本刊记者  徐芳芳
　　
　　　　
　　大气化学，是一门发展中的学科，不仅在基础研究方面有很多问题亟待突破和解决，随着全球社会经济的逐渐深入融合，全球化大气污染等课题也成为研究者新的挑战。
　　“这就要求我们既要脚踏实地，又要仰望星空。‘脚踏实地’就是要重视基础，突破学科研究难题；‘仰望星空’就是要放眼大局，推动前沿交叉发展。”北京大学物理学院大气与海洋科学系长聘副教授林金泰，用实际行动给出了他的答案。
　　

放眼世界 探索全球化大气污染问题

　　大气污染物的跨境转移是大气化学和大气环境领域的一个重大问题。由于污染物在大气中的跨境输送，国际上众多国家长期以来都十分重视其他国家排放的污染物对本国空气质量的影响，但是前人在这方面的研究工作都是默认从产品生产的角度出发，认为只要产品生产是在哪个地区进行，相应的污染物排放就属于该地区的排放，而不考虑该产品是否在该国家消费。然而，在经济全球化的背景下，贸易活动的发展使得产品的消费地和产地及相应的污染排放地区分离，“无形”地引起污染物的跨境转移。
　　经济贸易对全球和区域大气环境影响到底有多大？在科学上如何量化？这在世界上仍是研究空白领域。
　　“我对经济学也比较感兴趣，在本科时修了大气科学和经济学双学士学位。在大气化学本学科的研究工作中，我慢慢意识到全球性的大气污染转移不仅仅由于大气输送，可能与贸易也有关系。”此前林金泰在大气输送引起的污染转移方面做了许多研究工作，并已经开始思考经济贸易对大气污染的影响，但如何定量表征贸易隐含污染，却是一直困扰他的难题之一。
　　2011年5月，研究迎来了转机。当时林金泰在美国哈佛大学参加大气化学模型方面的专业学术会议。会议期间，他无意中读到《美国科学院院刊》（PNAS）上的一篇关于贸易导致“碳转移”的论文，这使他眼前一亮。就是这篇论文，让他了解到经济学的投入—产出分析，特别是如何把经济部门之间的联系建立起来用于分析环境问题，这个发现让他茅塞顿开。于是，林金泰立即行动起来，联系了清华大学教授张强和贺克斌，恰好两位清华教授也在思考类似的问题，双方一拍即合，随后联系国际上有关研究团队一起展开了跨学科跨国家合作研究。
　　研究团队从产品消费的角度入手，借鉴经济学研究中的投入—产出分析方法，计算了2000年至2009年间与中国的国际贸易相关的直接和间接经济活动（产品生产、交通运输、电力生产等）导致的污染物排放，并进一步利用大气模型模拟其对我国空气质量的影响。研究发现，2006年中国东部地区近地面大气中的硫酸盐颗粒物有23%～34%来自与产品出口相关的经济活动，发现近地面大气中的黑碳颗粒物和一氧化碳的相应比例分别为10%～23%和12%～23%。
　　研究团队进一步分析了与中国出口相关的大气污染物通过跨境输送对全球环境的影响，首次揭示了贸易活动与大气输送的耦合引起的复杂污染转移。例如，美国从中国进口产品而减少本国排放，同时增加了中国地区的污染物排放和相应大气输送，其净效果是中国地区和美国西部地区大气中的硫酸盐污染增加而美国东部的污染减少了。由于美国人口主要分布于其东部地区，因此这一污染转移整体上有利于美国的公众健康。此项研究不仅填补了该研究领域的空白，而且改变了以往仅从大气输送角度认为中国污染影响美国等地的观念，为进一步认识跨境污染转移问题的复杂性、改善国际减排协作提供了重要依据。
　　2014年，研究团队在PNAS上发表了上述研究成果（Lin et al., PNAS），在国内外引起巨大反响。PNAS每年从3500篇论文中选出6篇具有“杰出科学贡献和原创性”（“outstanding scientific excellence and originality”）的论文，授予Cozzarelli奖并在美国科学院大会暨PNAS年会上颁发奖励证书，这篇论文荣获2015年度Cozzarelli奖。此后，这篇论文还成功入选《国家自然科学基金委资助项目优秀成果选编（六）》（2011—2015期间）中地球科学学部遴选的25项代表性工作之一。论文受到《人民日报》《环球时报》等国内外上百家主流媒体的广泛报道，从PNAS网站累计下载量超过17万次，被Nature、PNAS、Chemical Reviews、Lancet刊物引用180余次（Google Scholar），入选ESI“高被引论文”。这个研究被美国科学院院士David Karl评价为“基础性奠基性的工作”，“将引领随后一系列全球污染问题的研究”。
　　百尺竿头，更进一步。在这个工作的基础上，研究团队进一步将研究范围扩展到全球贸易和全球输送。他们于2016年在《自然—地球科学》发表论文（Lin et al., Nature Geoscience），量化了全球气溶胶转移对区域和全球辐射强迫的影响，于2017年进一步在《自然》发表论文（Zhang et al., Nature）（林金泰为共同通讯作者），揭示了全球化颗粒物污染的健康效应。这一系列研究表明，大气污染的全球化及其气候环境健康影响与全球消费、贸易和大气输送过程有密切关系，这对于厘清贸易、排放和气候环境健康的关系、制订有效的全球环境政策和协同减排方案具有重要意义。
　　这些研究成果颇具影响力，同样受到学术界的认可：发表在《自然—地球科学》上的论文荣获2016年度“中国新锐科技人物突出贡献奖”，发表在《自然》上的论文入选ESI“热点论文”和“高被引论文”，被日本和挪威的科学家评价为：“这是第一篇将全球供应链明确地与人类健康联系起来的文章。”
　　

立足基础 推动卫星观测和模型研究的发展

　　观测是大气化学和大气污染研究的基础，如何获取可靠的观测数据，是研究者要解决的第一个难题。而大气化学和大气污染作为复杂科学问题，对其的充分认识离不开数值模型。由于大气输送，区域污染形成过程受到局地—区域—全球大气化学多尺度相互作用的显著影响。对多尺度复杂过程和机制的定量分析需要针对不同地区的化学参量进行长时间系统性观测，并利用适当的模型工具量化这些过程及机制，这两方面目前均存在许多不足。
　　现有的全球模型和单向嵌套区域模型因各自的局限性，无法有效表征局地—区域—全球大气化学多尺度相互反馈。为了解决这一难题，林金泰带领研究团队基于GEOS-Chem自主实现了全球模型与多个区域模型的“双向”耦合，作为国际上仅有的两个此类模型之一，探索大气化学多尺度相互作用及其对全球化大气污染的影响。他们发现，双向耦合较好地表征了尺度间相互作用和反馈，大幅度解决了目前低精度全球模型无法有效模拟小尺度过程而易于高估北半球对流层大气氧化性、高估臭氧和OH而低估一氧化碳的基本问题，并且双向耦合模型对区域臭氧的模拟能力明显优于常规的单向嵌套区域模型，对研究污染物的生消和输送以及城市化等小尺度人为活动的全球环境影响有重要意义。该双向耦合方案被纳入GEOS-Chem的标准版本，这是对他之前改进GEOS-Chem边界层混合参数化方案（已成为默认选项）工作的重要拓展。
　　林金泰团队进一步结合数值模拟和卫星遥感观测，研究中国大气污染问题，特别是在氮氧化物的卫星遥感及其对臭氧和颗粒物污染的影响方面做了一系列研究工作。“也算是歪打正着吧。一开始选择使用卫星观测来做研究是在缺乏其他观测资料的情况下，一个没有办法的办法，但是通过这些年的探索，我觉得卫星观测对于研究环境问题非常有前途，所以一直坚持在做卫星相关的研究工作。”林金泰告诉记者。
　　“卫星遥感可提供水平覆盖面广、分辨率高、更新及时的公开氮氧化物资料，是定量估计氮氧化物污染时空特征、排放和环境影响的一种重要手段，特别是可以进一步结合模型计算，反演氮氧化物排放及其时空变化，并定量估计氮氧化物排放变化对臭氧、颗粒物等主要污染物的影响。”林金泰介绍。
　　林金泰带领团队建立了中国卫星二氧化氮反演产品POMINO，并首次在反演过程中显性地表征气溶胶光学作用的影响，与国际上众多其他产品相比，在中国等高气溶胶浓度地区大幅度提高了遥感资料的准确性。结合卫星资料和模型计算，首次实现25km高分辨率的中国氮氧化物排放反演，发现INTEX-B等当时的主要统计清单严重低估城市排放。发现“十一五”期间氮氧化物的快速增长是中国无法有效降低颗粒物污染的一个关键原因。发现2005—2013年间中国西部污染地区人为源氮氧化物的相对增长率远超过东部，其中一个重要原因是在西部经济开发背景下污染工业自东向西的转移，而这些工业的生产常常是为了满足东部地区的消费，这正是“全球化大气污染”在中国内部不同地区间的具体体现。这些研究工作对中国大气污染控制有重要意义。
　　由于在相关领域的出色表现，POMINO产品已被收录到著名的卫星产品网站www.temis.nl，并被邀请加入国际卫星产品比较计划QA4ECV，资料完全对外免费公开并已被多个国家的学者采用。林金泰应邀在韩国GEMS地球同步卫星计划的科学团队会议、AGU年会、EGU年会及AOGS年会上作卫星遥感产品开发和应用方面的特邀报告。
　　目前，林金泰正带领团队与荷兰皇家气象局（KNMI）紧密合作，改进POMINO算法并应用到2017年发射的TropOMI卫星探测器上，以获得新的二氧化氮产品，并进一步研究相关环境问题，为国家节能减排战略提供科学支撑。
　　

不忘初心 砥砺前行

 
　　“科学无国界，科学家有祖国；我是中国人，要研究世界的问题，更要研究中国的问题。”林金泰说。林金泰在哈佛大学的博士后研究主要就是围绕中国的大气污染问题开展，并于2010年8月回国加入母校物理学院大气与海洋科学系的教学科研队伍，开始新的人生历程。自回国后，林金泰先后作为（共同）第一作者或通讯作者在《美国科学院院刊》《自然—地球科学》《自然》等SCI期刊发表15篇论文。回国以来，Web of Science统计的SCI-E总引用近1300次、他引900余次，国内外会议邀请报告20余次。
　　10多年的科研历练，让林金泰迅速成长起来，先后荣获或入选国家“万人计划”青年拔尖人才、美国地球物理学会全球环境变化Early Career Award、中国新锐科技人物突出贡献奖、国家自然科学基金委优秀青年科学基金、中国气象学会第八届全国优秀青年气象科技工作者、中国气象学会十佳全国优秀青年气象科技工作者、中国气象学会涂长望青年气象科技奖一等奖、美国科学院院刊Cozzarelli奖等。
　　作为北京大学长聘副教授，在繁重的科研工作之外，林金泰还要承担教学任务。他的授课对象既有本科生，也有研究生。扎实的学术积累和出色的研究成果让他受到学生敬重。在林金泰的研究团队里，有博士生6人、本科生数人。在团队管理上，林金泰特别鼓励学生去探索自己感兴趣的问题，通过兴趣来推动工作取得进展。在这里，他同样要求学生“脚踏实地”——不好高骛远，不眼高手低，能够扎扎实实地从每天的工作入手，持之以恒；同时还要“仰望星空”——不局限于自身的科研内容，将眼光放得宽广一些，了解整个学科的发展和前沿，从中挖掘关键科学问题。
　　严师出高徒，在林金泰的培养下，团队成员工作出色。如果仔细看，那篇引起轰动、获得Cozzarelli奖的学术论文还有一位共同第一作者，他是林金泰指导的本科生，现在普林斯顿大学攻读博士学位。由于出色的教学科研成绩，林金泰荣获北京大学物理学院陈互雄青年教师奖，并两次在物理学院双年报（2013—2014年、2015—2016年）里作为亮点报道。
　　生有涯而学无涯。林金泰深知，成绩代表过去，既是认可、鼓励，也是压力、动力。“如果说《美国科学院院刊》的那篇论文为我们团队的研究工作推开了一扇门，那么最近的几项工作又把这扇门推得更开了，下一步怎样继续与国内外学者一起推动相关方面的研究是我们正在思考和探索的问题。”围绕“全球化大气污染”这一科学问题，目前相关研究正在有条不紊的进行中，林金泰也正在积极解开一个个难题。