探索氣溶膠天氣氣候效應
——記中國科學院大氣物理研究所研究員林光星

李 莉 孫雅琴

林光星

全球氣候模式是研究與預估氣溶膠氣候效應及其反饋的重要工具。長期從事氣溶膠—地球系統模式的研發與應用，中國科學院大氣物理研究所研究員林光星，不僅與國內外著名研究單位有著良好合作基礎，更有著豐富的地球系統模式發展和應用經歷。2020年，他在國家明確提出“碳達峰、碳中和”雙碳目標的背景下回國，為認識氣溶膠對氣候的影響機制，做好預測，找到實現“雙碳”目標的有效途徑，林光星做著持續探索。

海外逐夢

林光星坦言，與相關方向結緣完全屬于巧合。高中畢業，林光星考入北京大學，因對數理化感興趣，他進入北京大學地球物理系學習。此后院系調整，林光星進入物理學院開始學習大氣科學。從懵懂到對此感興趣，在逐漸摸索中，林光星也慢慢確認了自己對科研的熱愛。

“面對一些問題，我總是試圖去搞清楚，我覺得科研讓人幸福的地方就在于它可以滿足我這樣的興趣愛好。”林光星說。在北京大學完成本科、碩士學業后，林光星出國深造，在美國密西根大學大氣科學方向攻讀博士學位。懷著對外面世界的好奇、抱著學習的態度，林光星在科研道路上勇攀高峰，博士畢業他先后在美國密西根大學大氣海洋與空間系、美國西北太平洋國家實驗室大氣科學與全球變化部開展博士后研究，還作為美國西北太平洋國家實驗室大氣科學與全球變化部的地球科學家投身一系列研究工作。其中，他參與的一個重要項目是改進美國能源部的地球系統模式（E3S M）的多尺度模式（MMF)（也叫超級參數化，即在氣候模式的粗網格中嵌入云解析模式）。為降低氣候模式中氣溶膠輻射強迫估計和云的反饋的不確定性，利用大時間尺度觀測數據，林光星研發了多尺度氣候模式系統及其模式應用，并利用完善的M M F模擬了全球云和氣溶膠的時空分布。

在項目攻關中，林光星分析了氣溶膠在次網格上的不均勻性及其與云的特性變化的關系，指出了模擬次網格氣溶膠和云的變化的重要性。在此基礎上，他在MMF的云解析模式格點上（4公里網格）加入了大氣氣溶膠過程的處理，為研究氣溶膠提供了一個全新而強大的工具。通過和地面、飛機和衛星觀測資料比較，林光星發現此新模式能夠改進北美、歐洲及極地地區的黑炭氣溶膠濃度模擬。除此之外，林光星還改進了M M F中的云微物理方案，使M M F成為一個能夠更好地預測未來氣候變化下水循環、云反饋、氣溶膠氣候效應和地球生物化學循環的強大工具。

參與項目的經歷，讓林光星對“合作”二字有了深刻的體會。雖然觀測和模擬是同一個行業，但卻分屬不同的方向，為更好交流，需要理解對方的工作，在此過程中林光星豐富了知識面；良好的交流也讓林光星所研發的模式不斷被優化，越來越貼近于觀測結果。

外表，林光星是一個理性、冷靜的年輕學者，但內心他也有年輕人對冒險的向往和沖動。與做觀測的科研工作者打交道，林光星收獲了不一樣的體驗。經常在野外觀測的科學家經歷會更豐富，他們會向林光星講起很多趣事及驚險的經歷。通過他們的講述，想象著坐飛機在大暴雨后穿過云層進行觀測的畫面，林光星仿佛也經歷了另一種人生，也讓他對于科研工作萌生了更多的靈感火花。

致力創新

大氣氣溶膠危害人體健康，對天氣和氣候系統更有著重要影響，但氣溶膠氣候效應的研究還存在很多不足，是未來氣候預測不確定性的主要來源之一。為降低這種不確定性，林光星一直致力于研發地球系統模式中氣溶膠相關的模式分量，改進對氣溶膠有關過程的處理，并應用這些先進的地球系統模式結合觀測，研究大氣氣溶膠的分布、演變和氣候效應。

為降低氣溶膠模擬的不確定性，林光星研發了一套基于物理化學過程的顯式有機氣溶膠模式。不同于傳統的簡單方案，這模式可以顯式模擬大氣中發生的一系列物理化學過程，從而預測出大氣中的有機氣溶膠濃度，開創了模擬有機氣溶膠的新方向。目前，此模型已被多個國際研究小組用于探究氣溶膠的科學問題中，并且，林光星的研究還成為I P C C（Intergovernmental Panel on Climate Change，聯合國政府間氣候變化專門委員會）第五次評估報告關于氣溶膠輻射強迫估計的主要依據。

傳統氣候模式通常會忽視二次有機氣溶膠對氣候變化的影響，并且認為二次有機氣溶膠不吸收任何太陽光。結合已有的觀測數據量化了棕碳氣溶膠的氣候輻射強迫的結果，林光星發現棕碳氣溶膠在大氣中和冰雪表面的輻射吸收都有不可忽略的貢獻（占黑炭氣溶膠輻射吸收的27%～70%）。這一新發現對氣候系統能量平衡和大氣能量垂直分布有著重要的意義。

在這些發現中，林光星開發的CESM-IMPACT模式大幅度提高了有機氣溶膠的模擬質量濃度，縮小了模式與觀測之間的差距。而且此模式發現液態化學反應對二次有機氣溶膠的全球平均貢獻可以達到30%以上。這一結果發表后得到國際學術界的廣泛關注。《化學評論》（Chemnical Reviews）雜志的一篇綜述文章對林光星在有機氣溶膠在液態形成方面的研究做了大篇幅討論。另外一篇文章也肯定了林光星對異戊二烯環氧二醇有機氣溶膠首次模擬所作的貢獻。I P C C第五次評估報告也強調了他所做研究對二次有機氣溶膠源解析的貢獻。

回國筑夢

雖然在國外求學、工作多年，但林光星一直在關注祖國的發展動態。如何使我國從應對氣候變化的積極參與者、努力貢獻者，逐步成為關鍵引領者，是諸多環境學者的共同關切，林光星亦是其中一分子。結合自己的科研興趣，更為了擁抱更廣闊的發展空間，林光星決定回國。中國科學院大氣物理研究所為林光星各項工作的開展提供了大力支持。回國后，林光星很快適應了國內的科研節奏。

做模式研究對計算機資源的要求較高，中國科學院大氣物理研究所的大科學裝置“地球模擬器”為林光星提供了重要的科研平臺。林光星介紹，現有的觀測已經發現二次氣溶膠（二次有機氣溶膠、硝酸鹽和銨鹽氣溶膠）是我國霧霾的重要組成部分，現有的地球系統模式的氣溶膠模塊仍然有許多需要改進的地方，特別是對于二次氣溶膠的模擬還有很大偏差，因此回國發展完善中國科學院地球系統模式中的大氣氣溶膠物理化學過程的處理方式，打造具有中國特色、國際領先水平的二次氣溶膠模塊十分必要。

另外，林光星還將進一步提升國內地球模式對云和降水的模擬能力，利用多尺度模擬框架提升中國科學院地球系統模式的分辨率到公里尺度，顯式解析模擬深對流，精細模擬氣溶膠、云、降水及它們之間的相互作用。

氣候變化正在影響著地球上每一個地區，對全球糧食、水、生態、能源、基礎設施及民眾生命財產安全構成長期重大威脅，應對氣候變化刻不容緩。在“中國將力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和”的承諾被提出后，“雙碳”成為大力推進的重要任務。但工廠減排，減排了二氧化碳，另一方面也減排了氣溶膠，減排氣溶膠對氣候會有什么影響？對天氣會有什么影響？由于“雙碳”目標被提出不久，缺乏觀測數據，目前這些問題的答案還不明確。提前模擬、發現問題、早做規劃，林光星希望通過自己的工作為此作一些貢獻。

“‘雙碳’目標的實現涉及很多面，不是一兩個人能搞定的問題，要做出與氣候變化有關的任何決定，需要大家共同達成協同合作的意愿。即便明天就出現一種奇跡般的地球工程技術，它能否保證在沒有副作用的情況下就幫助地球恢復到工業化前的氣候，也仍需所有人一起對其進行測試和實施。”林光星說，“歸根結底，在影響氣候、天氣上，人類活動都扮演了極為重要的角色。”