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有人問科研太難了你應該回答什麼

科研人員在進行北極海冰上湍流儀器設備架設。中科院大氣所供圖

北京北土城西路和京藏高速的交彙處，平時車來車往，熙熙攘攘。可從一條小路拐進去，卻有一處幽靜的小院。一進入中國科學院大氣物理研究所（以下簡稱大氣所）鐵塔分部的大門，人們就會知道，這裡是一個做學問的地方。

坐落在此的，是大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室。自1991年經中國科學院批準正式成立并對外開放以來，該實驗室一直面向國際學科前沿和國家重大需求，堅持觀測實驗、理論分析和數值模拟相結合，引領我國大氣邊界層物理和大氣化學學科發展與交叉，并專注于開展低層大氣中物理和化學過程的基礎研究。

“仰望天空”這件每個人都會做的事情，大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室的80多名科研人員想要做到極緻。因為對國家乃至整個人類來說，“仰望天空”不僅是詩意的表達，更是一種迫切的現實需求。

“接地氣”的邊界層

大氣邊界層是指離地球表面約1~2千米高度的低層大氣。它是地圈、水圈、冰雪圈、生物圈與大氣圈間物質、能量交換的界面和關鍵區域，對氣候和環境的變化有極為重要的影響。人類的日常活動、工農業生産以及普通軍事活動均集中在該層，工程活動如航空航天、高層建築設計、風能和太陽能利用等也與大氣邊界層密切相關。

“可以說，人類99%的活動都是在邊界層開展的，因此大氣邊界層一直是國内外大氣科學的前沿研究領域之一。”大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室主任、大氣所研究員王自發說。

例如，近年來備受世人矚目的溫室氣體排放、大氣灰霾等，其實都發生在大氣邊界層中，這也讓大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室的研究變得越來越“接地氣”。

自1988年利用世界銀行貸款開始籌建以來，大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室的定位就一直非常明确，那就是去探尋邊界層大氣與地球表面的物質能量交換的科學規律。

“在基礎研究方面，我們實驗室主要是從事是大氣邊界層物理和大氣化學這兩個學科的交叉研究；在滿足國家重大需求方面，我們主要研究重點天氣災害的觸發、生态環境問題、城市化對氣候變化的影響等等。”王自發介紹。

大氣邊界層物理是研究在大氣邊界層中所發生的物理現象的學科，是大氣科學的一個重要分支。邊界層的大氣，既受氣壓梯度力、科裡奧利力的湍流粘性力的作用，又受地面摩擦作用和由輻射引起的溫度分布不均勻性的影響，運動非常複雜。

而大氣化學則是研究大氣組成和化學過程的學科，是大氣科學的另一個重要分支，涉及氣象、數學、物理、化學、生态、計算機等諸多學科。研究對象包括大氣微量氣體、氣溶膠、大氣放射性物質和降水等；研究空間範圍涵蓋對流層和平流層，水平尺度從城市、區域到全球；研究時間尺度從幾天到幾年，以至幾十年；研究手段包括現場觀測、實驗室模拟和數值模拟等。

學科的特點決定了研究工作的事無巨細。作為實驗室主任，王自發首先必須考慮的，就是學科方向的布局問題。

“一個都不能少”

大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室副主任、大氣所研究員鄭循華喜歡用“一把三足鼎立的小闆凳”形容自己所工作的實驗室。

“三條凳子腿是大氣化學、大氣邊界層物理和生物地球化學，三條腿融合基礎研究和應用基礎研究，獨立又緊密交叉，共同支撐起了整個闆凳面——大氣環境學。”鄭循華說。

憑借着這一獨特的學科交叉優勢，充分利用理論研究、實驗室模拟試驗、野外立體綜合觀測實驗、衛星遙測以及數值模拟等多種研究手段，大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室在大氣邊界層物理、大氣化學，以及碳氮生物地球化學循環研究領域持續保持着領先優勢。

同時，實驗室也是國内唯一一家從微觀到宏觀全鍊條布局的大氣科學實驗室，無論是一個小小的湍流，還是全球大氣輸送，無論是分子尺度，還是全球尺度，實驗室都有人在做。

“我們實驗室一開始就是這樣布局的，人不多，但布局的面特别廣，要保證每個方向都有人。無論經費狀況、需求情況如何‘風雲變幻’，我們始終要對這幾個方向穩定支持，讓大家能坐得住冷闆凳。”王自發坦言，“大氣科學的熱點一直在不斷地變化，前幾年是黃沙，這幾年是霧霾。我們實驗室要做的就是無論國家遇到了什麼事，都能馬上頂得上去、扛得起來。”

2008年，北京奧運會召開在即，北京的空氣質量問題成為全球矚目的焦點。當時國際上有人質疑，中國是否有能力進行空氣質量的短期數值預報，而國際奧委會也一度想将奧運會期間的空氣質量預報工作交與外國團隊來做。

奧運會是中國人民盼了多少年的大事，豈能把空氣質量預報交給别人？這對于王自發和他的同事來說是不可接受的。于是，大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室臨危受命，扛下了建立北京空氣質量預報預警模式的緊急任務。

北京奧運會開幕前4個月，實驗室研發的世界上首套“空氣質量多模式集合預報業務系統”投入業務運行。在奧運會期間，這套系統成功預報了未來72小時的空氣質量，為中國赢得了全世界的尊重。

讓王自發這個實驗室主任深感自豪的是，對于這套模式系統，實驗室是從建模、基礎研究、野外實驗，到業務化、産業化全部打通了的。正是這種“一個都不能少”的策略，讓實驗室在面對國家需求的時候，能夠以最快的速度做出響應，在應對急難險重任務時，能夠更加從容不迫。

經過多年的業務化實踐，這套系統逐步推廣開來，被廣泛采用，成為國家環境質量預報預警中心、七大區域中心、20多個省級中心和50多個市中心的核心預報工具，支撐建立了國家、區域、省、城市空氣質量預報預警業務化體系，為上海世博會、廣州亞運會、南京青奧會、APEC會議、9.3大閱兵、G20杭州峰會等國家重大活動的空氣質量保障及打赢藍天保衛戰提供了核心支撐。

“人人都能當家作主”的實驗室

2020年席卷全球的新冠病毒将很多人留在了家裡，但大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室副主任、大氣所研究員孫業樂卻一直沒閑着。

他注意到了一件不同尋常的事：“新冠病毒的傳播極大地減少了人們的戶外活動，進而導緻世界範圍内人為排放大氣污染物的顯著減少。然而，一些特大城市的空氣質量并未因為人為排放的降低而得到預期改善，重污染事件仍有發生。”

為了探究疫情期間人為排放變化對大氣污染的影響，孫業樂和他的學生對2020年1~3月份期間北京顆粒物化學組分和來源進行了深入分析。他們發現，在過去近10年間，大氣污染前體物的變化導緻了顆粒物化學組分的變化，而氣态前體物濃度的降低和大氣氧化性的增強反而促進了二次氣溶膠組分的形成和轉化，這意味着我國未來大氣二次污染的治理仍面臨着較大挑戰。

對于霧霾這件事的深刻理解，孫業樂認為要歸功于實驗室良好的學術氛圍。“當時霧霾剛成為熱點的時候，大家都隻是關注熱點，但王自發老師高瞻遠矚，把實驗室不同領域的年輕人組合起來，讓我們搞交叉研究，結果确實取得了很多重要的科學發現。這種學術自由、重視交流的氛圍，對我們年輕人的幫助很大。”

實際上，打破科學研究裡的“山頭”現象，一直是王自發力圖解決的問題。他一直感覺傳統的課題組模式就像“小農經濟”，科研人員各自為政，各個“山頭”之間沒什麼來往，不利于科研工作的開展，還容易産生隔閡和矛盾。“我們實驗室的學科方向很多，就更必須設計一種新的機制，來更好地凝練學科方向，讓大家集中目标，合力解決一些大的科學問題。”

為此，從2011年起，大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室采用了“研究員大會”制度來進行決策——實驗室所有的重大戰略決策都通過研究員大會來确定，針對制度的事項，進行實名投票；針對個人的事項，則實行匿名投票。

此外，每個研究員都有機會當選大會的輪值主席，每人為期三個月。這樣，人人都能夠站在實驗室的高度、站在他人的角度去思考問題，就能夠始終保持隊伍的團結，并且能夠始終圍繞着國家需求，開展科研攻關。

“矛盾少了，人心齊了，每個人都能在實驗室裡做自己想做的事、國家需要的事。”王自發笑稱，實驗室運行機制捋順了，“我這個實驗室主任都能當得更加輕松了”。

培養傑出人才，建設優秀團隊，在大氣邊界層基礎理論、大氣污染成因與模拟預測、地球生物化學循環關鍵過程、大氣化學過程與氣候變化相互影響等關鍵研究領域，開展關鍵性、前瞻性的基礎和應用基礎研究，這個鐵塔下的國家重點實驗室，将始終用科學的眼光仰望天空，作出自己獨特的貢獻。（丁佳）

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