引子：自2013年5月起，因为一次偶然机遇，本人踏入了科研的门槛，至今已逾十年。一晃到了三十岁，虽然几经波折最终拿到了博士学位，脚却又迈出了门槛。回顾过往，深感一事无成，然仍不失备忘之价值，特记录如下。

1. 一次偶遇开启科研旅程

2013年5月，当时正读大二，非常苦恼的年纪，因为除了在上课的时候睡觉以外，我似乎在校园里学不到什么有用的东西。大学开设的课程多数都不教真的“武功”，这是公开的秘密。因此，我泡在图书馆一周，拼凑出一个研究计划，打印出来带着去学院的办公楼。在这栋楼里，我挨个办公室敲门，寻求能够提供帮助（无论是方向指导还是经费方面）的教授。在这栋楼里敲到了最后一个办公室，我遇上了自己未来的硕导。

教授看完研究计划后，说道：“我知道这是一个很棒的想法，但是‘黑碳气溶胶对气候的影响’这个话题太大了，不适合初学者。此外，估计黑碳气溶胶对大气辐射的影响存在很大的不确定性，学者之间的争论仍在继续。所以，我的实验室无法满足你的野心。” 然后他提出了一个新的、简单的研究计划，说：“我觉得这个方案更为实际，也有创新性。我给XXX打电话，他们会教你如何使用仪器和计算机模型。” 这个电话便是我科研旅程的开始。

随后，我和几个同学一起组队，共同致力于该研究计划。该研究方案的假设是，农业温室大棚对土地利用和土地覆盖的改变，会影响地表辐射。实际上不用假设也能通过知识推理得到该结论，但绝知此事要躬行。2013年8月，我们将辐射仪等仪器带到了农田，在观测过程中，我们还采访了当地农民以获取更多细节（图1）。

图1： 在覆盖温室的农田中部署仪器。

温室内温度高，湿度大，有机肥料分解快，氨挥发量大。当农田覆盖温室薄膜时，土壤温度约增加2-5℃。辐射仪观测数据显示，在晴天，与裸露的土壤相比，温室地表的短波辐射值增加了11-99%，取决于太阳高度角的日变化（图2）。这种地表辐射的增强，可能影响到不同气溶胶组分之间的光化学反应以及地表温度。

图2：典型日的辐射变化。辐射变化 = 温室辐射 - 裸露土壤辐射。

温室覆盖只占中国土地利用变化中的一小部分。在过去的40年里，中国经历了高速经济发展，大量土地的覆盖类型和利用类型发生了变化。例如城市化等硬化土地，可能影响地表水平衡，以及蒸发蒸腾、径流和地下水流，造成城市内涝等。

2. 海战

经过第一个项目的磨合，我作为本科生也能参与到导师的实验中。2014年11月，导师告诉我，有一个更有意义的项目需要我参与。这是我第二个项目的开始：海盐气溶胶的生成和演化。

海盐气溶胶是海洋和海岸大气中的悬浮物，通常以碱性液滴的形式存在。海盐气溶胶的碱性特点可能引起一系列问题，例如海盐液滴侵蚀沿海地区的基础设施（如港口和建筑物）。另一个问题是人类活动排放的气溶胶（如硫酸盐和硝酸盐）呈现酸性，而海盐气溶胶能中和沿岸城市大气中的酸性气溶胶（图3）。此外，海盐气溶胶的蒸发和老化过程对大气中水分含量起着重要的作用，从而影响台风、云的形成和消散。

图3：海洋气溶胶的生成与演化

海浪泡沫破碎是释放海盐气溶胶到大气中的主要途径，因此采集海盐气溶胶需要到开阔海洋中进行观测。在2015年至2017年的三年间，我与诸位同门参加了在黄海和渤海、东海、南海等区域进行的海上科考以及近岸观测。研究海盐气溶胶特性的主要技术方法包括在线颗粒计数仪和离线颗粒物收集器，测量海洋气溶胶的数目/质量/体积浓度。

图4：海浪泡沫破碎是释放海盐气溶胶到大气中的主要途径。

然而，仅仅从仪器中获取一些数据是不够的，因为必须搞清楚为什么数据呈现特定的规律。因此我在论文中对数据规律和文献知识进行了梳理，总结出海盐气溶胶的生成和演化过程（图5）。

图5：海盐气溶胶的生成和演化逻辑导图

3. 陆战

在2015年至2017年期间，除了为海盐气溶胶项目海上奔波，我另外又开展了第三个科研项目，也是始于一次偶然的机遇。

2015年秋天的一个早上，我和导师正走在校园的道路上，忽然注意到到路旁灌木丛的树叶上有大量露珠，太阳照射下映出亮光。正当我拿出手机拍摄此美景时，导师问了我一连串问题: “是光滑的树叶还是粗糙的树叶上的露珠多？是“脏”的树叶上露珠多还是相反？在垂直方向上，灌木丛是上层还是下层的露珠多？ 原因是什么？”当然，我的反应是“怅然良久，弗能对”。

后来我在每天清晨，逛遍了校园的树木，拍摄了大量照片，发现叶片光滑与否、 “脏”与否并不是主要因素，关键是树木所在的地理位置。另外，灌木丛上部叶片的露珠明显比下部叶片上的露珠多。不仅仅是露珠，植被冠层作为疏水界面，对雾滴的截留、结霜都是表面水的超饱和凝结成核及增长过程。

图6：植被冠层上的表面水：截留雾、露、霜。

在灌木丛上搭建表面测温仪等一系列仪器，测量气象和气溶胶组成的参数。表面水的形成原理是超饱和成核凝结，形成条件是上层空气的水汽补充或者在疏水界面上达到超饱和状态，因此会出现地表出现霜露，而1-2米高的灌木丛树叶并未出现表面水的情况。

图7：植被冠层作为疏水界面，表面水的形成原理是超饱和凝结。

观测期间，例如在2015年11月和12月，2016年12月和2017年1月，中国北方的冬季较为温暖。这一点得到了北极涛动指数的确认。当北极涛动指数大于0时，冷空气南下的条件较差。在这些时间段中，植被冠层界面上出现表面水的次数较多。

图8：观测期间，北极涛动指数为正，冬季较为温暖湿润。

冲刷植被冠层上的表面水，对其化学组分浓度进行分析。结果发现，近地面大气中一些颗粒物或液相气溶胶（如NH₄NO₃、CaSO₄）沉降在表面水中溶解，然后被降水等过程清除。表面水中的NH₃在白天重新释放，随着水分再次蒸发到大气中。

图9：冲刷表面水以便后续化学分析（图中实际上是雪）。

地球与太阳系中的其他行星相比，拥有丰富的水资源。大气中仅含有地球可获取水资源总量的0.001%。然而，大气中这极少的水分的输送和相态转化是地球气候中最重要的特征之一。云、雾、雨水、露水、霜和液相气溶胶代表了大气中水分的不同形态，在大气化学、辐射和动力学中起着重要作用。

图10：大气中的水在大气辐射和动力学中起着重要作用。

大气中的水分，沉积在地表，如树叶、土壤、建筑物和玻璃上。这些过程会导致从大气水分在地面累积，这种效应称之为“大气水井”。

图11：疏水界面上非均相超饱和凝结成核，逐渐发展为表面水。

4. 三次南征烟囱区

在上文的第三个项目中，我们发现了植被冠层上的表面水对近地面空气污染物的吸收和清除作用。近地面空气污染物的富集主要是由于较高的源排放强度和不利的扩散条件所致。但是实际上，中国工业的大多数烟囱是需要经过一系列的尾气清洁处理流程才会排放废气。而单纯地归咎于气象条件也难以得出令人信服的结论。

处理过的烟囱尾气，在水分含量较高的烟羽和周围空气中扩散、传输和转化，而这些过程当前依然未能探索其全貌。因此，第四个科研项目，是对烟囱区的三次观测。在该项目期间，穿插着笔者硕士毕业后、参加工作一年、又重新读博的间断和重启过程。这三次观测活动的发起，是由于一系列的机缘巧合，即使是参与者本身，也很难再复制一次。

第一次观测是在2017年的12月，地点是在上海市的热电厂。由于上海市的废气排放标准设置最为严格，热电厂本身排放的烟羽也是较为清洁的一种废气。因此，在相对清洁的烟羽中，利用无人机搭载纳米颗粒物探测仪，进行直接观测，可以直观地看到新鲜排放的细颗粒物在烟囱周围空气中生成、增长、稀释、扩散、清除的过程。

图12：上海航测地点。

图13：上海航测仪器照片。

图14：上海航测概念图。

第二次观测是在2018年的9月，利用地基定点激光雷达，捕捉过境工业烟羽气溶胶的垂向消光廓线。

图15：日照地面观测地点

烟羽气溶胶对大气能见度的影响，表现在烟羽中的细颗粒物对可见光波段的散射，从而产消光效应。因此，利用激光雷达探测得到过境烟羽气团的消光系数，可以获得烟羽的垂向轮廓。

图16：雷达探测到的烟羽垂向廓线。

激光雷达体积庞大而笨重，安装维护复杂，不适合推广。因此，在2019年3月发起的第三次观测活动中，利用一台价格为399元的普通民用摄像头，对烟羽的轮廓形状进行图像采集。

图17：烟羽轮廓多边形长度与地面细颗粒物浓度之间的关系。

不难发现，烟羽轮廓的多边形长度和地面细颗粒物浓度大致上呈现反比。有两种形态烟羽的出现，表示或预示清洁天气。 第一种情况是水平方向风速较小，而垂直湍流交换较强，烟羽形状不规则， 呈现链条式形状。另外一种情况是中性大气，出现非常长的条形烟羽，水平风速较大。如下图：

图18：两种典型清洁天气：不稳定大气（链条状烟羽）和中性大气（长直型烟羽）

5. 主力掉头回师

三次南征打完，处理繁琐的数据，身心俱疲，外加2019年辞职到中科院读博、以及某不便言说的瘟疫，恍如隔世。随后便将工作重心放在了北京。

在上文的第四个项目中，那台399元的摄像头，在观测完后便被放在角落里吃灰了。对于一个常用仪器的人来说，这就好比一把剑放在角落里生锈一样，后来总感觉不对劲。于是，第五个项目，从2019年到2021年，我又把这个摄像头架在了办公楼的楼顶，定时拍摄天空和地面照片，记录了一些空气污染事件的发生和消散过程。

图19：一次污染事件中大气能见度的变化。

对于获得的大量可见光图像，提取其像素色彩特征，并将这些图像特征输入到机器学习模型中，预测空气污染物浓度。

图20：抽取图像特征输入到机器学习模型。

图像观测实际上是广义上的遥感观测，其他的遥感观测方法包括基于卫星、基于飞机、基于探空气球、基于雷达的传感器等。

图21：图像观测与其他遥感方法的对比。

6. 后方大穿插渗透

在确定图像特征可用于空气污染的预测后，更进一步，第六个项目是将图像特征应用于低能见度天气和降水的预测。从2021年开始，我注意到天气和降水量出现异常，极端天气越来越频繁。例如2021年6月1日到8月31日，京津冀地区平均降水量508 mm。比往年同期平均偏多近50%。北京降水比去年增加了90%。为1997年以来雨季同期最多。

图22：2021年开始北方的降水量开始出现异常增多。

在不同的天气类型中，图像天空部分和地面部分的像素色彩特征值均有不同响应。从获取的图像中，可以看出重污染、雾霾、降水等天气对大气能见度的影响。

图23：不同天气中的图像特征实例。

在观测总时间段中，晴好天气占66%。在低能见度天气中，出现最多的是霾天（类别3）和小雨天气（类别4），占到四分之一。中雨以上的强降水（类别5、6、7、8）只占全年8%的时间段。

图24：北京各天气类型占观测总时间段比例。

在图像特征中，例如红蓝光亮度比的高值出现的低能见度天气为雾、雾霾混合、霾天气，这是由于大量雾滴或液相气溶胶粒子对长波可见光的散射，散射强度的相对大小为雾滴>雾霾混合粒子>霾粒子。故可知液相气溶胶中的水分含量与散射效应有关。

关于低能见度天气的第六个项目，目前结果仍然处于前期的探索阶段，结果不尽人意，也遇到了棘手的难处或者门槛，尤其是在降水量的预测方面。此处不予赘述。

尾声

本人的硕士论文，盲审专家（打分最低者）评语为：这根本就不像是一篇硕士论文，不过还算没有给出违反科学常识的结论。

申请美国的全奖博士项目时，美国那边大学的导师（华人）评语为：武功飘在天上，下面没底。（遂弃出国打算，后改投中科院读博）

本人的博士论文，盲审专家（打分最低者）评语为：作者反其道而行，实用性有限。

博士导师对博士论文的评语为：什么都没做出来，跟硕士论文一样；写的天马行空，你不适合做科研。

十年科研路总结：

2013-2014年：土地利用对大气辐射的改变
2015-2017年：远海和近岸海洋气溶胶特征
2015-2017年：疏水界面非均相超饱和成核
2017-2019年：高架工业烟羽的光学图像观测
2020-2021年：机器学习在图像观测中的应用
2022-2023年：低能见度天气和降水量的预报

以上。虽十年人间，南北纵横，仍为一穷酸书生，犹不悔。古来征战几人回，功成身退早还乡。