为空气质量自制“一杆秤”

——记2017年度国家科技进步二等奖王自发团队

2018-01-29 10:12 来源：科学网

“你看，这块儿颜色比较浅，说明你家乡近几天的空气状况还可以”，采访伊始，中国科学院大气物理研究所研究员王自发询问了记者的家乡所在地，并在手机上展示了依托于嵌套网格空气质量预报模式所建立的空气质量预警预报体系的运行情况。

正是这一直接支撑国家重污染天气预报预警体系建设的模式，让王自发团队于近日第二次站上了人民大会堂国家级科技奖项的领奖台。

回击质疑的利器

近日，王自发及其团队的“嵌套网格空气质量预报模式(NAQPMS)自主研制与应用”项目荣获国家科学技术进步奖二等奖。这是莫大的鼓舞，但这个20年自主创新、服务国家重大需求的团队明白该“以平常心对待”这份荣誉。

说到研制该模式的初衷，还要追溯到上世纪九十年代日本宣称酸雨污染物主要来自中国的谬论。

为回击日本的无稽之谈，当时仍在攻读博士的王自发，建立了亚洲硫氧化物和黄沙等污染物输送的区域大尺度实用模型，用来研究东亚硫氧化物的跨国输送问题，并模拟沙尘发生、输送及沉降等过程，结果证明中国的硫氧化物等酸雨污染源对日本的影响仅在5%-10%，远小于日本所称的40%-60%。

随后，王自发利用自主发展的区域模式首次量化了沙尘及其土壤粒子对酸雨的中和作用。以台北为例发展了城市小尺度高分辨率气象和空气质量预报耦合模式，使模式水平分辨率达到500 m ×500 m，并成功应用于台北高浓度臭氧模拟。

随着并行计算机技术支持的跟进，王自发意识到，“把区域大尺度模式和城市小尺度模式嵌套在一起，就可以进行并行的污染预报，保证在线实时模拟。”于是，探讨不同尺度的沙尘暴、酸雨、城市光化学污染等多种污染物变化规律的“嵌套网格空气质量预报模式系统”，初步框架搭建成功。

“嵌套网格技术的优势就在于，可以表征不同尺度网格内动态的空气质量状况。”王自发介绍，这个系统既可以研究区域尺度内的污染问题，又能研究城市尺度的空气质量等问题的发生机理及其变化规律，以及不同尺度之间的相互影响过程。

全球瞩目的“应急队”

2002年，王自发回到中科院大气物理所。与此同时，模式系统也在依据国家需求不断升级，并在北京奥运会、亚太经合组织会议、9·3大阅兵等重大活动中得以应用。

王自发坦言，当时，中国人自主研制出了一套系统，要在国际上受到认可很难。2008年奥运会就是一次“大考”。

2007年，国际奥组委要求北京开展未来三天的空气质量预报，以此决定赛事变化。他们问，“中国人有没有这个能力，没有的话就交给美国和日本来做”。“这我们肯定不能接受，空气质量预报技术和赛事决定权与话语权必须掌握在中国人自己手中。”王自发说。

当年11月，王自发率领团队开始攻关，五个月便构建了以“嵌套网格空气质量预报模式系统”为核心的“空气质量多模式集合预报业务系统”。

“2008年3月份，奥组委检查成果时对结果非常满意。”王自发说。

获得奥组委的认可，得益于一系列关键技术突破，污染物的溯源与追踪就是其中之一。以往空气质量预报多利用统计模拟和人工预报，王自发团队通过精确计算污染物的数量、来源，安插“跟踪器”实时追踪污染物的来源和去向，提高了预报的精度。

“尽管预报系统很先进，但空气质量监测数据还是与百姓的实际感觉差别很大”。2012年前后，我国中东部出现长持续时间大范围的重污染天气，带来了广泛的社会影响。

“精准快速遏制或防范重污染形成，成为国家重大紧迫需求。”王自发团队紧急开展针对PM2.5为主要污染物的重污染模拟和计算，利用国家建立的空气质量监测网数据，自主研发了模式误差因素同化修订技术，建立国际领先的大气化学资料同化系统，实现了污染物浓度和误差因子之间的解耦，通过单物种观测，改进了多种污染物的预报效果。

团队还与中国环境监测总站联合攻关，找到了解决机理不明导致预报不准的新途径。2013年6月便在国家环保中心总站投入运行和预报，实现了3天的精细预报，7天的趋势预报。

需求在哪，研发就去哪

“模式好不好，大家都来比一比就知道了”，王自发提议并主持了国际模式比较计划MICS-Asia III，共有二十多个国家和地区、近百人参与。

结果表明，“嵌套网格空气质量预报模式系统”拥有当前最好的空气质量预报技术。有“科技联合国”之称的国际应用研究所也采用此模式评价和预测亚洲空气质量状况。

如今，“嵌套网格空气质量预报模式系统”模式已成为国内主流业务模式，成为国家环境质量预报预警中心、京津冀、长三角和珠三角等40多个业务平台的核心预报工具。

“国家需求在哪里，我们的研发就到哪里。”下一步，针对“一带一路”沿线国家和地区的需求，研发团队将展开7到15天的中期预报系统研究，与核心国家合作，支撑当地环境管理业务。

王自发表示，他们正在将目前嵌套网格转型为更加智慧型的自适应网格模式，但还存在自适应网格的并行化、计算机的算法和匹配等难题亟待攻关。

因而，能够获得国家级奖项的认可，令团队非常受鼓舞。大气物理所研究员、污染物溯源与追踪技术的主要开发者之一李杰说，团队的工作节奏很快，甚至“在重大事件发生时基本没有上下班概念”，但国家的肯定，令他们更觉责任重大。

该团队成员普遍认为， 20多年的自主研制过程受益匪浅，而科研成果真正能够为国家做贡献，改善空气质量，对人们的生产生活产生影响，“感到很骄傲”。

王自发说，模式相当于一杆秤，“国外用他们的模式测算结果夸大其污染物是我国送过去的，所以拥有自己的‘这杆秤’在环境外交中至关重要。”因而，团队的眼光“要着眼于世界，未来要做全球的空气质量预报”。(作者: 王佳雯韩扬眉)

（责任编辑：赵娜）