【执着“钠”十年 钠离子电池迎来“破晓”】“如果失败了呢？”
“成与不成，这辈子只干这一件事。”
当众多人聚焦锂离子电池的时候，他把目光转向了“冷门”的钠离子电池，这“一眼”就是10年，也是这“一眼”打开了钠离子电池产业化的大门。此时的胡勇胜，不仅是中国科学院物理研究所研究员，还是中科海钠的创始人。
不久前，中科海钠生产的全球首款具备自主知识产权的钠离子电池实现量产，目前电芯产能可达30万只/月。
全球首辆钠离子电池低速电动车亮相中科院物理所九十周年所庆 胡勇胜供图
从“一枝独秀”到“珠联璧合”
历经200余年的电池在新一轮能源革命中迎来“大浪淘沙”。二十世纪九十年代，在众多二次电池中，锂离子电池率先抓住机遇强劲发展。
据中关村储能产业技术联盟2019年统计数据显示：在全球电化学规模储能示范项目中，锂离子电池的占比高达80%。
然而锂离子电池却面临无法回避的“天花板”。“在二次电池中，锂离子电池的性能虽是最好，但锂资源的储量有限，且70%分布在南美洲，而目前我国80%锂资源依赖进口。锂离子电池难以兼顾电动汽车和电网储能两大产业。”胡勇胜告诉《中国科学报》。
“一枝独秀”的锂离子电池已无法全面改变传统能源结构，“百花齐放”的二次电池中，替代或补充锂离子电池的储能技术成为国际新能源技术的竞争热点。
不仅如此，曾经的“主力队员”铅酸电池因其不可避免的环境污染及无法满足新国标标准面临“退役”问题，2019年4 月，《电动自行车安全技术规范》强制性国家标准规定电动自行车的整车质量（含电池）不高于55kg，但目前市场上铅酸电池电动自行车重量普遍超70kg。
“目前碳酸锂大概4万元/吨，如果用锂离子电池替代铅酸电池，电动自行车的成本将大幅上涨。而碳酸钠平均仅有2千元/吨，用钠离子电池替代铅酸电池的优势显而易见。”胡勇胜告诉记者。
在胡勇胜看来，钠离子电池具备低成本、长寿命和高安全性能等优势，不仅能在一定程度上成为锂离子电池的补充，缓解锂资源短缺的问题，还能逐步替代环境污染严重的铅酸电池，保证国家能源安全和社会可持续发展。
值得一提的是，钠离子电池巨大的储能市场还包括光伏、风能等新能源接入储存系统。据了解，2018年我国弃光、弃风、弃水电量共计1022亿度电。胡勇胜指出：“储能是智能电网的重要环节，钠离子电池因其成本及资源优势将在大规模储能市场中大有作为。”
“此外，钠离子电池凭借其诸多优势还有望在低速电动车、电动船、数据中心、通讯基站、家庭/工业储能领域快速发展。”胡勇胜表示。
中科院物理所和中科海钠设计制造的全球首辆钠离子电池低速电动车 胡勇胜供图
“要做用户最需要的”
近年来，国际领域纷纷加码钠离子电池研发。2020年，美国能源部明确将钠离子电池作为储能电池的发展体系；欧盟储能计划“电池2030”项目将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。
实际上，在胡勇胜团队开展钠离子电池研究时，虽然钠离子电池不是热门领域，但已有其他团队在研究，但胡勇胜给自己定了“做科研就要做用得上的研究，做用户最需要的钠离子电池”的目标。
“我们要做老百姓能买得起的低成本、高安全的电池。”为此，降低电池正负极材料成本成为胡勇胜团队首先思考的重要课题。实际上，目前锂离子电池常用的活性元素是Ni和Co，但成本较高，能否找到又有活性成本又低的元素替代呢？通过不断的研究，胡勇胜团队惊喜地发现Cu在钠离子电池中不但具有活性，而且成本只有Co的1/4和Ni的1/2，正是替代Ni和Co的“完美”元素，经过多年的探索，胡勇胜团队最终成功研制出Cu基钠离子层状氧化物正级材料。
挑战接踵而至，能否降低钠离子电池负极材料成本呢？“当时，石墨作为成熟的锂离子电池负极材料却几乎不具备储钠能力；无定形硬碳是众多研究的焦点，但价格较高。通过对碳源前驱体进行调研，我们发现无烟煤的成本平均1800元/吨，如果用无烟煤制备无定形碳负极材料将有利于大幅降低电池成本。基于这样的考虑，我们立即开始实验，最终研制出了无烟煤基钠离子电池负极材料。”胡勇胜回忆道。
在团队成员、中科院物理所副研究员陆雅翔看来，成功降低钠离子电池成本的关键在于敢于另辟蹊径、大胆创新。“在当时，国内外对钠离子电池的研究主要集中于借鉴锂离子电池的研发思路，所以迟迟没有突破性的进展，我们没有跟随大家的脚步，而是另辟蹊径，大胆尝试，挑战别人忽视的、认为不可能的道路。”
在攻克钠离子电池正负极材料成本问题后，胡勇胜团队继续深入挖掘钠离子电池的其他优势，发现钠离子电池不仅拥有更好的安全性，在遇到零下40度的低温时，钠离子电池汽车还能释放80%的电量，比锂离子电池汽车更加“耐寒”。“此外，钠离子电池汽车充电速度更快，仅需20分钟，接下来将挑战10分钟的充电速度。”胡勇胜告诉记者。
对于电池制备而言，建立完整的生产线不仅重要而且投资巨大，值得一提的是，钠离子电池可以直接使用锂离子电池的生产线，无需重建。“不久前，我们使用锂离子电池生产线生产了8万支钠离子电池。正因为可以直接使用锂离子电池的生产线，钠离子电池市场化的速度将更快，可以站在前人的‘肩膀’上，我们也无比感激。“胡勇胜表示。
目前，胡勇胜团队在钠离子电池正负极材料、电解液等关键材料体系和电芯制造、装配工艺等工程技术上都已具备完全自主研发能力，产品核心专利已获得中国、美国、欧盟等多个国家和地区的授权。
中科院物理所和中科海钠设计制造的全球首座百千瓦时钠离子电池储能电站 胡勇胜供图
眼前有产业 脚下有科研
实际上，胡勇胜与物理所的缘分已有20年。2001年，胡勇胜便来到物理所攻读博士学位，师从陈立泉院士，也正是这一份师生谊改变了胡勇胜未来的职业生涯。
博士毕业后，胡勇胜先后到德国和美国进修，就在完成学业之时，陈立泉联系胡勇胜，希望他能回到物理所工作。
“我毫不犹豫地就回来了，因为我的导师和团队凝聚力。陈老师始终心系国家能源安全，从长远出发推动电动中国梦想的实现，不畏困难，敢于挑战，这种家国情怀和科研精神令我敬佩。此外，陈老师满心栽培学生，他带领下的团队有激情、有梦想、有情怀，我非常喜欢团队的科研氛围。”胡勇胜回忆道。
在当时，团队成员都为自己设定了研究方向和目标，“做用户最需要的钠离子电池，这辈子只做这一件事”正是胡勇胜为自己定的目标。
“当时国内的科研条件随着国家的发展有了很大的改善，此外，中科院也提供了很好的科研平台和转化平台，作为科研人员，如果我们还不能做出点成绩，就真的太对不起国家，对不起老师了。”胡勇胜坦言，“实际上，我也想过可能失败，但如果大家都在观望一个领域时，它可能是机遇，如果大家都已经开始做了，可能它就不再是机会了。”
树立目标容易，将目标变成现实并非易事。付诸实践的头几年，是胡勇胜最困难也最难忘的时光。“由于国际上关于钠离子电池的研发并没有实质性进展，很多要从零开始。那些年，我们每天都在挖空心思地研究钠离子电池技术，’早晨捧着希望来，晚上带着失望归是常态，那是研发最困苦的时期，也是我最安静思考且难忘的时光，这为钠离子电池成功研发奠定了坚实的基础。”胡勇胜回忆时感慨道。
在胡勇胜看来，产业化与做科研完全不同，“基础研究强调前沿性，而产业化要做以用户为导向和市场需要的产品，不能为了新而新。此外，实验室研究阶段很多问题是看不见的，而当进入工程化阶段后，要保证产品的一致性和稳定性是很有挑战的事情。”
酒香也怕巷子深，寻找投资人和合作者，为科研成果注入转化资本，是每个科研成果转化征程中的必经且不易之路。产业化初期，出差作报告、谈合作、找厂家是胡勇胜的常态，为此他幽默地说道：“那些年，我不是在出差，就是在出差的路上。”
在陆雅翔看来，不管再忙，胡勇胜都会“挤”时间思考电池的技术研究，跟团队探讨灵感和难点，“胡老师总有用不完的精力，即使再忙他都会利用零碎的时间阅读最新文献，关注科研最新动态，思考问题的解决方案，这种勤奋和科研热情也激励着团队。”
随着钠离子电池产品的优越性能和低廉成本逐渐被国内外所认可，胡勇胜也从最初的主动找合作，转变为越来越的合作“找上门”，产业化的“羊肠小道”逐渐走成了“康庄大道”。
十年磨一剑，今年，是胡勇胜团队深耕钠离子电池的第10年，也是中科海钠市场化的“破晓”之刻，他对未来充满了期待，期待钠离子电池走进寻常百姓家，期待钠离子电池成为守护国家能源安全的“主力军”，“但科研是产业化的基础，在带领团队产业化的同时，还必须潜心科研，为钠离子电池实现充电更快、能量密度更大、安全性更高、成本更低的未来夯实基础。“
“高山仰止，景行行止，虽不能至，然心向往之。“胡勇胜感慨道。
“成与不成，这辈子只干这一件事。”
当众多人聚焦锂离子电池的时候，他把目光转向了“冷门”的钠离子电池，这“一眼”就是10年，也是这“一眼”打开了钠离子电池产业化的大门。此时的胡勇胜，不仅是中国科学院物理研究所研究员，还是中科海钠的创始人。
不久前，中科海钠生产的全球首款具备自主知识产权的钠离子电池实现量产，目前电芯产能可达30万只/月。
全球首辆钠离子电池低速电动车亮相中科院物理所九十周年所庆 胡勇胜供图
从“一枝独秀”到“珠联璧合”
历经200余年的电池在新一轮能源革命中迎来“大浪淘沙”。二十世纪九十年代，在众多二次电池中，锂离子电池率先抓住机遇强劲发展。
据中关村储能产业技术联盟2019年统计数据显示：在全球电化学规模储能示范项目中，锂离子电池的占比高达80%。
然而锂离子电池却面临无法回避的“天花板”。“在二次电池中，锂离子电池的性能虽是最好，但锂资源的储量有限，且70%分布在南美洲，而目前我国80%锂资源依赖进口。锂离子电池难以兼顾电动汽车和电网储能两大产业。”胡勇胜告诉《中国科学报》。
“一枝独秀”的锂离子电池已无法全面改变传统能源结构，“百花齐放”的二次电池中，替代或补充锂离子电池的储能技术成为国际新能源技术的竞争热点。
不仅如此，曾经的“主力队员”铅酸电池因其不可避免的环境污染及无法满足新国标标准面临“退役”问题，2019年4 月，《电动自行车安全技术规范》强制性国家标准规定电动自行车的整车质量（含电池）不高于55kg，但目前市场上铅酸电池电动自行车重量普遍超70kg。
“目前碳酸锂大概4万元/吨，如果用锂离子电池替代铅酸电池，电动自行车的成本将大幅上涨。而碳酸钠平均仅有2千元/吨，用钠离子电池替代铅酸电池的优势显而易见。”胡勇胜告诉记者。
在胡勇胜看来，钠离子电池具备低成本、长寿命和高安全性能等优势，不仅能在一定程度上成为锂离子电池的补充，缓解锂资源短缺的问题，还能逐步替代环境污染严重的铅酸电池，保证国家能源安全和社会可持续发展。
值得一提的是，钠离子电池巨大的储能市场还包括光伏、风能等新能源接入储存系统。据了解，2018年我国弃光、弃风、弃水电量共计1022亿度电。胡勇胜指出：“储能是智能电网的重要环节，钠离子电池因其成本及资源优势将在大规模储能市场中大有作为。”
“此外，钠离子电池凭借其诸多优势还有望在低速电动车、电动船、数据中心、通讯基站、家庭/工业储能领域快速发展。”胡勇胜表示。
中科院物理所和中科海钠设计制造的全球首辆钠离子电池低速电动车 胡勇胜供图
“要做用户最需要的”
近年来，国际领域纷纷加码钠离子电池研发。2020年，美国能源部明确将钠离子电池作为储能电池的发展体系；欧盟储能计划“电池2030”项目将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。
实际上，在胡勇胜团队开展钠离子电池研究时，虽然钠离子电池不是热门领域，但已有其他团队在研究，但胡勇胜给自己定了“做科研就要做用得上的研究，做用户最需要的钠离子电池”的目标。
“我们要做老百姓能买得起的低成本、高安全的电池。”为此，降低电池正负极材料成本成为胡勇胜团队首先思考的重要课题。实际上，目前锂离子电池常用的活性元素是Ni和Co，但成本较高，能否找到又有活性成本又低的元素替代呢？通过不断的研究，胡勇胜团队惊喜地发现Cu在钠离子电池中不但具有活性，而且成本只有Co的1/4和Ni的1/2，正是替代Ni和Co的“完美”元素，经过多年的探索，胡勇胜团队最终成功研制出Cu基钠离子层状氧化物正级材料。
挑战接踵而至，能否降低钠离子电池负极材料成本呢？“当时，石墨作为成熟的锂离子电池负极材料却几乎不具备储钠能力；无定形硬碳是众多研究的焦点，但价格较高。通过对碳源前驱体进行调研，我们发现无烟煤的成本平均1800元/吨，如果用无烟煤制备无定形碳负极材料将有利于大幅降低电池成本。基于这样的考虑，我们立即开始实验，最终研制出了无烟煤基钠离子电池负极材料。”胡勇胜回忆道。
在团队成员、中科院物理所副研究员陆雅翔看来，成功降低钠离子电池成本的关键在于敢于另辟蹊径、大胆创新。“在当时，国内外对钠离子电池的研究主要集中于借鉴锂离子电池的研发思路，所以迟迟没有突破性的进展，我们没有跟随大家的脚步，而是另辟蹊径，大胆尝试，挑战别人忽视的、认为不可能的道路。”
在攻克钠离子电池正负极材料成本问题后，胡勇胜团队继续深入挖掘钠离子电池的其他优势，发现钠离子电池不仅拥有更好的安全性，在遇到零下40度的低温时，钠离子电池汽车还能释放80%的电量，比锂离子电池汽车更加“耐寒”。“此外，钠离子电池汽车充电速度更快，仅需20分钟，接下来将挑战10分钟的充电速度。”胡勇胜告诉记者。
对于电池制备而言，建立完整的生产线不仅重要而且投资巨大，值得一提的是，钠离子电池可以直接使用锂离子电池的生产线，无需重建。“不久前，我们使用锂离子电池生产线生产了8万支钠离子电池。正因为可以直接使用锂离子电池的生产线，钠离子电池市场化的速度将更快，可以站在前人的‘肩膀’上，我们也无比感激。“胡勇胜表示。
目前，胡勇胜团队在钠离子电池正负极材料、电解液等关键材料体系和电芯制造、装配工艺等工程技术上都已具备完全自主研发能力，产品核心专利已获得中国、美国、欧盟等多个国家和地区的授权。
中科院物理所和中科海钠设计制造的全球首座百千瓦时钠离子电池储能电站 胡勇胜供图
眼前有产业 脚下有科研
实际上，胡勇胜与物理所的缘分已有20年。2001年，胡勇胜便来到物理所攻读博士学位，师从陈立泉院士，也正是这一份师生谊改变了胡勇胜未来的职业生涯。
博士毕业后，胡勇胜先后到德国和美国进修，就在完成学业之时，陈立泉联系胡勇胜，希望他能回到物理所工作。
“我毫不犹豫地就回来了，因为我的导师和团队凝聚力。陈老师始终心系国家能源安全，从长远出发推动电动中国梦想的实现，不畏困难，敢于挑战，这种家国情怀和科研精神令我敬佩。此外，陈老师满心栽培学生，他带领下的团队有激情、有梦想、有情怀，我非常喜欢团队的科研氛围。”胡勇胜回忆道。
在当时，团队成员都为自己设定了研究方向和目标，“做用户最需要的钠离子电池，这辈子只做这一件事”正是胡勇胜为自己定的目标。
“当时国内的科研条件随着国家的发展有了很大的改善，此外，中科院也提供了很好的科研平台和转化平台，作为科研人员，如果我们还不能做出点成绩，就真的太对不起国家，对不起老师了。”胡勇胜坦言，“实际上，我也想过可能失败，但如果大家都在观望一个领域时，它可能是机遇，如果大家都已经开始做了，可能它就不再是机会了。”
树立目标容易，将目标变成现实并非易事。付诸实践的头几年，是胡勇胜最困难也最难忘的时光。“由于国际上关于钠离子电池的研发并没有实质性进展，很多要从零开始。那些年，我们每天都在挖空心思地研究钠离子电池技术，’早晨捧着希望来，晚上带着失望归是常态，那是研发最困苦的时期，也是我最安静思考且难忘的时光，这为钠离子电池成功研发奠定了坚实的基础。”胡勇胜回忆时感慨道。
在胡勇胜看来，产业化与做科研完全不同，“基础研究强调前沿性，而产业化要做以用户为导向和市场需要的产品，不能为了新而新。此外，实验室研究阶段很多问题是看不见的，而当进入工程化阶段后，要保证产品的一致性和稳定性是很有挑战的事情。”
酒香也怕巷子深，寻找投资人和合作者，为科研成果注入转化资本，是每个科研成果转化征程中的必经且不易之路。产业化初期，出差作报告、谈合作、找厂家是胡勇胜的常态，为此他幽默地说道：“那些年，我不是在出差，就是在出差的路上。”
在陆雅翔看来，不管再忙，胡勇胜都会“挤”时间思考电池的技术研究，跟团队探讨灵感和难点，“胡老师总有用不完的精力，即使再忙他都会利用零碎的时间阅读最新文献，关注科研最新动态，思考问题的解决方案，这种勤奋和科研热情也激励着团队。”
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【铁塔之下 守望天空——走进大气边界层物理和大气化学国家重点实验室】#重点实验室巡礼#
北京北土城西路和京藏高速的交汇处，平时车来车往，熙熙攘攘。从一条小路拐进去，却有一处幽静小院。一进入中国科学院大气物理研究所（以下简称大气所）铁塔分部的大门，人们就知道，这里是一个做学问的地方。
坐落在此的，是大气边界层物理和大气化学国家重点实验室。自1991年经中国科学院批准正式成立并对外开放以来，该实验室一直面向国际学科前沿和国家重大需求，坚持观测实验、理论分析和数值模拟相结合，引领我国大气边界层物理和大气化学学科发展与交叉，并专注于开展低层大气中物理和化学过程基础研究。
“仰望天空”这件每个人都会做的事情，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的80多名科研人员想要做到极致。因为对国家乃至整个人类来说，“仰望天空”不仅是诗意的表达，更是一种迫切的现实需求。
“接地气”的边界层
大气边界层是指离地球表面约1~2千米高度的低层大气。它是地圈、水圈、冰雪圈、生物圈与大气圈间物质、能量交换的界面和关键区域，对气候和环境的变化有极为重要的影响。人类的日常活动、工农业生产以及普通军事活动均集中在该层，工程活动如航空航天、高层建筑设计、风能和太阳能利用等也与大气边界层密切相关。
“可以说，人类99%的活动都是在大气边界层开展的，因此大气边界层一直是国内外大气科学的前沿研究领域之一。”大气边界层物理和大气化学国家重点实验室主任、大气所研究员王自发说。
例如，近年来备受世人瞩目的温室气体排放、大气灰霾等，其实都发生在大气边界层中，这也让大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的研究变得越来越“接地气”。
自1988年利用世界银行贷款开始筹建以来，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的定位就一直非常明确，那就是去探寻边界层大气与地球表面的物质能量交换的科学规律。
“在基础研究方面，我们实验室主要从事大气边界层物理和大气化学这两个学科的交叉研究；在满足国家重大需求方面，我们主要研究重点天气灾害的触发、生态环境问题、城市化对气候变化的影响等等。”王自发介绍。
大气边界层物理是研究在大气边界层中所发生的物理现象的学科，是大气科学的一个重要分支。边界层的大气，既受气压梯度力、科里奥利力的湍流粘性力的作用，又受地面摩擦作用和由辐射引起的温度分布不均匀性的影响，运动非常复杂。
而大气化学则是研究大气组成和化学过程的学科，是大气科学的另一个重要分支，涉及气象、数学、物理、化学、生态、计算机等诸多学科。研究对象包括大气微量气体、气溶胶、大气放射性物质和降水等；研究空间范围涵盖对流层和平流层，水平尺度从城市、区域到全球；研究时间尺度从几天到几年，以至几十年；研究手段包括现场观测、实验室模拟和数值模拟等。
学科的特点决定了研究工作的事无巨细。作为实验室主任，王自发首先必须考虑的，就是学科方向的布局问题。
“一个都不能少”
大气边界层物理和大气化学国家重点实验室副主任、大气所研究员郑循华喜欢用“一把三足鼎立的小板凳”形容自己所工作的实验室。
“三条凳子腿是大气化学、大气边界层物理和生物地球化学，三条腿融合基础研究和应用基础研究，独立又紧密交叉，共同支撑起了整个板凳面——大气环境学。”郑循华说。
凭借着这一独特的学科交叉优势，充分利用理论研究、实验室模拟试验、野外立体综合观测实验、卫星遥测以及数值模拟等多种研究手段，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室在大气边界层物理、大气化学，以及碳氮生物地球化学循环研究领域持续保持着领先优势。
同时，实验室也是国内唯一 一家从微观到宏观全链条布局的大气科学实验室，无论是一个小小的湍流，还是全球大气输送；无论是分子尺度，还是全球尺度，实验室都有人在做。
“我们实验室一开始就是这样布局的，人不多，但布局的面特别广，要保证每个方向都有人。无论经费状况、需求情况如何‘风云变幻’，我们始终要对这几个方向稳定支持，让大家能坐得住冷板凳。”王自发坦言，“大气科学的热点一直在不断地变化，前几年是黄沙，这几年是雾霾。我们实验室要做的就是无论国家遇到了什么事，都能马上顶得上去、扛得起来。”
2008年，北京奥运会召开在即，北京的空气质量问题成为全球瞩目的焦点。当时国际上有人质疑，中国是否有能力进行空气质量的短期数值预报，而国际奥委会也一度想将奥运会期间的空气质量预报工作交与外国团队来做。
奥运会是中国人民盼了多少年的大事，岂能把空气质量预报交给别人？这对于王自发和他的同事来说是不可接受的。于是，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室临危受命，扛下了建立北京空气质量预报预警模式的紧急任务。
北京奥运会开幕前4个月，实验室研发的世界上首套“空气质量多模式集合预报业务系统”投入业务运行。在奥运会期间，这套系统成功预报了未来72小时的空气质量，为中国赢得了全世界的尊重。
让王自发这个实验室主任深感自豪的是，对于这套模式系统，实验室是从建模、基础研究、野外实验，到业务化、产业化全部打通的。正是这种“一个都不能少”的策略，让实验室在面对国家需求的时候，能够以最快的速度做出响应，在应对急难险重任务时，能够更加从容不迫。
经过多年的业务化实践，这套系统逐步推广开来，被广泛采用，成为国家环境质量预报预警中心、七大区域中心、20多个省级中心和50多个市中心的核心预报工具，支撑建立了国家、区域、省、城市空气质量预报预警业务化体系，为上海世博会、广州亚运会、南京青奥会、APEC会议、9·3大阅兵、G20杭州峰会等国家重大活动的空气质量保障及打赢蓝天保卫战提供了核心支撑。
“人人都能当家做主”的实验室
2020年席卷全球的新冠病毒将很多人留在了家里，但大气边界层物理和大气化学国家重点实验室副主任、大气所研究员孙业乐却一直没闲着。
他注意到了一件不同寻常的事：“新冠病毒的传播极大减少了人们的户外活动，进而导致世界范围内人为排放大气污染物显著减少。然而，一些特大城市的空气质量并未因为人为排放的降低而得到预期改善，重污染事件仍有发生。”
为了探究疫情期间人为排放变化对大气污染的影响，孙业乐和他的学生对2020年1~3月份北京颗粒物化学组分和来源进行了深入分析。他们发现，在过去近10年间，大气污染前体物的变化导致了颗粒物化学组分的变化，而气态前体物浓度的降低和大气氧化性的增强反而促进了二次气溶胶组分的形成和转化，这意味着我国未来大气二次污染的治理仍面临着较大挑战。
对于雾霾的深刻理解，孙业乐认为要归功于实验室良好的学术氛围。“当时雾霾刚成为热点，大家都只是关注热点，但王自发老师高瞻远瞩，把实验室不同领域的年轻人组合起来，让我们搞交叉研究，结果确实取得了很多重要的科学发现。这种学术自由、重视交流的氛围，对我们年轻人的帮助很大。”
实际上，打破科学研究里的“山头”现象，一直是王自发力图解决的问题。他一直感觉传统的课题组模式就像“小农经济”，科研人员各自为政，各个“山头”之间没什么来往，不利于科研工作的开展，还容易产生隔阂和矛盾。“我们实验室的学科方向很多，就更需要设计一种新的机制，来更好地凝练学科方向，让大家集中目标，合力解决一些大的科学问题。”
为此，从2011年起，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室采用了“研究员大会”制度进行决策——实验室所有的重大战略决策都通过研究员大会来确定，针对制度的事项，进行实名投票；针对个人的事项，则实行匿名投票。
此外，每个研究员都有机会当选大会的轮值主席，每人为期三个月。这样，人人都能够站在实验室的高度、站在他人的角度去思考问题，从而能够始终保持队伍的团结，并且始终围绕国家需求，开展科研攻关。
“矛盾少了，人心齐了，每个人都能在实验室里做自己想做的事、国家需要的事。”王自发笑称，实验室运行机制理顺了，“我这个实验室主任都能当得更加轻松了”。
培养杰出人才，建设优秀团队，在大气边界层基础理论、大气污染成因与模拟预测、地球生物化学循环关键过程、大气化学过程与气候变化相互影响等关键研究领域，开展关键性、前瞻性的基础和应用基础研究，这个铁塔下的国家重点实验室，将始终用科学的眼光仰望天空，作出自己独特的贡献。
实验室小故事
“高攀”不起的“网红”打卡地
“北京健翔桥西边有个很高的铁塔是干什么用的？”
“城建大厦北侧有一根很高很高的铁柱子，谁知道那是什么？”
中国科学院大气物理研究所铁塔分部院里那座高达325米的铁塔，总时不时地引起网友的好奇，甚至还有人怀疑它是不是一栋“烂尾楼”。
实际上，大气所325米气象观测塔不但是附近的“网红”地标、中科院标志性的大型科学设备，更是大气边界层物理和大气化学国家重点实验室全体科研人员引以为傲的一座科学之塔。
气象塔于1976年开始建设，1979年8月建成，是一座全天候运行的气象高塔。该塔垂直方向有15层观测平台，可实现气象、湍流、空气质量要素全天候梯度观测，并实现自动观测数据的同步传输。
气象塔主要服务于北京的空气污染研究和大气边界层、大气湍流扩散等研究。在世界众多气象塔中，大气所气象塔具有独特的优势，其高度位居世界第三。在气象塔280米高度南北两个方向设置的两部高清相机可24小时运行，每半小时就会自动拍照，实时监测周边天气、污染和地表状况。气象塔上还有两套观测系统——15层气象梯度观测系统和7层湍流通量观测系统，也同样在24小时不间断运行着。
40多年来，该气象塔连续不间断地对北京市边界层风、温、湿平均场结构进行观测，取得了大量宝贵资料。这些积累多年的观测数据在大气科学研究领域得到了广泛应用，发挥了不可替代的巨大作用。
“在超大城市里建这么一座气象塔，在全世界也是十分罕见的。这座铁塔这么多年来始终屹立在这里，可以说见证了北京城市发展的历程，也支撑了国家大气环境的研究。”大气所研究员胡非说。
例如，2009年，北京市气象局承担了国际清洁气象保障任务，该局向大气所提出，想要使用325米气象塔的数据。大气边界层物理和大气化学国家重点实验室随即组织科研力量进行了采样程序的修改，进行网络连接和网上数据传送程序的安装调试，并在当年9月24日下午成功实现了数据的实时传送，同时在国庆期间安排专人值班，圆满完成了此次任务。北京市气象局为此专门发来了感谢信。
目前，在大气所和北京市气象局战略合作协议框架下，气象塔的观测已纳入北京市气象局的日常观测站网。此外，气象塔数据应用于APEC会议的气象保障，取得良好成效。
这座“40多岁”的高塔也为科学研究立下了汗马功劳。据不完全统计，观测塔数据为“973”项目、“863”项目、中科院战略性先导科技专项、自然科学基金等项目提供实验平台，进行全年不间断实时连续观测，近5年用铁塔资料发表的论文就有近百篇。
“从1979年建成以来，这座气象塔一天都没有停止过工作，取得了很多不可替代的宝贵资料，为中国在国际大气科学界赢得了重要的话语权。”正如胡非说的那样，这座“兢兢业业”的高塔，铸成了大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的“魂”。（丁佳）
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北京北土城西路和京藏高速的交汇处，平时车来车往，熙熙攘攘。从一条小路拐进去，却有一处幽静小院。一进入中国科学院大气物理研究所（以下简称大气所）铁塔分部的大门，人们就知道，这里是一个做学问的地方。
坐落在此的，是大气边界层物理和大气化学国家重点实验室。自1991年经中国科学院批准正式成立并对外开放以来，该实验室一直面向国际学科前沿和国家重大需求，坚持观测实验、理论分析和数值模拟相结合，引领我国大气边界层物理和大气化学学科发展与交叉，并专注于开展低层大气中物理和化学过程基础研究。
“仰望天空”这件每个人都会做的事情，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的80多名科研人员想要做到极致。因为对国家乃至整个人类来说，“仰望天空”不仅是诗意的表达，更是一种迫切的现实需求。
“接地气”的边界层
大气边界层是指离地球表面约1~2千米高度的低层大气。它是地圈、水圈、冰雪圈、生物圈与大气圈间物质、能量交换的界面和关键区域，对气候和环境的变化有极为重要的影响。人类的日常活动、工农业生产以及普通军事活动均集中在该层，工程活动如航空航天、高层建筑设计、风能和太阳能利用等也与大气边界层密切相关。
“可以说，人类99%的活动都是在大气边界层开展的，因此大气边界层一直是国内外大气科学的前沿研究领域之一。”大气边界层物理和大气化学国家重点实验室主任、大气所研究员王自发说。
例如，近年来备受世人瞩目的温室气体排放、大气灰霾等，其实都发生在大气边界层中，这也让大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的研究变得越来越“接地气”。
自1988年利用世界银行贷款开始筹建以来，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的定位就一直非常明确，那就是去探寻边界层大气与地球表面的物质能量交换的科学规律。
“在基础研究方面，我们实验室主要从事大气边界层物理和大气化学这两个学科的交叉研究；在满足国家重大需求方面，我们主要研究重点天气灾害的触发、生态环境问题、城市化对气候变化的影响等等。”王自发介绍。
大气边界层物理是研究在大气边界层中所发生的物理现象的学科，是大气科学的一个重要分支。边界层的大气，既受气压梯度力、科里奥利力的湍流粘性力的作用，又受地面摩擦作用和由辐射引起的温度分布不均匀性的影响，运动非常复杂。
而大气化学则是研究大气组成和化学过程的学科，是大气科学的另一个重要分支，涉及气象、数学、物理、化学、生态、计算机等诸多学科。研究对象包括大气微量气体、气溶胶、大气放射性物质和降水等；研究空间范围涵盖对流层和平流层，水平尺度从城市、区域到全球；研究时间尺度从几天到几年，以至几十年；研究手段包括现场观测、实验室模拟和数值模拟等。
学科的特点决定了研究工作的事无巨细。作为实验室主任，王自发首先必须考虑的，就是学科方向的布局问题。
“一个都不能少”
大气边界层物理和大气化学国家重点实验室副主任、大气所研究员郑循华喜欢用“一把三足鼎立的小板凳”形容自己所工作的实验室。
“三条凳子腿是大气化学、大气边界层物理和生物地球化学，三条腿融合基础研究和应用基础研究，独立又紧密交叉，共同支撑起了整个板凳面——大气环境学。”郑循华说。
凭借着这一独特的学科交叉优势，充分利用理论研究、实验室模拟试验、野外立体综合观测实验、卫星遥测以及数值模拟等多种研究手段，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室在大气边界层物理、大气化学，以及碳氮生物地球化学循环研究领域持续保持着领先优势。
同时，实验室也是国内唯一 一家从微观到宏观全链条布局的大气科学实验室，无论是一个小小的湍流，还是全球大气输送；无论是分子尺度，还是全球尺度，实验室都有人在做。
“我们实验室一开始就是这样布局的，人不多，但布局的面特别广，要保证每个方向都有人。无论经费状况、需求情况如何‘风云变幻’，我们始终要对这几个方向稳定支持，让大家能坐得住冷板凳。”王自发坦言，“大气科学的热点一直在不断地变化，前几年是黄沙，这几年是雾霾。我们实验室要做的就是无论国家遇到了什么事，都能马上顶得上去、扛得起来。”
2008年，北京奥运会召开在即，北京的空气质量问题成为全球瞩目的焦点。当时国际上有人质疑，中国是否有能力进行空气质量的短期数值预报，而国际奥委会也一度想将奥运会期间的空气质量预报工作交与外国团队来做。
奥运会是中国人民盼了多少年的大事，岂能把空气质量预报交给别人？这对于王自发和他的同事来说是不可接受的。于是，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室临危受命，扛下了建立北京空气质量预报预警模式的紧急任务。
北京奥运会开幕前4个月，实验室研发的世界上首套“空气质量多模式集合预报业务系统”投入业务运行。在奥运会期间，这套系统成功预报了未来72小时的空气质量，为中国赢得了全世界的尊重。
让王自发这个实验室主任深感自豪的是，对于这套模式系统，实验室是从建模、基础研究、野外实验，到业务化、产业化全部打通的。正是这种“一个都不能少”的策略，让实验室在面对国家需求的时候，能够以最快的速度做出响应，在应对急难险重任务时，能够更加从容不迫。
经过多年的业务化实践，这套系统逐步推广开来，被广泛采用，成为国家环境质量预报预警中心、七大区域中心、20多个省级中心和50多个市中心的核心预报工具，支撑建立了国家、区域、省、城市空气质量预报预警业务化体系，为上海世博会、广州亚运会、南京青奥会、APEC会议、9·3大阅兵、G20杭州峰会等国家重大活动的空气质量保障及打赢蓝天保卫战提供了核心支撑。
“人人都能当家做主”的实验室
2020年席卷全球的新冠病毒将很多人留在了家里，但大气边界层物理和大气化学国家重点实验室副主任、大气所研究员孙业乐却一直没闲着。
他注意到了一件不同寻常的事：“新冠病毒的传播极大减少了人们的户外活动，进而导致世界范围内人为排放大气污染物显著减少。然而，一些特大城市的空气质量并未因为人为排放的降低而得到预期改善，重污染事件仍有发生。”
为了探究疫情期间人为排放变化对大气污染的影响，孙业乐和他的学生对2020年1~3月份北京颗粒物化学组分和来源进行了深入分析。他们发现，在过去近10年间，大气污染前体物的变化导致了颗粒物化学组分的变化，而气态前体物浓度的降低和大气氧化性的增强反而促进了二次气溶胶组分的形成和转化，这意味着我国未来大气二次污染的治理仍面临着较大挑战。
对于雾霾的深刻理解，孙业乐认为要归功于实验室良好的学术氛围。“当时雾霾刚成为热点，大家都只是关注热点，但王自发老师高瞻远瞩，把实验室不同领域的年轻人组合起来，让我们搞交叉研究，结果确实取得了很多重要的科学发现。这种学术自由、重视交流的氛围，对我们年轻人的帮助很大。”
实际上，打破科学研究里的“山头”现象，一直是王自发力图解决的问题。他一直感觉传统的课题组模式就像“小农经济”，科研人员各自为政，各个“山头”之间没什么来往，不利于科研工作的开展，还容易产生隔阂和矛盾。“我们实验室的学科方向很多，就更需要设计一种新的机制，来更好地凝练学科方向，让大家集中目标，合力解决一些大的科学问题。”
为此，从2011年起，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室采用了“研究员大会”制度进行决策——实验室所有的重大战略决策都通过研究员大会来确定，针对制度的事项，进行实名投票；针对个人的事项，则实行匿名投票。
此外，每个研究员都有机会当选大会的轮值主席，每人为期三个月。这样，人人都能够站在实验室的高度、站在他人的角度去思考问题，从而能够始终保持队伍的团结，并且始终围绕国家需求，开展科研攻关。
“矛盾少了，人心齐了，每个人都能在实验室里做自己想做的事、国家需要的事。”王自发笑称，实验室运行机制理顺了，“我这个实验室主任都能当得更加轻松了”。
培养杰出人才，建设优秀团队，在大气边界层基础理论、大气污染成因与模拟预测、地球生物化学循环关键过程、大气化学过程与气候变化相互影响等关键研究领域，开展关键性、前瞻性的基础和应用基础研究，这个铁塔下的国家重点实验室，将始终用科学的眼光仰望天空，作出自己独特的贡献。
实验室小故事
“高攀”不起的“网红”打卡地
“北京健翔桥西边有个很高的铁塔是干什么用的？”
“城建大厦北侧有一根很高很高的铁柱子，谁知道那是什么？”
中国科学院大气物理研究所铁塔分部院里那座高达325米的铁塔，总时不时地引起网友的好奇，甚至还有人怀疑它是不是一栋“烂尾楼”。
实际上，大气所325米气象观测塔不但是附近的“网红”地标、中科院标志性的大型科学设备，更是大气边界层物理和大气化学国家重点实验室全体科研人员引以为傲的一座科学之塔。
气象塔于1976年开始建设，1979年8月建成，是一座全天候运行的气象高塔。该塔垂直方向有15层观测平台，可实现气象、湍流、空气质量要素全天候梯度观测，并实现自动观测数据的同步传输。
气象塔主要服务于北京的空气污染研究和大气边界层、大气湍流扩散等研究。在世界众多气象塔中，大气所气象塔具有独特的优势，其高度位居世界第三。在气象塔280米高度南北两个方向设置的两部高清相机可24小时运行，每半小时就会自动拍照，实时监测周边天气、污染和地表状况。气象塔上还有两套观测系统——15层气象梯度观测系统和7层湍流通量观测系统，也同样在24小时不间断运行着。
40多年来，该气象塔连续不间断地对北京市边界层风、温、湿平均场结构进行观测，取得了大量宝贵资料。这些积累多年的观测数据在大气科学研究领域得到了广泛应用，发挥了不可替代的巨大作用。
“在超大城市里建这么一座气象塔，在全世界也是十分罕见的。这座铁塔这么多年来始终屹立在这里，可以说见证了北京城市发展的历程，也支撑了国家大气环境的研究。”大气所研究员胡非说。
例如，2009年，北京市气象局承担了国际清洁气象保障任务，该局向大气所提出，想要使用325米气象塔的数据。大气边界层物理和大气化学国家重点实验室随即组织科研力量进行了采样程序的修改，进行网络连接和网上数据传送程序的安装调试，并在当年9月24日下午成功实现了数据的实时传送，同时在国庆期间安排专人值班，圆满完成了此次任务。北京市气象局为此专门发来了感谢信。
目前，在大气所和北京市气象局战略合作协议框架下，气象塔的观测已纳入北京市气象局的日常观测站网。此外，气象塔数据应用于APEC会议的气象保障，取得良好成效。
这座“40多岁”的高塔也为科学研究立下了汗马功劳。据不完全统计，观测塔数据为“973”项目、“863”项目、中科院战略性先导科技专项、自然科学基金等项目提供实验平台，进行全年不间断实时连续观测，近5年用铁塔资料发表的论文就有近百篇。
“从1979年建成以来，这座气象塔一天都没有停止过工作，取得了很多不可替代的宝贵资料，为中国在国际大气科学界赢得了重要的话语权。”正如胡非说的那样，这座“兢兢业业”的高塔，铸成了大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的“魂”。（丁佳）
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