为大气环境做体检 让二次污染无处循行

深秋和初冬是空气污染严重的季节，但2019年京津冀的冬天比往年更“蓝”。在蓝天白云下，有一项重要的技术可以“护航”打赢蓝天防御战，那就是大气监测和预警技术。

“大气‘监测和预警’就像医院里的实验室。它能精细、准确、清晰地告诉你大气中是否存在污染以及总体污染水平。”在最近由中国21世纪议程管理中心举办的“大气污染监测、预报和预警技术交流会”上，中国工程院院士刘文清表示，虽然目前pm2.5平均浓度已明显下降，但以臭氧和挥发性有机物为代表的“二次污染”仍在不断出现，这对大气监测提出了挑战，也是打赢蓝天防御战必须克服的难题。

在交流会上，张、、院士等专家就“大气污染成因与控制技术专项”(以下简称“大气污染专项”)中大气污染精细监测预警技术的创新与突破进行了深入探讨。他们认为，空地区空气质量调控的内因是排放，外因是气象，调控的重点是从源头上进行监测和减排。

捕捉空气污染的隐形“杀手”

自由基，一个听起来很活跃的名字，在空气污染的预防和控制中扮演着“阴阳老师”的角色。

一方面，它是大气中有毒物质的“清除剂”，自由基的存在不断调节着大气环境中的有毒成分，使它们无法聚集。另一方面，自由基会与人类排放的挥发性有机化合物一起氧化，然后与氮氧化物反应生成臭氧和二次有机气溶胶，在臭氧污染和颗粒物污染中起着“核心”作用。

大气中有一把双刃剑。我们应该如何看待它？大气专家小组给出的态度是客观和精确的，越精细越好。

自由基的精确监测是基于当前空气污染模式的变化趋势。北京大学环境学院研究员、“大气自由基和活性前体物在线测量技术”项目负责人李伟在接受《科技日报》采访时表示，自2013年国务院颁布《大气污染防治行动计划》(以下简称“国家十大文件”)以来，各种措施已显著缓解了pm2.5等一次污染。然而，从颗粒物的化学组成来看，二次成分(即二次污染、二次污染、二次污染、二次污染、三次污染、三次污染、三次污染、四次污染、四次污染、五次污染、五次污染、五次污染、五次污染、五次污染、六次 由挥发性有机化合物和氮氧化物在光照条件下的链式反应产生的臭氧，其浓度水平和超标率在中国主要城市地区也呈上升趋势。

在上述“权衡”的污染物转化中，自由基是不可或缺的“催化剂”。因此，自由基已成为监测空气污染变化的重要指标，其浓度和活性已成为李信团队眼中衡量大气氧化水平的标志。

自由基容易被监控吗？与传统的气态污染物相比，自由基的浓度非常低。据李昕介绍，大气中臭氧浓度的标准是160微克/立方米(微克/立方米)，这相当于2×1012厘米-3(分子/立方厘米)的数值浓度。然而，对大气氧化贡献最大的羟基自由基(oh)的峰值浓度水平仅为约107cm-3(每立方厘米分子)，相当于传统气态污染物浓度的十万分之一。此外，自由基的活性非常强，当被任何物质接触时，oh自由基的表面将被消灭，这意味着它总是处于变化的状态，这使得确定自由基更加困难。

事实上，oh自由基的测量从20世纪70年代就已开始研究，至今仍有一些技术问题无法解决。李鑫的团队还采用了国际上成熟的技术路线——激光诱导荧光法，即用激光打击oh自由基，激发oh自由基释放荧光，通过监测荧光信号的强度来判断oh自由基的浓度。

他们方法的创新在于使激光测量稳定、精确和准确。它依靠一套自行设计的测量和反馈系统，一系列有条件的实验和软件模拟，以及自建的自由基浓度发射装置……正是这一技术和设备的全面应用，使中国成为世界上第六个独立掌握这一技术捕捉看不见的“杀手”——自由基的国家。

固定污染源超细颗粒物的监测

随着“国家十条”等政策的颁布，污染物排放标准越来越严格。目前，固定污染源大气环境监测技术已经进入超细颗粒物监测时代。

在清华大学能源与动力工程系丁教授的项目报告中，记者看到，目前国内和世界上火电厂等固定污染源的颗粒物排放检测设备虽然可以在线监测5mg/m3 (mg/m3)以下的超低排放，但只能测量排放烟尘的总质量浓度，不能实现对细、超细颗粒物的颗粒谱分布的高精度在线监测。

“传统的单通道光粒子光散射技术只能获得与煤烟总质量浓度相对应的一维光信息，当环境条件发生变化时，煤烟的粒子光谱和折射率也会发生变化。这项技术无法感知煤烟的特性。变化将影响测量结果的准确性。”丁告诉记者，根据光波与颗粒物的散射关系，项目组采用信号测量和反演信号处理算法，获取烟尘浓度中pm10、pm2.5和pm1值，最终实现了固定污染源颗粒物光谱和质量浓度的联合测量。

值得注意的是，本项目获得的所有理论方法和关键部件均已申请专利，其中pct国际发明专利已申请获得散射光信号气溶胶特性的方法及其应用，日本和美国专利均已授权。

对于固定污染源的监测，不仅要有成熟的技术标准，还要有符合中国实际工作条件的污染物监测技术。

丁告诉记者，对于氨逃逸监测的工业烟气脱硝，进口仪器，无论是从美国，欧洲或日本，不能满足监测氨逃逸烟气中的大量高灰燃煤机组在中国，因为烟气中的大量粉煤灰使测量激光无法穿透和失败。

针对这种情况，项目组开发了高精度、高灵敏度、在线校准的原位采样氨逃逸在线监测技术，实现了我国大量高灰燃煤机组烟气脱硝的氨逃逸监测。此外，根据粉煤灰吸附大量逃逸氨的最新研究成果，世界上首次开发了烟尘中粉煤灰吸附氨的在线监测技术，成功监测了烟气脱硝逃逸氨总量。

“这将为我国工业过程中广泛存在的烟气脱硝氨逃逸的全面监控和严格控制提供关键的技术支持和保障。”丁对说道。

探索大气边界层污染的三维信息

2018年冬季，为期15天、跨越2000公里的大规模气象观测实验如期举行。

“这是一次大规模、多平台、多因素的大气污染综合观测试验。”该项目的负责人、北京航空航天大学的胡飞研究员说，本次试验的目的是获取京津冀地区空气污染的三维分布信息，特别是大气边界层中空气污染物和气象要素的高分辨率垂直分布和时间演变特征。

实验的困难在于高空探测，而且它也在观察京津冀地区，所以它被命名为“王度实验”。与地面固定污染源监测技术不同，“王度实验”主要针对大气边界层污染物和气象要素垂直结构同步联合检测的不足，开展综合检测和技术突破。

原因在于，距地面1-2公里的大气边界层主导着地球与空气之间的物质和能量交换，是人类生活和工程活动的主要场所，也是空气污染和气象灾害发生的主要场所。胡飞告诉记者:“在这么高的范围内，实现空之间的全覆盖、要素的完整构成和时间的连续性是一个具体的难点。”

在京津冀地区“上演”了一场“地面空”的空气污染监测实验——一艘长32米、体积超过1800立方米的大型航船像风筝一样在1000米的高空飘着,“/”为了支持中国南北空气污染特征的比较，2000公里外的珠江三角洲、356米高的深圳气象塔和600米高的广州电视塔的监测设备与“王度实验”合作

在这次观测实验中，新的臭氧激光雷达、二氧化氮激光雷达、高空湍流超声风速计探测系统和与涡度相关的pm2.5湍流通量观测系统也首次亮相。

胡飞表示，本次实验获得了地面观测或便携式仪器探测空观测无法获得的污染物物理化学元素精细结构的新信息和新现象，可为揭示京津冀地区重污染的形成机理、污染源分析和大气污染的优化控制提供科学参考。(记者何亮)

编辑:张静文