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"谜雾"追踪:中英科学家共探超大城市大气污染及影响

来源:新气象 发布时间:2017年12月05日 【字体

    在北京北三环边上一个面积不大的院落里,有一座铁塔直冲天际,它比闻名世界的法国埃菲尔铁塔(324米)还高1米,中国科学院大气物理所铁塔分部因此得名。该所研究员傅平青介绍,铁塔是在1979年由政府投资80万元建立的,数十年来已经积累了丰富的北京气象数据。

  去年10月底,小院里的铁塔迎来了一批“新邻居”——载着各种观测设备乘船跨越大西洋而来的九个白色集装箱。傅平青依然记得,当时载着这些设备从天津港来的大卡车在到达研究所大门口时因高度受限,甚至在午夜造成大半条街的交通拥堵。

  “新邻居”带来了新任务。在过去12个月里,基于这些设施的监测已经为一项重大中英国际合作研究计划——中国超大城市空气污染和人体健康研究(APHH—中国计划)提供了大量详实的数据和样本。据介绍,该计划由中英共同斥资1亿元人民币左右,旨在监测北京等大型城市的污染物浓度、种类及其健康影响。

  “大气化学非常复杂,比如冬季的PM2.5污染和夏季的臭氧污染在很大程度上都是在大气化学反应中形成的。”伯明翰大学地理、地球和环境科学学院教授Roy Harrison在接受《中国科学报》记者采访时说,“如果能够更精确地模拟这个过程,就可以预测大气化学如何变化,帮助设计提高空气质量的策略。”

  空地协同

  今年6月中旬的一天,初入暑的北京天空湛蓝,单从肉眼看,这绝对是近年来这座城市一年中不可多得的一个“好天”。但该项目英国科学家、约克大学化学系教授James Lee却说,这样的天气“可能影响健康”。

  “从数据看,近地面臭氧浓度最高值是150ppbv(十亿分之一)。”在铁塔下装满各种“嗡嗡”运行的仪器设备的一个白色集装箱内,Lee指着其中一台显示器说。他表示,近地面臭氧每日8小时平均值为60ppbv左右时被认为处于安全水平。

  据介绍,距地面15至30公里的臭氧层能有效阻挡紫外线,保护人类及其他生物健康;然而,近地面的高浓度臭氧却有损呼吸系统等组织,不利健康。“这种看不见的污染,正是问题所在。”Lee说。臭氧污染与日照强度和温度差异密切相关,在阴天多云时,大气中化学物质反应较慢,污染通常较低;而阳光充足的日子里污染会更大。

  整个测量基本上由地面和高空两部分组成。该计划雾霾形成机理和过程研究项目组共同首席科学家傅平青介绍,地面集装箱内伸出来的管道可测量近地面化学物质及污染物反应的化学过程;而在铁塔100米处放置的仪器则可以测量高处的空气样本。“通过管道把高处的空气泵到地面,可以测量空中一定区域的排放量,如氮氧化物、挥发性有机物和黑炭颗粒物等排放物的种类和通量,了解日光如何影响每种化学物质,使它们之间发生化学反应生成其他污染物。”傅平青说。

  基于此,研究人员已经完成了两次大型综合野外观测:去年11至12月在铁塔分部和北京东北郊县平谷开展的冬季雾霾污染观测;今年5至6月在铁塔分部、平谷和河北保定固城开展的夏季雾霾和光化学烟雾污染观测。“这是一年中的两个极端时间,北京这两个时期的天气状况差异非常大,从而可以进行对比。”该计划北京市雾霾的来源和排放研究项目组共同首席科学家Harrison介绍。通过在不同季节进行连续测试,合作团队旨在了解所排放的不同化学物质种类,其中包括一些重要的高浓度物质,以及一些目前测量起来存在较大挑战的低浓度物质。

  除了空中和地面定点监测之外,项目组还引入了漫游者便携式空气污染高灵敏感应器作为补充,监测不同环境的污染情况,从而得到更加精确的污染物健康效应研究数据。“漫游者里有一个SIM卡可以放在手机里收集数据,夜间充电,白天使用。”Lee拿着一个单反相机大小的黑色感应器向记者介绍。项目组在中国的市中心和城镇寻找了参试者,当他们在室内或在大街上走路时可以监测污染物排放,收集感应器每天产生的数据并反馈给项目组,。

  聚焦通量

  据介绍,APHH—中国计划于2014年由中英共同确定,主要目的是确定北京市雾霾的来源和形成机理及其对人体健康的影响,并在此基础上提供有效的雾霾控制对策。该计划由中国国家自然科学基金委员会(NSFC)、英国自然环境研究理事会(NERC)、英国医学研究理事会(MRC)共同资助,于去年1月启动,中英近30家单位的200名科学家参与其中。

  “中国以前也做大气污染研究,但没有这么全面。这个项目最新的地方是测量污染物的通量。”APHH—中国计划秘书长、伯明翰大学教授时宗波告诉《中国科学报》记者。目前已经有很多排放清单,但依据它们对大气污染物进行治理和预测很多时候并不奏效。这是因为没有弄清楚各种污染物的精确排放量及其在大气中的化学反应过程。“通过测量大气通量监测大气污染物的动态变化,加上有成套的软件进行模式化,能够得到更加精确、经得住验证的结果。”他补充说。

  “如何设计策略减少排放,并用最经济有效的方法提高空气质量是个非常技术性的问题。其中一个关键方面是向模型中输入正确的污染物排量。”傅平青表示,项目将建立基于在线观测的原始数据库,特别是分析化学数据。据介绍,APHH—中国计划下设4个研究方向,包括北京市雾霾的来源和排放、雾霾形成机理和过程、雾霾对人体健康的影响和雾霾控制对策等,它们又分为5个研究项目(方向三下设两个子研究项目),每个项目之间相互承接,并各由一名中英首席科学家共同领导。

  “通过英国和中国研究人员的密切合作,这个项目旨在发现针对城市空气污染共存挑战的新解决方法,并极大地增强我们对空气污染物来源和它们如何影响全球人类健康的知识。”NERC科学与研究部门主任Tim Wheeler说:“在重要科学领域的国际合作能够支持英国作为全球研究和创新伙伴选择的身份,一个证明就是英国研究理事会对正在迅速成长为全球科学强国的中国的投资日益增加。”

  “两个头脑更灵光”

  在铁塔脚下的一个白色集装箱内,约克大学攻读博二的Katy坐在一台显示器前分析着面前的波浪图。她向记者介绍,起伏的波浪线显示的正是仪器检测到的来自车辆、工业乃至树木、花草向大气中输出的排放物。

  像Katy一样,参与APHH—中国计划的中英双方学生还有很多,他们已参与了多轮学术互访参加这样的研究对他们未来的职业发展“非常宝贵,这是非常重要的经历”,Lee说,“未来20年后,他们可能会在英国或中国获得重要的学术职位。因为他们曾经参与过这项工作,所以将会进一步促进未来两国的学术合作。”

  在时宗波看来,此次合作是中英双方的强强联合,两国科学家在都在其中注入了各自的专业所长,每个组都有自己的优势。比如利兹大学是国际上研究大气自由基的顶尖机构,他们一些分辨率可以达到街道尺度;而中国对北京地区的污染历史、原清单了解得更加清楚,且中国的激光雷达、测风雷达等都为此次研究提供了助力。

  “两个头脑比一个更灵光,这是合作的优势。”Harrison说。英国在这一领域有更长的研究历史,拥有更多的大气污染治理经验,但相关技术的应用市场比较小;而中国在这一领域的研究发展得非常快,且有着广阔的应用前景。

  目前,中英专家正在紧张地对两次综合野外观测获得的实时数据和样品展开分析,并计划在未来几年公开发表相关发现。专家表示,目前该计划已经初步做出一些成果,但这并非立竿见影的发现,而是增量式的逐步改善。“这是一个缓慢的过程,我们会稳步发展,把一些事情做得更好。”傅平青说。

  乘船跨越大西洋从英国来到中科院大气所铁塔分部的九个白色集装箱之一,图为其中一个集装箱内部正在运转的仪器。(来源:新气象网站)

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