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“天地空”立體監測為大氣拍“CT”

2019-6-11 9:55:55 作者:韓揚眉

“大氣環境監測,既是大氣環境質量管理的基礎,也是大氣環境控制效果評估的依據。”中國工程院院士、中國科學院安徽光學精密機械研究所首席科學家劉文清日前在接受專訪時,特別提到大氣監測對近年來空氣質量改善的“基礎性”作用。

立體監測支撐空氣“好轉”

污染成因究竟是什么?污染物在城市間是如何傳輸的?傳輸量是多少?是否能預測“污染天”......弄清楚這些問題,需要給大氣做“立體CT”。

從事環境監測數十年,劉文清“見證”了中國大氣質量的變化。自2013年《大氣污染防治行動計劃》(“大氣十條”)實施以來,各項監測數據表明,我國的空氣質量正在變好,尤其是PM2.5濃度大幅下降。

據劉文清介紹,2012年,我國《環境空氣質量標準》新增指標PM2.5、一氧化碳、臭氧等,開始正式布局空氣質量新標的監測。

截至2017年底,國家城市環境空氣質量監測網由113個重點城市擴大到338個地級市,國家控制監測點位(簡稱“國控點”)由661個增加到1436個。

“大氣環境監測僅靠這些地面站是不夠的,它不能完全說清污染過程、污染特征,以及污染來源和變化趨勢等。”劉文清說。大氣環境污染的形成、轉化、演變和輸送,以及復雜的物理化學過程都發生在對流層空間內,具有極強的時空相關性。他解釋道,常規監測站觀測的都是近地面的大氣污染物,但污染物的垂直分布并不均勻,且高空污染物可通過大氣垂直交換影響近地面。比如對流層臭氧污染,更多的是在邊界層上層,較高濃度分布在從近地面到1000米的空間范圍。因此,垂直觀測對于全面認識大氣污染必不可少。

此外,就污染物區域傳輸而言,多是通過邊界層中上層完成的。而且主導風向和地形地貌不同時,污染物傳輸高度也不同,僅僅使用近地面觀測會低估城市間污染傳輸的量。

“必須提高生態環境監測的立體化水平,通過多種手段綜合觀測來認識復雜的大氣過程。”劉文清表示,這將有助于說清污染源現狀、說清環境質量、說清環境風險。

他指出,“立體監測”,是利用光學等遙感技術方法來探測大氣中污染物的物理、化學成分及其變化,同時把大氣的垂直分布特征以“圖景”的方式直觀、定量地呈現出來,可“說清”污染的來源、演變與輸送過程。從而實現在城市空間尺度上解析每一個重污染過程。

建成“天地空”綜合監測網

2017年,集結全國千余名優秀科學家力量的《大氣重污染成因與治理攻關項目》啟動,劉文清團隊負責“天地空一體化大氣環境跨學科綜合觀測實驗”研究。

目前已建成了我國最大規模的多要素立體觀測網絡,包括臭氧、氣象探空、輻射、氣溶膠粒徑、組分等要素的空間分布,通過自主研發大氣顆粒物和臭氧監測激光雷達等設備,可獲得污染物、氣象場在不同尺度上的傳輸特性,從點源、面源到區域的三維分布及其輸送特征。

“與以往監測相比,技術手段更全面、監測精度更高,在獲取了一系列的排放、氣象、化學綜合數據后,我們可以進行多技術的交叉印證,為更準確地實現重點排放源的識別和動態監控提供科學支撐。”劉文清說。

基于該監測網數據以及大量數值模擬,基本弄清了京津冀及周邊地區大氣污染的成因和污染傳輸路徑,達成了科學共識。

劉文清表示,共識是,污染排放強度遠超環境承載力,本地積累、區域傳輸和二次轉化造成了PM2.5濃度的迅速上升;靜穩、髙濕、逆溫、邊界層降低等氣象條件為重霾事件發生提供了不利的氣候背景。此外,也厘清了北京市5個主要區域大氣污染傳輸通道的貢獻和影響。“在‘2+26’城市范圍內,城市之間大氣污染輸送的影響平均在10%~30%,重污染氣象天氣發生的時候,會提高到20%~50%,因此開展區域大氣污染聯防聯控是十分必要的。”劉文清說。

如今,“大氣立體監測”已實現從垂直定向觀測向三維掃描觀測發展,從固定站點觀測向走航移動觀測發展,從顆粒物的空間觀測向臭氧、VOC等氣態污染物的空間觀測,從單一污染要素觀測向環境、污染物等多要素協同觀測方向不斷發展。

智能化、立體化水平仍需提升

劉文清表示,治污多年,污染源結構發生了顯著改變,污染成因也發生快速變化,最為突出的是臭氧濃度持續上升。此外,臭氧和PM2.5的共同前體物VOCs(揮發性有機化合物)成為“大氣十條”實施后排放量仍在增長的唯一污染物。

“PM2.5和臭氧協同控制成為大氣污染治理的深水區。”劉文清說。我國目前已初步形成了以國控監測站網絡為骨干的環境地面監測網絡體系,以及科研型立體化監測網絡。在劉文清看來,挑戰仍然艱巨。主要在于,針對環境污染機理研究的監測技術和手段不足;不能滿足臭氧等二次污染業務化監測需求,比如光化學前體物的立體監測、低成本高性能的大氣自由基與環境污染物探測等;我國尚未建立先進環境監測技術和驗證評價體系,特別是立體監測技術需要建立數據質量保障的規范體系。

此外,數據尚未充分融合共享,一些高端專業儀器以及核心零部件、核心數據庫仍未擺脫依賴進口的局面。

未來,亟須推動監測技術的創新、國產儀器的產業化及環境監測技術體系的建立。“融合大數據等信息技術與相關學科,實現局域微觀精細化監測;創新地基遙感監測手段,突破衛星和機載高光譜分辨率大氣遙感關鍵技術,實現宏觀大氣環境的立體化、智能化綜合聯網監測。”劉文清說。△

網站編輯:宮莉

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