常鸣 周柳艺 董萍

“未来三天，受强冷空气影响，山西、河南、湖北等局地有降雨、大雪或暴雪……”。2025年12月30日，中央气象台发布气象预报，为各地提前做好应对方案，提供科学支撑。

和天气预报类似，空气质量预报也是一门复杂的科学，它是借助于超级计算机展开的一场宏大的运算实验。

超级计算机里的“虚拟大气”

“悬浮”在浩瀚宇宙中的地球，有着复杂的“生命”系统。科学家要在超级计算机里构建整个地球大气中的空气成分，分析其演变过程，这可不是简单的动画模拟，而是包含了成千上万个数学、物理、化学方程的真实再现。从太阳光如何激发光化学反应，到汽车尾气如何在城市街道间飘散，再到森林释放的孢子等物质如何随风旅行数百公里——这些过程都被科学家编码成计算机能够理解的指令。

在“虚拟大气”的构建过程中，科学家使用了一种叫作“空气质量数值预报模式”的工具，它就像一个虚拟实验室，对大气进行仿真。这个实验将自然、人为排放的物质去向和在大气层中发生的化学反应机理弄清楚后，结合气象的影响在模型里进行表征，从而预测对人体有毒有害的污染物质未来将如何变化。

空气质量预报为什么有时不准

大家或许有过这样的经历：预报中说的空气质量良好，但实际天气状况却是雾蒙蒙的。究其原因，不是预报不准确，而是因为空气质量预报面临着复杂的现实挑战。根据研究，即使是同样的污染物排放，在不同的天气条件下也可能产生完全不同的结果。

现代社会，人们向空气中排放的物质种类越来越多：从汽车尾气到工厂烟囱废气，从餐饮油烟到城市绿地挥发的天然化合物，这些排放源的数量和位置很难完全掌握。最棘手是，许多排放物进入空气后会发生复杂的化学反应形成二次污染。比如，挥发性有机物（VOCs）与氮氧化物进入空气，就像投入火焰的燃料，在阳光下经过一系列光化学反应会造成臭氧污染，从而影响空气透明度、植物生长和人体健康。

百米级“空气地图”模拟污染物扩散

科技的进步极大地提高了空气质量模型的分辨率。早期全球尺度的空气质量模型分辨率大约是1度（约111公里），目前，城市空气质量模型的分辨率已向“街区级”（百米级）迈进。这种进步就像从老式黑白电视机升级到4K超高清屏幕，让我们能够看清空气污染在城市中的真实分布。

为什么需要这么精细的分辨率？这是因为空气污染物的输送、扩散和转化与气象条件息息相关，而气象场又受到地形、建筑、水体、植被等动力和热力过程的影响。百米级分辨率模型能够捕捉到城市中复杂下垫面（如街道峡谷、公园绿地、工业区等）对气象场的影响，进而更准确地模拟污染物的扩散路径和浓度分布。

“清洁空气实验”人人都是参与者

科学家利用超级计算机，虽然能做大部分的实验和预报工作，但真正影响预报结果的却是我们身边的每一个人，大家都是这场实验的“参与者”。当大家看到空气质量预报时，不妨联想一下：在某个机房里，超级计算机正在模拟你呼吸每一口空气的数据，从工业废气的排放到云中的颗粒物成核反应，从城市炊烟的弥散到海浪拍击礁石产生的飞沫——这是一场关于人类呼吸的大气成分的宏大计算。

准确预报是科学应对空气污染的开端。在这场永不停歇的实验中，每一次更精准的模拟，都是向更清洁空气治理迈进的一步。

（作者常鸣系暨南大学环境与气候学院副研究员，周柳艺、董萍均系暨南大学环境与气候学院工程师）

编辑：申久燕