來有研究提出，離散效應不僅在小尺度的云微物理問題上值得注意，在氣候尺度的全球模擬中同樣不容忽視。”“當前對離散效應的理論認識已經較為充分，相關的參數化方案也有一定的發展。然而在全球氣候模式中，對于不同參數化方案的模擬效果，尚未完整驗證過。離散效應通過云和降水過程對全球氣候可能產生的影響，也缺乏系統全面的評估。”彭怡然及其團隊在全球氣候模式中評估了5種云滴譜離散度的參數化方案，將經驗性擬合方案和半解析物理求解的方案對云微物理、降水和輻射的影響進行了詳細比較，并采用衛星觀測數據進行了評估。他們運行多組模擬實驗，量化地分析了離散效應對氣溶膠第一和第二間接效應的影響，獲得了較為可靠的間接效應估算值，為減少氣溶膠-氣候效應模擬的不確定性提供了一定參考依據。

在國家重點研發計劃重點專項項目“氣溶膠對流云降水相互作用機理研究及京津冀區域模式應用示范”研究中，彭怡然主要研究的是氣溶膠影響對流云微物理的參數化發展。基于京津冀地區的空天地多源觀測數據，她和團隊綜合考慮對流云中的溫濕條件、云滴譜以及氣溶膠情況，合理模擬氣溶膠形成冰晶的核化過程，闡明了氣溶膠對冰晶形成的影響這一云物理研究的難點問題。根據云室的冰核試驗，他們開發出適用于京津冀地區的冰晶核化參數化方案，并使用飛機觀測等數據驗證了模擬效果。運行多組敏感性試驗，他們分析和闡明了氣溶膠影響微物理過程等機制。開發和改進后的氣溶膠影響云微物理冰相過程的參數化方案將在業務模式中進行示范應用，預期可提高現有模式對降水的預報能力。

與學生集體出行

彭怡然與沙塵氣溶膠研究的緣分由來已久，從大四時初涉，到在德國馬克思-普朗克氣象研究所時結合東亞沙塵的實際情況來修正模式。到清華后，她成功申請到國家自然科學基金面上項目“云微物理影響東亞污染性沙塵氣溶膠跨太平洋傳輸的數值模擬研究”。憑借過去的經驗積累，彭怡然將關注點聚焦到污染性沙塵的可溶性及其在云微物理過程中濕沉降效率的改變上。基于一維氣團模式對氣溶膠-云微物理過程的模擬結果，她和團隊改進了清華大學氣候模式（CIESM）中沙塵與硫酸鹽氣溶膠（我國東部地區污染性氣溶膠的主要成分）混合后的濕沉降過程參數化，使得相關在線計算的方案比原有的簡單方案更加合理。值得一提的是，他們還在清華大學氣候模式（CIESM）中引入了人類生產活動排放的人為沙塵氣溶膠，同時也改善了模式在東亞地區細粒子沙塵氣溶膠模擬偏低的問題，為進一步改進東亞沙塵跨太平洋傳輸量偏低的工作打下堅實基礎。在線計算的沙塵與硫酸鹽混合后的濕沉降過程參數化方案可以為其他全球氣候模式所用。預期可以更準確地模擬沙塵的傳輸和濃度，以及沙塵氣溶膠的氣候效應等。

自然界的萬事萬物都有聯系，就像氣溶膠之于云是其形成的必要條件，而云之于雨也是一個必要的過程，它們相遇，成就了彼此。對彭怡然來說，她與氣溶膠、與云、與塵的相遇相伴何嘗不是如此。何其有幸，她找到了一個能夠滿足她探索欲望的職業方向，而她能做的，就是保持堅韌、初心，不輕言放棄。“我不覺得自己是什么成功人士，但我覺得堅持把自己能做的事情做好，也算是一種成功。這是我的目標，也是方向。”

感恩前行

如今，身在清華的彭怡然每天都過得很充實。“這么多年從事模式研究，深感它是一項需要群體協作的團體性工作，而這也是我選擇到清華的原因之一。這里有非常強的計算機團隊，除此之外我也得到了很多領域團隊的幫助。我覺得從事科研的人都有一個共同點，就是大家都特別有好奇心。這讓我們能夠很好地去溝通與交流。”西山蒼蒼，東海茫茫，東西文化，薈萃一堂。融入其中，彭怡然找到了家的快樂感。

科研之外，讓彭怡然享受其中的，還有與學生的相處。“我其實很多時候不會把他們當成是我的學生，而是能夠在平等交流中給予我不少靈感啟發的同行者。”這樣的相處方式讓她和學生亦師亦友，激發研究興趣、啟發獨立思考、鼓勵勇敢嘗試、提高動手能力……通過各種易于接受的方式，彭怡然在潛移默化中帶給學生很多不一樣的成長。

細膩柔軟、常懷感恩，彭怡然在工作中將女性工作者的風格發揮得淋漓盡致，上至給予過自己關懷和指導的校院領導、前輩，中至給自己提供過幫助的協作者、同行，下至朝夕相處中共同成長的學生，點滴在心，感恩前行。

雖然研究偏基礎理論，但在彭怡然的心中，一直有一個研究惠及普通老百姓的夢想，這也是她多年堅持結合實際改進模式的觸發點之一。最近幾年，她參與了不少與北京、河北、山西等地方人工影響天氣辦公室（簡稱“人影辦”）合作的項目。“呼風喚雨是人類一直以來的夢想，人工影響天氣作為利用氣候資源和防災減災趨利避害的一種有效手段在水資源綜合管理、農業抗旱減災和重大活動保障等方面發揮著重要作用，例如用飛機進行人工增雨雪等，它可以通過向冷云中播撒碘化銀成冰劑產生大量的人工冰核，冰核轉化成冰晶進入暖區后融化成為雨滴；或在暖云中通過向云中播撒適當吸濕性物質，設法增加大滴，啟動和加速碰并過程，促使云水向雨水轉化……”根據人影辦提供的大量云物理相關的觀測數據，彭怡然及其團隊從數據中提取了一些規律來設計參數化方案且放到模式里，使得模式對中國地區氣溶膠、云的模擬更為合理、準確。“人影辦的數據產品對我們的模式工作非常具有價值和意義，通過與他們的合作，我獲得了不少幫助，非常感謝他們。”理論結合實際，支撐實際應用；實際應用反過來又促進理論研究方向的調整，讓彭怡然的工作步入了良性的軌道。

亦如往常，將點滴記錄在心，感恩前行，彭怡然離自己的夢想又近了一步。

未來幾年，彭怡然要做的工作也已經清晰：“清華的氣候模式已經取得階段性成果，我們已經擁有了一個比較完整的氣溶膠模式，也參加過幾次關于氣候氣溶膠的國際比較計劃的評估，未來，我們準備參加第六次全球模式比較計劃。”展示清華模式，發出清華聲音。彭怡然和她團隊所做的事情這幾年得到越來越多同行的關注和了解。與此同時，他們探索、開發的模式也在不斷完善中趨向成熟。

“探索大自然的神奇魅力在于奧妙無窮無盡，科學探索永無止境，我們的探索也永無止境。”懷抱探索大自然奧秘的初心，坐看云卷云舒，靜聽花開花落，穿梭在云和雨、沙和塵的能量交換之間，彭怡然在她摯愛的氣溶膠的研究世界里找到了快樂源泉。