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透明徘徊花,中国和英国化学家共探超大城市大

发布时间:2019-08-14 10:19编辑:美高梅4858官方网站浏览(185)

    “谜雾”追踪:中英科学家共探超大城市大气污染及健康影响

    与一直萦绕在我们耳边的PM2.5相比,臭氧确实并没有太多引起公众的重视,因为它没有前者那般“张牙舞爪”,但却悄悄潜伏在万里晴空,被称为“透明杀手”。

    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。

    那么,我们该如何监测与防治臭氧呢?近日,《美国科学院院报》刊登了一篇来自哈佛大学的论文,文章称,科研人员根据季节数据开发出一个统计模型,首次可提前一个季度预测美国东部夏季月份臭氧的浓度。

    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。

    37年监测数据“撑起”预测模型

    “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。

    “美国自1980年就开始监测空气中的臭氧浓度了。”论文第一作者、哈佛大学应用工程与科学学院博士生沈路在接受《中国科学报》记者采访时介绍说。

    “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。”

    美国对于臭氧的关注源于上世纪40年代初期,当时美国洛杉矶发生了严重的光化学烟雾事件。事件发生时正值当地的夏季,本应该晴朗的天空,但城市空气能见度却非常低,而后,洛杉矶很多市民出现了眼睛发红、咽喉疼痛、呼吸憋闷、头昏、头痛等症状。

    空地协同

    后来,科学家们证实导致这一事件的罪魁祸首就是臭氧,它是一种挥发性碳氢化合物和氮氧化物等在太阳光照射下引起光化学反应的产物。而所谓氮氧化物和可挥发性有机物,一般来自于汽车尾气、石油化工厂废气以及森林植被排放等。高温、强辐射会加速光化学反应,导致大量臭氧出现。这种有害混合烟雾中除氮氧化物等污染物外,主要含臭氧和醛类物质等,也有细颗粒物,对人体呼吸系统有直接影响。

    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”。

    虽然这一事件与洛杉矶的地形密不可分,但是汽车尾气排放、阳光照射同样也是引发光化学烟雾事件的元凶之一。

    “从数据看,近地面臭氧浓度最高值是150ppbv。”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。

    然而,这只是光化学污染事件的开始,1943年以后,烟雾更加肆虐,以致远离城市100千米以外的海拔2000米高山上的大片松林也因此枯死,柑橘减产;1955年因呼吸系统衰竭死亡的65岁以上的老人达到400多人;在1970年,大批市民因此患上了红眼病。

    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。

    而为了应对可怕的光化学污染,美国自上世纪50年代开始对露天垃圾燃烧、工厂烟雾排放等方面做出严格规定,包括治理含有碳氢化合物的化工溶剂、垃圾填埋场有毒气体、热电厂氮氧化物,处理动物工厂的排放等。

    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。

    不仅如此,控制汽车尾气排放也一直是治理重点。空气质量管理者首先明确了管理部门,负责尾气监测和污染减排设施认证,并且严格控制挥发性有机化合物的排放。在洛杉矶市,政府还要求汽车加装催化转化器,减排效果显著。

    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。

    “除了健康因素,臭氧浓度还会影响到自然植被生成和农作物产量,所以美国一直关注臭氧浓度,而且这些观测结果也是推动大气化学机理研究的重要数据来源。”沈路告诉记者。

    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,。

    基于37年的监测数据,沈路和导师洛雷塔·米克利又通过分析大量观测数据和气象模式,发现美国东部夏季高浓度臭氧与春季温暖的热带大西洋、寒冷的东北太平洋海水表层温度,以及夏威夷、大西洋和北美的海平面气压异常有关。

    聚焦通量

    针对这些关系,他们开发了一个统计模型,该模型能预测从1980年到2013年中45%的夏季臭氧浓度年际变化。“臭氧浓度不仅与局地天气密切相关,同时也受到半球尺度的大气环流和海水温度的影响。”沈路解释说。

    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、英国自然环境研究理事会、英国医学研究理事会共同资助,于去年1月启动,中英近30家单位的200名科学家参与其中。

    监测数据够多PM2.5或可预测

    “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。

    既然臭氧可以预测,那么PM2.5是否也可以同理模拟出其浓度变化?对此,沈路认为,应该也可以提前一个季度预测PM2.5,只是目前并没有相关研究。

    “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。

    其实,在大气污染物中,不论是可吸入颗粒物还是臭氧都只是人类面临的诸多问题之一。“每个国家对于空气污染物重视程度的高低,取决于各自的经济发展状况和污染水平以及其他的社会环境问题。不过,整体而言,PM2.5对健康的威胁要比臭氧大多了。”沈路表示。

    “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。”

    然而,这并不意味着我国相关研究机构忽视了臭氧的污染。在北京市新闻节目之后播报的空气质量监测节目中,臭氧也一直没有离开公众的视野。

    “两个头脑更灵光”

    但仅以沈路目前的统计模型想要预测中国的臭氧污染也有难度。与美国37年的监测时间相比,“中国的臭氧观测时间序列还非常短,暂时不能用我们的这个模型直接做预测,需要寻找其他的办法。而且影响中国空气质量的大尺度环流和影响美国的不一样,所以这个模型并不能直接通用”。

    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。

    臭氧控制势在必行

    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。”

    2017年伊始,深圳市、郑州市等地纷纷提出,臭氧已经成为继PM2.5后又一重要污染物。河南省郑州市环保局数据显示:2016年,由于臭氧超标,郑州市优良天变为污染天的天数是52天,比2015年增加43天。这一数据显示,臭氧成为影响郑州市优良天数的主要因素之一。

    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。

    这并非个例,去年9月16日环保部发布的数据显示,当年8月份全国重点区域74个城市的空气质量超标天数中,以臭氧为首要污染物的天数最多,其次是大家熟悉的PM2.5。这是自去年5月份以来,臭氧连续第四个月取代PM2.5,成为空气质量超标的“元凶”。

    “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。

    “一般来说,臭氧浓度在发达国家是下降的,但是在发展中国家是上升的。而且,臭氧浓度在全球整体的背景下,总体趋势也是上升的。”沈路表示。

    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。

    虽然在人们的理解中,臭氧是平流层中保护人们不受紫外线威胁的“护盾”,但是近地面臭氧却是有害气体。当浓度超过一定程度时,会对人体造成伤害。

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    “未来几十年内,全球气候变化将可能会让更多的夏季热浪出现,这会导致美国一些地区臭氧事件增加70%~100%。由于中国现阶段的污染比较严重,中国很可能面临气候变暖带来的更严峻的挑战,通过科学减排来控制空气质量尤为重要。”沈路表示。

    其实,早在2012年,我国就修订了《环境空气质量标准》,并首次增设了PM2.5年均、日均浓度限值和臭氧8小时浓度限值,收严PM10和氮氧化物浓度限值等。

    欧盟相关各国也早在1979年签署了长距离大气污染公约,只为解决酸雨和近地面臭氧等大气污染物跨界输送导致的问题。1997年,欧盟还通过了一项酸雨防治战略,旨在同时解决欧盟范围内的酸沉降、富营养化以及近地面臭氧问题。2001年,欧盟委员会通过了《国家最高排放限值公约》,对二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机化合物等三类二次污染问题的前体物排放量做出了规定,以期解决臭氧相关问题。

    “提前知道臭氧浓度可以加大这个季节的减排力度,同时敏感人群注意观察短时间尺度的空气质量预报来安排自己的户外活动,农业部门可以提前采取相应措施。”沈路同时表示,季节预测温度降水还有很多没有解决的问题,季节预测空气污染只是刚刚开始,相信未来经改进后会达到更好的预测效果。

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