——记清华大学地球系统科学系副教授彭怡然之气溶胶研究
　　
李明丽

　　
　　气溶胶应该算是近几年出现在科普领域里的高频词了。
　　从“臭名昭著”的雾霾颗粒污染物PM2.5，到澳大利亚森林大火形成的“火云”，再到近期因为新冠病毒冲上热搜的病毒飞沫。这个“调皮的小家伙”凭借其“魔幻神力”一次又一次地展露人前。但其实，人类对这个自然界中普遍存在的微小物质还知之甚少。
　　“气溶胶有很多种，我研究的只是其中的一个领域。”巍巍学府，水木清华。清华大学地球系统科学系副教授彭怡然自始至终对大自然的神奇奥秘怀有一颗敬畏和探索之心。她和她所在的团队主要从事的是大气物理方向下气溶胶与云物理研究，意在通过数值模拟分析等现代技术手段揭开气溶胶对天气和气候的影响面纱。
　　坐看云卷云舒，静听花开花落。当清华园中一名手持现代“利器”的女科学家与云、雾、尘、气相遇，会擦出怎样的火花？
　　
沙和尘的相伴
　　“在现实生活中，你几乎看不到它。它是悬浮在大气中的尘埃，它无处不在。它非常微小，但有时候会很强大。它可能来自沙漠的尘土，也可能来自海洋逸散的海盐，它可能从喷发中的火山而来，也可能在森林大火中形成，它可能从工厂的烟囱飞出，也可能是卡车排放的尾气。气溶胶可以做一些让人印象深刻的事，就像把太阳光反射回太空，可以给地球降温，或者通过收集水汽来形成云朵；另一方面，一些气溶胶颗粒可以捕获阳光并加热空气，从而防止云团的形成。气溶胶可能会造成化学反应，破坏臭氧层；而在地球上，它可能会导致人类出现一系列的健康问题”进入神奇的气溶胶世界，你会发现这里包罗万象，真正诠释着大自然的宏观与微观——小颗粒，大不同。
　　北京女孩彭怡然与气溶胶结缘始于20世纪90年代。那时，她以优异成绩考入北京大学地球物理系。未名湖畔，博雅塔下，大师云集，包罗万象。恰同学少年，风华正茂。彭怡然记忆中的北大地球物理系，囊括了从天上到地下的很多自然学科，而他们直到大三才开始分专业。在空天领域，上至浩瀚缥缈的宇宙银河太空，中至火箭发射到空中几百公里的空间领域，下至从地面到空中几十公里的范围，都有彭怡然的同学涉及其中，而她最终选择了从地面到空中几十公里范围内的大气科学研究，只因“觉得它并不是那么遥不可及，而是与人类生活密切相关的，亲切而实在的学科”。
　　抱着对大气科学的好奇探索之心，彭怡然在大四那一年与气溶胶有了“自然而然的第一次相遇”。因为跟随我国气溶胶研究的先驱——毛节泰教授做毕业研究论文，那一年她接触了一个关于沙尘气溶胶的研究课题。彼时，相关研究在国内尚属空白，大家对气溶胶的关心程度亦如一张白纸，而彭怡然却对此充满好奇。作为一名成长在20世纪八九十年代的北京女孩，她对北京春秋时刻黄沙漫卷、突如其来的沙尘暴天气有着深刻的记忆和体会。“我一想到自己的研究如果能够对缓和北京沙尘暴天气起到一定作用就觉得很不错。”在好奇心和成就感驱使下，彭怡然就跟着攻读博士的师兄和师姐们跑到位于北京郊区的兴隆天文台开始了她第一次的气溶胶研究初体验，采样观测、记录观察一点一滴的积累最终化成梦想的种子，从此生根发芽。
　　因为有前期的兴趣铺垫，大四申请到国外留学的时候，彭怡然毅然选择遵从内心，到加拿大戴尔豪斯大学从事气溶胶方面的研究深造。就是在那里，她跟随博士生导师，开启了用数值模式来模拟气溶胶对天气气候的影响研究。如果说北京大学带给彭怡然的是兴趣的启蒙，在海外科学殿堂恣意翱翔探索的日子，为她打开了一扇通往更广阔探索天地的大门。难忘出国留学初期在语言沟通上面临的挑战，难忘第一次在国际学术大会上作报告时的青涩，难忘将多年研究成果展示在众人前的那份成就感和自豪感“当你可以感受到这个世界上有那么多科学家和你一样在关注同一个领域的问题，而你又可以自由畅快地和他们探讨，这是一件令人非常愉快的事情。”研究愈深入，彭怡然在相关科学研究领域里一直探索下去的愿望愈笃定。
　　5年辛勤结硕果，2004年，彭怡然获得加拿大戴尔豪斯大学大气科学博士学位，之后前往德国马克思-普朗克气象研究所从事博士后研究工作。在那里，等待她的又是一次眼界和视野的开阔。德国马克思-普朗克气象研究所拥有世界上最先进的全球气候模式之一，彭怡然前往深造的时候，这个模式已经发展到了第5代。吸收先进技术和理念，彭怡然不仅参与了一些与气溶胶云相关的参数化开发工作，还打破圈层，对海洋、生态等相关领域的物理过程有了更为深入、系统的了解，从而将自己的研究触角伸到了地球系统模式。就像一张编织的大网，把上下研究的点成功串联了起来。与此同时，最让彭怡然获益匪浅的是一项关于东亚沙尘气溶胶模拟数值改进的工作。结合东亚地区沙尘颗粒的特点，她和合作者修正了“出身欧洲”的模式对亚洲沙尘浓度模拟偏低的现象，使其更符合东亚的实际情况。将研究结合自己周边的需要不断调整改进，彭怡然尝到了研究惠及于人的成就感。
　　积沙成塔，集腋成裘，多年的学习积累不仅满足了彭怡然探索气溶胶神奇奥秘的好奇心，还为她之后将所学扩展深入奠定了坚实的基础。
　　
云和雨的相遇 
　　2007年，学有所成的彭怡然进入加拿大气候模式与分析中心从事博士后研究，并最终留在那里成为研究助理。加拿大气候模式与分析中心是一家政府机构，就此安定下来的彭怡然一方面继续从事沙尘气溶胶的模拟改进工作，另一方面也开始深入探索研究气溶胶和云对大气能量的影响，期间受同事启发开始将研究领域扩展至辐射方面。她在中心使用的模式中开发出了一套完整的沙尘气溶胶的模块，并将能量和辐射等因素融入其中，大大提升了模式的可靠性。至今，该模块还在加拿大气候模式与分析中心使用着。
　　虽然研究取得不错进展，但在加拿大待了几年的彭怡然总觉得“不太有归属感”，加之加拿大近年来削减相关领域的投入，与之相较，大洋彼岸的祖国却在大力支持和鼓励相关方面的发展。彭怡然深感回国的时机到了。
　　在2009年举办的哥本哈根世界气候大会上，各国派出的气候谈判专家齐聚一堂据理力争，中国专家置身其中，但因为所提出的观点都是用外国人的模式算出来的，深感发言没有底气。拥有自主知识产权的全球气候模式成为众望所归。2013年，在与国内相关领域的学者交流中，彭怡然了解到清华大学正在组建一个地球系统科学中心，而她的专业正是中心所需。天时、地利与人和，在跨出国门10多年之后，彭怡然踏上了归程。
　　水木清华，钟灵毓秀。与彭怡然的母校北大一样，清华作为国内最好的学府之一，聚集了一批国内精英学者。置身其中，彭怡然很快就找到了家的感觉和努力前行的方向。立足国家和行业所需，她和团队其他成员一起致力于在相关领域发出“清华声音”，走出“清华模式”。
　　刚回国那些年，在经历了短暂的适应性调整之后，彭怡然的科研很快步入了正轨。她将自己多年在海外积累的经验和方法带回国，凭借国家自然科学基金面上、青年和重大项目以及科技部重点专项等项目课题支持，在气溶胶与云的动力和物理过程及其在全球气候模式中的参数化、气溶胶对辐射和气候产生的直接和间接影响等研究领域取得了卓有成效的成果。
　　太平洋上涌起的中纬度气旋有可能会造成中国华北、东北甚至美国西海岸等地区的灾害天气？气溶胶暖云滴的冷却能力或能抵消全球变暖带来的升温？京津冀地区的气溶胶污染物或会影响该区域对流云降水的强度？进入彭怡然的气溶胶研究世界，你会发现气溶胶、云、辐射与降水等过程的模拟在全球、区域尺度上表现。描述气溶胶和云对能量和水文循环的影响、了解气溶胶-云-辐射-降水过程的相互作用对改进天气预报和气候模式至关重要。虽然研究偏理论化，但坚信见微知著的彭怡然依然醉心气溶胶、云、雨、尘等物质与能量的相互影响研究之中，乐此不疲。
　　在国家自然科学基金青年项目“气溶胶影响暖云滴谱分布的离散效应在全球气候模式中的数值模拟研究”中，彭怡然及其团队关注到了气溶胶改变云微物理特征从而影响云的辐射特性（第一间接效应）和降水过程（第二间接效应），尤其是气候模式对全球间接效应的估算。“在暖云中气溶胶的增多不仅会增加云滴数浓度，减小云滴尺寸，还会改变云滴谱分布的宽度，这个效应被称为离散效应。近年来有研究提出，离散效应不仅在小尺度的云微物理问题上值得注意，在气候尺度的全球模拟中同样不容忽视。”“当前对离散效应的理论认识已经较为充分，相关的参数化方案也有一定的发展。然而在全球气候模式中，对于不同参数化方案的模拟效果，尚未完整验证过。离散效应通过云和降水过程对全球气候可能产生的影   响，也缺乏系统全面的评估。”彭怡然及其团队在全球气候模式中评估了5种云滴谱离散度的参数化方案，将经验性拟合方案和半解析物理求解的方案对云微物理、降水和辐射的影响进行了详细比较，并采用卫星观测数据进行了评估。他们运行多组模拟实验，量化地分析了离散效应对气溶胶第一和第二间接效应的影响，获得了较为可靠的间接效应估算值，为减少气溶胶-气候效应模拟的不确定性提供了一定参考依据。
　　在国家重点研发计划重点专项项目“气溶胶对流云降水相互作用机理研究及京津冀区域模式应用示范”研究中，彭怡然主要研究的是气溶胶影响对流云微物理的参数化发展。基于京津冀地区的空天地多源观测数据，她和团队综合考虑对流云中的温湿条件、云滴谱以及气溶胶情况，合理模拟气溶胶形成冰晶的核化过程，阐明了气溶胶对冰晶形成的影响这一云物理研究的难点问题。根据云室的冰核试验，他们开发出适用于京津冀地区的冰晶核化参数化方案，并使用飞机观测等数据验证了模拟效果。运行多组敏感性试验，他们分析和阐明了气溶胶影响微物理过程等机制。开发和改进后的气溶胶影响云微物理冰相过程的参数化方案将在业务模式中进行示范应用，预期可提高现有模式对降水的预报能力。
　　彭怡然与沙尘气溶胶研究的缘分由来已久，从大四时初涉，到在德国马克思-普朗克气象研究所时结合东亚沙尘的实际情况来修正模式。到清华后，她成功申请到国家自然科学基金面上项目“云微物理影响东亚污染性沙尘气溶胶跨太平洋传输的数值模拟研究”。凭借过去的经验积累，彭怡然将关注点聚焦到污染性沙尘的可溶性及其在云微物理过程中湿沉降效率的改变上。基于一维气团模式对气溶胶-云微物理过程的模拟结果，她和团队改进了清华大学气候模式（CIESM）中沙尘与硫酸盐气溶胶（我国东部地区污染性气溶胶的主要成分）混合后的湿沉降过程参数化，使得相关在线计算的方案比原有的简单方案更加合理。值得一提的是，他们还在清华大学气候模式（CIESM）中引入了人类生产活动排放的人为沙尘气溶胶，同时也改善了模式在东亚地区细粒子沙尘气溶胶模拟偏低的问题，为进一步改进东亚沙尘跨太平洋传输量偏低的工作打下坚实基础。在线计算的沙尘与硫酸盐混合后的湿沉降过程参数化方案可以为其他全球气候模式所用。预期可以更准确地模拟沙尘的传输和浓度，以及沙尘气溶胶的气候效应等。
　　自然界的万事万物都有联系，就像气溶胶之于云是其形成的必要条件，而云之于雨也是一个必要的过程，它们相遇，成就了彼此。对彭怡然来说，她与气溶胶、与云、与尘的相遇相伴何尝不是如此。何其有幸，她找到了一个能够满足她探索欲望的职业方向，而她能做的，就是保持坚韧、初心，不轻言放弃。“我不觉得自己是什么成功人士，但我觉得坚持把自己能做的事情做好，也算是一种成功。这是我的目标，也是方向。”
　　
感恩前行
　　如今，身在清华的彭怡然每天都过得很充实。“这么多年从事模式研究，深感它是一项需要群体协作的团体性工作，而这也是我选择到清华的原因之一。这里有非常强的计算机团队，除此之外我也得到了很多领域团队的帮助。我觉得从事科研的人都有一个共同点，就是大家都特别有好奇心。这让我们能够很好地去沟通与交流。”西山苍苍，东海茫茫，东西文化，荟萃一堂。融入其中，彭怡然找到了家的快乐感。
　　科研之外，让彭怡然享受其中的，还有与学生的相处。“我其实很多时候不会把他们当成是我的学生，而是能够在平等交流中给予我不少灵感启发的同行者。”这样的相处方式让她和学生亦师亦友，激发研究兴趣、启发独立思考、鼓励勇敢尝试、提高动手能力通过各种易于接受的方式，彭怡然在潜移默化中带给学生很多不一样的成长。
　　细腻柔软、常怀感恩，彭怡然在工作中将女性工作者的风格发挥得淋漓尽致，上至给予过自己关怀和指导的校院领导、前辈，中至给自己提供过帮助的协作者、同行，下至朝夕相处中共同成长的学生，点滴在心，感恩前行。
　　虽然研究偏基础理论，但在彭怡然的心中，一直有一个研究惠及普通老百姓的梦想，这也是她多年坚持结合实际改进模式的触发点之一。最近几年，她参与了不少与北京、河北、山西等地方人工影响天气办公室（简称“人影办”）合作的项目。“呼风唤雨是人类一直以来的梦想，人工影响天气作为利用气候资源和防灾减灾趋利避害的一种有效手段在水资源综合管理、农业抗旱减灾和重大活动保障等方面发挥着重要作用，例如用飞机进行人工增雨雪等，它可以通过向冷云中播撒碘化银成冰剂产生大量的人工冰核，冰核转化成冰晶进入暖区后融化成为雨滴；或在暖云中通过向云中播撒适当吸湿性物质，设法增加大滴，启动和加速碰并过程，促使云水向雨水转化”根据人影办提供的大量云物理相关的观测数据，彭怡然及其团队从数据中提取了一些规律来设计参数化方案且放到模式里，使得模式对中国地区气溶胶、云的模拟更为合理、准确。“人影办的数据产品对我们的模式工作非常具有价值和意义，通过与他们的合作，我获得了不少帮助，非常感谢他们。”理论结合实际，支撑实际应用；实际应用反过来又促进理论研究方向的调整，让彭怡然的工作步入了良性的轨道。
　　亦如往常，将点滴记录在心，感恩前行，彭怡然离自己的梦想又近了一步。
　　未来几年，彭怡然要做的工作也已经清晰：“清华的气候模式已经取得阶段性成果，我们已经拥有了一个比较完整的气溶胶模式，也参加过几次关于气候气溶胶的国际比较计划的评估，未来，我们准备参加第六次全球模式比较计划。”展示清华模式，发出清华声音。彭怡然和她团队所做的事情这几年得到越来越多同行的关注和了解。与此同时，他们探索、开发的模式也在不断完善中趋向成熟。
　　“探索大自然的神奇魅力在于奥妙无穷无尽，科学探索永无止境，我们的探索也永无止境。”怀抱探索大自然奥秘的初心，坐看云卷云舒，静听花开花落，穿梭在云和雨、沙和尘的能量交换之间，彭怡然在她挚爱的气溶胶的研究世界里找到了快乐源泉。