為大氣環(huán)境做“體檢” 讓“二次污染”無處循行

秋末冬初本是大氣污染高發(fā)季，但2019年京津冀的冬天遠(yuǎn)比往年更“碧藍(lán)”。在這藍(lán)天白云之下，有一項(xiàng)重要的技術(shù)在為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)“保駕護(hù)航”，它就是——大氣監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。

“大氣‘監(jiān)測預(yù)警’就像醫(yī)院中的檢驗(yàn)科，精細(xì)、準(zhǔn)確、清楚地告訴你，大氣是否有污染，整個(gè)污染程度如何。”在近日由中國21世紀(jì)議程管理中心召開的“大氣污染監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)交流會”上，中國工程院院士劉文清表示，雖然當(dāng)前的PM2.5平均濃度顯著下降，但是以臭氧、揮發(fā)性有機(jī)物為代表的“二次污染”不斷顯現(xiàn)，這對大氣監(jiān)測提出挑戰(zhàn)，也是打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)必須攻克的難題。

交流會上，包括張遠(yuǎn)航、劉文清院士在內(nèi)的專家就“大氣污染成因與控制技術(shù)專項(xiàng)”(以下簡稱“大氣專項(xiàng)”)中大氣污染精細(xì)化監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的創(chuàng)新與突破進(jìn)行了深入探討，他們認(rèn)為區(qū)域空氣質(zhì)量的調(diào)控，內(nèi)因是排放，外因是氣象，控制重在源頭的監(jiān)測和減排。

捕捉大氣污染的隱形“殺手”

自由基，一個(gè)聽起來活躍的名稱，卻在大氣污染防治中扮演著“陰陽師”的角色。

一方面，它是大氣有毒物質(zhì)的“清道夫”，自由基的存在不斷調(diào)節(jié)著大氣環(huán)境中的有毒成分，使其不能聚集。另一方面，自由基會與人為排放的揮發(fā)性有機(jī)物發(fā)生氧化，再與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成臭氧和二次氣溶膠，對臭氧污染和顆粒物污染起到“核心”作用。

一把雙刃劍豎在大氣中，我們應(yīng)該如何審視它?大氣專項(xiàng)專家組給出的態(tài)度是客觀精準(zhǔn)、越細(xì)越好。

準(zhǔn)確監(jiān)測自由基是基于當(dāng)前大氣污染格局的變化趨勢，北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院研究員、“大氣自由基及活性前體物在線測量技術(shù)”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人李歆接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示，自2013年國務(wù)院頒布《大氣污染防治行動計(jì)劃》(簡稱“國十條”)以來，多方措施使PM2.5等一次污染緩解顯著，但是，從顆粒物化學(xué)組成看，二次成分(即一次污染物的大氣氧化產(chǎn)物)占比正逐年上升。而且，由揮發(fā)性有機(jī)物和氮氧化物在光照條件下發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成的臭氧，其濃度水平和超標(biāo)率在全國主要城市地區(qū)也呈現(xiàn)上升態(tài)勢。

在上述“此消彼長”的污染物轉(zhuǎn)換中，自由基就是那個(gè)缺其不可的“催化劑”。因此，自由基成為監(jiān)測大氣污染變化的一個(gè)重要指標(biāo)，它的濃度與活躍度成為李歆團(tuán)隊(duì)眼中衡量大氣氧化性水平的標(biāo)志物。

自由基能輕松監(jiān)測到嗎?跟常規(guī)的氣態(tài)污染物相比，自由基的濃度非常低。李歆介紹，大氣中臭氧的濃度標(biāo)準(zhǔn)是160μg/m3(微克每立方米)，換算成數(shù)濃度為2×1012 cm-3(分子每立方厘米)。而對大氣氧化性貢獻(xiàn)最大的羥基自由基(OH)的峰值濃度水平僅在107cm-3(分子每立方厘米)左右，相當(dāng)于傳統(tǒng)氣態(tài)污染物濃度的十萬分之一。而且，自由基的活性非常強(qiáng)，OH自由基的表面被任何物質(zhì)碰到都會湮滅，這意味著它時(shí)刻都處在變化狀態(tài)，使得測準(zhǔn)自由基又增加了難度。

其實(shí)，測量OH自由基，從上世70年代開始研究，一直到現(xiàn)在仍有未能攻克的技術(shù)難題。李歆團(tuán)隊(duì)也是采用國際上已經(jīng)成熟的技術(shù)路線——激光誘導(dǎo)熒光的方法，即用一束激光打到OH自由基上，激發(fā)OH自由基釋放出熒光，通過監(jiān)測熒光信號的強(qiáng)弱來判斷OH自由基的濃度。

他們的方法創(chuàng)新之處在于，讓激光測得穩(wěn)、測得精、測得準(zhǔn)。而背后依靠著自主設(shè)計(jì)的一套測反饋系統(tǒng)、一系列條件實(shí)驗(yàn)和軟件模擬、一條自主建設(shè)的自由基濃度的發(fā)射裝置……也正是這項(xiàng)技術(shù)和設(shè)備的成套應(yīng)用，使得我國成為世界上第六個(gè)獨(dú)立掌握這種技術(shù)來捕捉隱形“殺手”——自由基的國家。

監(jiān)測固定污染源的超細(xì)顆粒

隨著“國十條”等政策的出臺，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)越發(fā)嚴(yán)格，如今針對固定污染源的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)早已進(jìn)入了超細(xì)顆粒物監(jiān)控時(shí)代。

在清華大學(xué)能源與動力工程系教授丁艷軍的項(xiàng)目報(bào)告中，記者看到，我國及世界熱電廠等固定污染源顆粒物排放檢測設(shè)備，雖能在線監(jiān)測5mg/m3(毫克每立方米)以下的超低排放，但僅能測量排放煙塵的總質(zhì)量濃度，無法實(shí)現(xiàn)細(xì)、超細(xì)顆粒物粒譜分布的高精度在線監(jiān)測。

“傳統(tǒng)的單路光顆粒物光學(xué)散射技術(shù)，只能獲得與煙塵總質(zhì)量濃度相對應(yīng)的一維光學(xué)信息，而且當(dāng)環(huán)境條件變化時(shí)，煙塵粒譜和折射率就會發(fā)生變化，該技術(shù)因無法感知煙塵特征變化，進(jìn)而會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。”丁艷軍告訴記者，項(xiàng)目組根據(jù)光波與顆粒物之間的散射關(guān)系，利用信號測量和反演信號處理算法得出煙塵濃度中的PM10、PM2.5、PM1數(shù)值，最終實(shí)現(xiàn)固定污染源粒譜與質(zhì)量濃度聯(lián)合測量。

值得關(guān)注的是，課題獲得的理論方法和關(guān)鍵部件均申請了專利，其中散射光信號氣溶膠特征獲取方法及其應(yīng)用申請了PCT國際發(fā)明專利，日本和美國專利均已授權(quán)。

對于固定污染源的監(jiān)測，除了需要有高精尖的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還得有符合我國實(shí)際工況的污染物監(jiān)測技術(shù)。

丁艷軍告訴科技日報(bào)記者，對于工業(yè)煙氣脫硝氨逃逸監(jiān)測，進(jìn)口儀表無論來自美國、歐洲，還是日本，都無法滿足我國大量高灰燃煤機(jī)組煙氣中氨逃逸的監(jiān)測，因?yàn)闊煔庵写罅康娘w灰使得測量激光無法穿透而失效。

項(xiàng)目組針對這種情況，研發(fā)了高精度、高靈敏度、可在線標(biāo)定的原位取樣氨逃逸在線監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國大量高灰燃煤機(jī)組煙氣脫硝的氨逃逸監(jiān)測。此外，還針對飛灰吸附大量逃逸氨的最新研究成果，在國際上首先研發(fā)出煙塵中飛灰吸附氨的在線監(jiān)測技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了煙氣脫硝氨逃逸總量的全面監(jiān)測。

“這將為我國工業(yè)過程中廣泛存在的煙氣脫硝氨逃逸的全面監(jiān)測和嚴(yán)格控制提供關(guān)鍵技術(shù)支持和保證。”丁艷軍說。

探尋大氣邊界層污染的三維立體信息

2018年冬，一個(gè)為期15天、跨越2000公里的大型氣象觀測實(shí)驗(yàn)如期舉行。

“這是一次大規(guī)模、多平臺、多要素大氣污染綜合觀測試驗(yàn)。”該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員胡非表示，這次實(shí)驗(yàn)是為了獲取京津冀地區(qū)點(diǎn)面結(jié)合、三維立體的大氣污染分布信息，特別是獲取大氣邊界層中大氣污染物與氣象要素的高分辨垂直分布和時(shí)間演變特征。

實(shí)驗(yàn)的難度在于高空探測，又是守望京津冀地區(qū)，因此取名“望都實(shí)驗(yàn)”。與地面固定污染源監(jiān)測技術(shù)不同，“望都實(shí)驗(yàn)”主要針對大氣邊界層中污染物和氣象要素垂直結(jié)構(gòu)同步聯(lián)合探測的不足，展開綜合探測與技術(shù)突破。

原因在于，距離地面1到2千米的大氣邊界層主導(dǎo)著地氣之間的物質(zhì)和能量交換，是人類生活和工程活動的主要場所，也是大氣污染和氣象災(zāi)害的主要發(fā)生地。胡非告訴記者：“如此高的范圍內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)空間上全覆蓋、成分上要素全、時(shí)間上可連續(xù)成為一個(gè)具體的難點(diǎn)。”

一場“地空”一體的大氣污染監(jiān)測實(shí)驗(yàn)在京津冀地區(qū)“上演”——32米長、體積為1800多立方米的大型氣艇像放風(fēng)箏一樣飄在1000米高空，“空中國王”飛機(jī)搭載著設(shè)備在空中穿行，激光雷達(dá)以北京為中心進(jìn)行走航觀測、京津冀地區(qū)的一批地面觀測臺站等也實(shí)施同步協(xié)同觀測……，為了支撐我國南北方大氣污染特征的對比，2000公里外的珠三角、356米高的深圳氣象塔和600米高廣州電視塔的監(jiān)測設(shè)備同期配合“望都實(shí)驗(yàn)”開展觀測。

在這次觀測試驗(yàn)中，項(xiàng)目自主研發(fā)的新型臭氧激光雷達(dá)、二氧化氮激光雷達(dá)、高空湍流超聲風(fēng)速儀探測系統(tǒng)以及渦度相關(guān)PM2.5湍流通量觀測系統(tǒng)等也首次亮相。

胡非表示，此次實(shí)驗(yàn)得到了以前主要基于地面觀測或便攜式儀器探空觀測所不能得到的污染物物理化學(xué)要素精細(xì)結(jié)構(gòu)的新信息和新現(xiàn)象，可為揭示京津冀地區(qū)重污染形成機(jī)制、污染物源解析以及大氣污染優(yōu)化控制提供科學(xué)參考。