追因雾霾 期待蓝天
发表时间 2018-10-18 09:19 来源 本站原创

  ——记中国环境科学研究院研究员、

  气溶胶研究室主任高健博士

  以前的色调,到处是黑、白、灰,现在色彩还原了,也可以自由自在地呼吸了。这是国人对大气环境的普遍感受。同样欣慰的,还有专注于大气环境治理的科学家们。中国环境科学研究院研究员、气溶胶研究室主任高健博士就是其中的一位。

  中国环境科学研究院成立于1978年12月,隶属中华人民共和国生态环境部,还是一个年轻的科研机构。多年来,高健在院所领导的大力支持和研究团队的共同努力下,在大气环境综合观测、大气颗粒物污染特征表征、颗粒物动态来源解析、重污染天气形成机理、大气环境先进监测技术等方面的研究取得了良好突破,为实现大气污染溯源动态化、精细化和精准化,实现每一次污染过程都可以精确追因溯源作出了突出贡献。在此期间,他发表研究文章90余篇,其中SCI收录50余篇,获得授权国家专利8项。曾荣获中国环境学会第九届青年科技奖(2014)、“京津冀大气灰霾特征与控制途径研究”获原环保部环境保护科学技术奖(2016)、“一种基于单颗粒质谱的大气颗粒物实时源解析方法”获第十九届中国专利奖优秀奖。

  高健主持过多个国家自然科学基金、环保公益项目、国家重点实验室开放基金、科技部支撑项目等研究项目。系统研究了我国京津冀及周边地区大气灰霾污染特征、重污染过程形成机理及黑碳气溶胶老化过程,提出了影响北京及华北重污染过程来源、成因及主要贡献源的识别方法,并建立了利用综合观测资料准确解析污染过程的技术路线,形成了基于观测的颗粒物快速源解析技术的突破,他被聘为生态环境部中国环境监测总站培训教师。

  他负责中国环境科学研究院大气环境综合观测站运行与管理,形成了多物种、长周期、高质量研究能力;组织了基于散射光的PM2.5传感器对比试验;参与开发的PM2.5粒径分析仪器已完成成果鉴定,被《科技日报》、《光明日报》、《中国环境报》、《中国知识产权报》等报道。

  他同时兼任中国颗粒学会气溶胶专业委员会青年理事、全国气候与气候变化标准化技术委员会委员、中国气象学会医学气象学委员会委员、国际陆地生态系统与大气过程综合研究计划中国区委员等。兼任《Atmospheric Environment》、《Journal of Geophysical Research》、《Atmospheric Chemistry and Physics》期刊审稿人。

  高健从本科到硕士再到博士学习过程都是在山东大学完成的,十几年来,他基于颗粒物组分在线测量技术及单颗粒飞行质谱测量技术,建立的可满足实时动态需求的高时间分辨率颗粒物来源解析模型方法,实现了P M2.5污染来源的实时动态解析。这些技术在多次重大活动的空气质量保障中得以应用,并在京津冀及周边地区实现区域联网,可动态识别不同行业、一次排放和二次成分对重污染过程中颗粒物的贡献。

  从事科研多年来,高健的研究成果已在全国几十个城市开展应用,发表研究论文近百篇,获得多项国家发明专利。

  一种基于单颗粒质谱的大气颗粒物实时源解析方法

  人人“谈霾色变”,是对大气环境研究科学家的呼唤。高健从2002年开始就在导师的指导下开展大气颗粒物污染机理的相关研究。

  2008年奥运会的成功举办,给全世界留下了美好的蓝天印象,也给高健和他的团队参与空气质量保障及针对污染过程开展快速溯源研究提供了良好机遇。

  从2010年以来,每年秋冬季的重污染天气过程似乎成为常客。但是,每次重污染过程的形成机理不同,且不同城市、不同时间段出现的污染差别也很大。如一次重污染天气过程,有的能持续一周,有的三四天,有的一两天,每次过程从开始、发展,到峰值,直到消亡,其污染物来源都是动态变化的。控制污染过程,解析污染来源是一个极其重要的工作,否则控制什么、如何控制都将无从谈起。对颗粒物污染的来源解析研究,20世纪80年代就已开展。经典的颗粒物源解析方法主要是基于手工颗粒物采样、离线组分分析,得出结果再进行数学模型解析。经典解析方法周期较长,有时候要等数月甚至1年以上,难以及时针对重污染过程的各个阶段给出动态解析结果,难以满足决策者对重污染的应急防控需求。这也对大气颗粒物源解析方法的科学研究提出了新的挑战。

  2012年以后,空气质量越来越受到大众关注,PM2.5等指标纳入大气环境质量监测和评价,高健和他的团队开始参与全国范围内的空气质量数据分析及污染过程观测研究,并逐渐尝试利用在线测量方法开展污染过程的追因溯源。随着重污染天气越来越多,溯源的时效性和精准性要求逐渐提高,高健及其团队的压力也越来越大。

  高健认为,要有效控制颗粒物首先要确定颗粒物来源,因此大气颗粒物源解析已经成为制定城市大气颗粒物污染控制对策不可缺少的科学依据,用以帮助环境决策者们更有针对性地、更科学地、合理地防治颗粒物污染。

  为此,高健带领的大气环境研究所组建了“颗粒物源解析”技术团队,多年来,他们致力于大气气溶胶颗粒物污染机制及成因、颗粒物理化特征、颗粒物综合源解析等大气环境领域的科学研究。

  高健介绍说:“从颗粒物溯源的时间分辨率上来说,传统意义上的颗粒物源解析是基于长周期、低时间分辨率(一般为24小时)的颗粒物采样样品进行分析,无法满足重污染过程中针对不同发展阶段开展颗粒物源解析的需求。”

  该团队通过与多家优势兄弟单位合作,研发的一项“一种基于单颗粒质谱的大气颗粒物实时源解析方法”可以较好的弥补传统源解析采样程序繁琐、分析成本高、时间分辨率低等缺点。

  他说:“该技术解决了现有技术无法针对重污染过程颗粒物来源进行快速识别、动态解析的瓶颈,可以在提供有较高准确性和精细化的颗粒物来源解析结果的同时,极大程度上提高源解析结果的时间分辨率(小时级别)。这项技术应用于大气颗粒物快速动态源解析技术领域,解决了目前不能及时反应大气颗粒物来源的问题,可为重污染过程应对提供技术支持,同时由于本专利的解析过程快速高效、操作性强、总体运行成本低,具有较高的实用价值。”

  该专利衍生产品在在线动态大气颗粒物来源解析、快速确定空气污染成分等领域也具有重要作用,为我国城市空气质量达标、颗粒物污染防治工作提供技术支持。在日前国家知识产权局公示的第十九届中国专利奖获奖名单中,“一种基于单颗粒质谱的大气颗粒物实时源解析方法(专利号:ZL201310739170.7)”获得国家发明专利优秀奖。

  近几年,这项专利技术已经在大气颗粒物污染防治工作中得到了广泛的应用,如在北京APEC空气质量保障、世界反法西斯胜利70周年阅兵空气质量保障、冬奥会申办期间空气质量保障、南京青奥会保障、广州亚运保障、杭州G20保障等工作中发挥重要作用。基于国家环境保护部的“京津冀颗粒物组分及光化学监测网建设”项目,该专利在建立的单颗粒质谱监测网中得到了应用,目前已实现在十余个京津冀典型城市开展大气颗粒物实时源解析的能力,在重污染天气成因分析中发挥了重要作用。此外,该专利还应用于东方红2号海洋大气黄渤海科考研究,并在粤北地区重大血铅事故的污染源解析中发挥了关键作用。

  目前,该专利技术及依托该专利技术的仪器已经于国内广泛使用,利用该专利技术的分析仪器目前主要为广州禾信仪器股份有限公司的在线单颗粒气溶胶质谱仪和PM2.5在线源解析系统,这些仪器占国产单颗粒飞行时间质谱仪市场份额90%以上,在线单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)入选国家重点新产品,是目前单价最高的国产商品化科学仪器,也是完全自主知识产权并实现商品化的国产质谱仪器,目前已被国内近50家环境监测部门、大型环保企业、科研院所等购买,累计销售超过1.5亿元。

  研发线源解析技术,实现污染源定量动态评估

  源解析是大气污染防治的关键技术支撑之一。但是,从目前的研究来看,单一的方法很难满足现实管理中面临的复杂需求。除基于单颗粒飞行时间质谱的动态源解析方法外,高健和他的团队以及合作者们又相继开发了几条技术路线:

  一是利用在线颗粒物组分测量数据开展动态解析,就是用多种颗粒物组分分析仪器进行在线监测,测量颗粒物的组分,最后集成到一起进行模型解析。这条路线对设备要求高,但是解析精度高,源类贡献的定量效果好。

  二是运用空气质量模型模拟污染物的扩散和转化过程,解析污染源怎么扩散、如何转化,它可以将排放源细化分类,量化各类污染源贡献,并评估出地区间的相互影响,这条技术路线的空间概念很强,但是要求排放源清单必须准确。

  两条技术路线各有特点,互相补充,对大气颗粒物污染治理起到了重要作用。

  2014年,高健承担了原环保部公益性行业“京津冀区域城市大气细颗粒物实时源解析技术研究与应用”专项科研项目,项目协作单位包括暨南大学、南开大学、北京市环境保护监测中心、北京工业大学等。项目总体目标是满足京津冀地区颗粒物污染控制工作中针对重污染过程进行快速反应并动态调控的需求。以北京、天津、石家庄等重点城市为研究对象,利用依托典型城市综合观测站和城市背景点的离线、在线及单颗粒飞行时间质谱等多种测量方法,掌握全样品及单颗粒物理化特征。

  高健和他的团队通过攻克利用单颗粒物数据对不同类别颗粒物分型及混合特征定性的分析方法、颗粒物在线组分与单颗粒测量结果量化关系、满足实时动态源解析的模型算法等关键技术,建立颗粒物实时动态来源解析方法。

  他们利用颗粒物实时动态源解析算法识别主要污染源类,并进一步定量计算不同源类对颗粒物的贡献,建立污染过程中污染源对颗粒物贡献的时间序列,实现颗粒物污染过程发生、发展、维持、消散等各阶段中不同途径、不同污染源的定量动态评估;通过集成多成分测量和动态源解析算法,形成颗粒物实时源解析原型系统,并针对城市污染过程进行示范应用,为城市颗粒物污染控制及城市空气质量达标工作提供基础支撑技术。

  在这项为期三年的科研实践过程中,高健团队主要取得了三个方面的创新成果:

  一是在京津冀地区的典型城市,在同一时段提供基于单颗粒飞行时间质谱、单颗粒扫描电镜—能谱分析、颗粒物在线组分分析、膜采样全成分分析数据的颗粒物来源解析结果,通过综合对比验证,大幅提高在线分析方法对颗粒物组分和来源的识别精度。

  二是建立基于满足实时需求的颗粒物动态源解析受体模型,实现PM2.5的实时动态源解析,并提出不同源解析技术手段适用范围及解析结果不确定性分析。

  三是分别利用基于较完整单颗粒质谱源解析、基于在线颗粒物组分的源解析、基于空气质量型的源解析,与经典源解析方法进行多维对比,实现“动态”源解析方法的性能验证。

  “京津冀区域城市大气细颗粒物实时源解析技术研究与应用”项目,在原环保部组织的结题验收中获得了优秀的成绩。其主要研究成果有三项:

  一是建立实时动态源解析实现技术途径,首次建立了颗粒物实时动态源解析实现的技术途径,即利用单颗粒质谱法、在线颗粒物组分数据加受体模型解析法、WRF-CAMx-PSAT模型法三种技术来实现颗粒物的实时动态来源解析,通过对不同技术的研究及结果比对,确定了每种方法的实现途径和适用范围,为下一步实时动态源解析的相关研究工作打下了良好的基础。

  二是建立实时动态源解析配套技术文件:结合不同颗粒物实时源解析实现的技术途径,该项目编写了包括“大气颗粒物实时动态来源解析技术指南”在内的6份技术文件,补充了相关领域环保技术规范指南的空白。

  项目团队成功申请了4项颗粒物实时源解析相关的发明专利和1项软件著作权,这些技术性文件进一步规范了各种颗粒物实时动态来源解析的技术方法,使得解析结果更加科学、合理、准确。

  三是建立京津冀颗粒物组分网及其数据管理与分析平台,与环保部颗粒物组分监测网项目相结,共同建立了京津冀颗粒物组分网及其数据管理与分析平台。

  自2016年11月15日起,以京津冀及周边区域为重点,在关键传输通道城市设置了17个颗粒物在线组分监测站、12个单颗粒质谱在线源解析站和31个气溶胶雷达站,并全部实现联网,分别开展颗粒物化学组分、颗粒以及气溶胶雷达数据的观测分析。截至2017年5月19日,组分网数据已为重污染天气的应急管理提供了200余份报告。

  如今,颗粒物组分网仍在使用且规模逐步扩展至京津冀“2+26”个城市,组分网所有站点的数据上传、分析及报告提交已实现准业务化运行,遇重污染时段随时开展数据分析并向生态环境部提交相应报告。

  建设污染物溯源技术体系,实现网格化覆盖

  高健在香港理工大学完成项目研究,并在山东大学博士毕业后,便来到中国环境科学研究院做博士后研究,之后留院工作近10个年头。如今,团队有1名研究室主任,1名首席科学家,9名固定的研究人员,研究生、博士生、博士后成员8名。

  他们的核心工作包括三个部分:颗粒物源解析技术方法研究与应用,这是团队研究工作的核心;大气颗粒物污染的生成转化机制机理等基础研究,这是团队持续创新的源泉和动力;大气污染物测量新技术、新方法的应用研究,为精细化开展源解析研究提供可能的新途径。

  为了实现颗粒物源解析的进一步精细化,进一步与污染防治工作深入结合,高健及其团队在积极挖掘更多大气环境测量技术的应用场景,尝试将更多技术引入颗粒物源解析研究领域,丰富和完善大气污染物溯源技术体系。如利用传感器技术,网格化覆盖一个城市,可以做到全范围无死角监测,精确到某一个区域的污染源,也可以运用各种监测载体,在出租车、民用车、无人机等平台上加载颗粒物和气体检测器,开展路网排放、机动车排放、道路扬尘等的精细化监测溯源。

  为城市颗粒物污染治理找到源、找准源,是高健和他的团队致力于解决的问题。他们要将一个城市的颗粒物来源进行细分,找到源头在哪里,明确如何管理,指导如何落实。

  高健带领的大气环境研究所“颗粒物源解析”技术团队多年来致力于大气颗粒物污染机制及成因、单颗粒物物化特征、颗粒物综合源解析等大气环境领域的科学研究,先后承担并完成了多项国家和省部级课题,包括环保公益项目、国家自然科学基金重点项目、面上项目、国家科技支撑项目等。目前研究成果已在全国数十个城市开展应用,并获得多项国家发明专利,在多项重大社会活动空气质量保障工作中发挥了重要作用。

  他和团队希望用3〜5年时间建成一个技术体系,支撑生态环境部掌握我国重点区域颗粒物控制的主要方向;另一方面,帮助城市完成颗粒物来源解析工作,在每一个细分行业上,定量、半定量地找到精细化的来源,实现精细化管控措施的精准落地。

  由于任务繁重,实验室的研究人员和研究生往往是一个人承担好几个人的工作,大家很少有休息的时间。为了更好地推进研究,他们坚持每周组会制度,总结上一周的工作,布置新一周的研究任务。每两周,研究室成员都要完成必须整理的文献,要精读2〜3篇外文文献,收集相关前沿资料,写出阅读笔记。通过这样的训练,不仅提升了每一个人的科研能力,而且助大家找准方向、深入研究,使大家在大气环境污染治理的研究方面达到了基础雄厚、思维开阔、融会贯通的境界。

  一位哲学家说过:“科学就是刨根问底,他们很累,他们很艰难,他们的每一项科研成果都是在研究失败的研究中获得的成功,他们值得尊重。”

  新时代中,中国科学领域的又一个春天已经到来,在这个美丽的春天里,高健和他的团队将继续他们的耕耘和收获。