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“天地空”立体监测 “说清”大气污染
2019年06月12日  作者:《中国科学报》    编辑:chunchun   审核:刘纯  版面:A4

  “大气环境监测,既是大气环境质量管理的基础,也是大气环境控制效果评估的依据。”近日,中国工程院院士、中国科学院安徽光学精密机械研究所首席科学家刘文清接受专访时,特别提到大气监测对近年来空气质量改善所起到的“基础性”作用。

  不过,他也强调,PM2.5和臭氧协同控制已成为当下大气污染治理的深水区,面对艰巨挑战,亟须推动监测技术的创新、国产仪器的产业化及环境监测技术体系的建立。

立体监测支撑空气“好转”论断

  污染成因究竟是什么,污染物在城市间是如何传输的、传输量是多少,是否能预测“污染天”……弄清这些问题,需要给大气做“立体CT”。

  从事环境监测数十年,刘文清“见证”了中国大气质量的变化。自2013年《大气污染防治行动计划》(以下简称“大气十条”)实施以来,各项监测数据表明,我国的空气质量正在变好,尤其是PM2.5浓度大幅下降。

  刘文清介绍,2012年,我国《环境空气质量标准》新增指标PM2.5、一氧化碳、臭氧等,开始正式布局空气质量新标的监测。

  截至2017年年底,国家城市环境空气质量监测网由113个重点城市扩大到338个地级市,国家控制监测点位(以下简称国控点)由661个增加到1436个。

  “大气环境监测仅靠这些地面站是不够的,它不能完全说清污染过程、污染特征,以及污染来源和变化趋势等。”刘文清说。大气环境污染的形成、转化、演变和输送,以及复杂的物理化学过程都发生在对流层空间内,具有极强的时空相关性。

  他表示,常规监测站观测的都是近地面的大气污染物,但污染物的垂直分布并不均匀,且高空污染物可通过大气垂直交换影响近地面。比如对流层臭氧污染更多的是在边界层上层,较高浓度分布在从近地面到1000米的空间范围。

  因此,垂直观测对于全面认识大气污染必不可少。

  此外,就污染物区域传输而言,大多是通过边界层中上层完成的。当主导风向和地形地貌不同时,污染物传输高度也不同,仅仅使用近地面观测会低估城市间污染传输的量。

  “必须提高生态环境监测的立体化水平,通过多种手段综合观测来认识复杂的大气过程。”刘文清表示,这将有助于说清污染源现状、环境质量和环境风险。

  他指出,“立体监测”是利用光学等遥感技术方法来探测大气中污染物的物理、化学成分及其变化,同时把大气的垂直分布特征以“图景”的方式直观、定量地呈现出来,可“说清”污染的来源、演变与输送过程,从而实现在城市空间尺度上解析每一个重污染过程。

建成“天地空”综合监测网

  2017年,集结全国千余名优秀科学家力量的“大气重污染成因与治理攻关项目”启动,刘文清团队担纲“天地空一体化大气环境跨学科综合观测实验”研究。

  目前,他们已建成了我国最大规模的多要素立体观测网络,观测包括臭氧、辐射、气溶胶粒径、组分等要素的空间分布;通过自主研发大气颗粒物和臭氧监测激光雷达等设备,可获得污染物、气象场在不同尺度上的传输特性,从点源、面源到区域的三维分布及其输送特征。

  “与以往监测相比,技术手段更全面、监测精度更高,在获取了一系列的排放、气象、化学综合数据后,我们可进行多技术的交叉印证,为更准确地实现重点排放源的识别和动态监控提供科学支撑。”刘文清说。

  基于该监测网数据及大量数值模拟,他们基本弄清了京津冀及周边地区大气污染的成因和污染传输路径,达成了科学共识——污染排放强度远超环境承载力,本地积累、区域传输和二次转化造成了PM2.5浓度的迅速上升;同时,静稳、高湿、逆温、边界层降低等气象条件为重霾事件发生提供了不利的气候背景。

  此外,研究也弄清了北京市5个主要区域大气污染传输通道的贡献和影响。“在‘2+26’城市范围内,城市之间大气污染输送的影响平均在10%~30%,重污染气象天气发生时会提高到20%~50%。因此,开展区域大气污染联防联控是十分必要的。”刘文清说。

  如今,大气立体监测已实现从垂直定向观测向三维扫描观测发展,从固定站点观测向走航移动观测发展,从颗粒物的空间观测向臭氧等气态污染物的空间观测发展,以及从单一污染要素观测向环境、污染物等多要素协同观测方向不断发展。

智能化、立体化水平仍需提升

  刘文清表示,治污多年,污染源结构发生了显著改变,污染成因也发生快速变化,最为突出的是臭氧浓度持续上升。此外,臭氧和PM2.5的共同前体物VOCs(挥发性有机化合物)成为“大气十条”实施后排放量仍在增长的唯一污染物。

  “PM2.5和臭氧协同控制成为大气污染治理的深水区。”刘文清说。

  我国目前已初步形成了以国控点网络为骨干的环境地面监测网络体系,以及科研型立体化监测网络。但在刘文清看来,挑战仍然艰巨,主要在于:针对环境污染机理研究的监测技术和手段不足;不能满足臭氧等二次污染业务化监测需求,比如光化学前体物的立体监测、低成本高性能的大气自由基与环境污染物探测等;我国尚未建立先进的环境监测技术和验证评价体系,特别是立体监测技术需要建立数据质量保障的规范体系。

  此外,数据尚未充分融合共享,一些高端专业仪器及核心零部件、核心数据库仍未摆脱依赖国外的局面。

  他表示,未来,亟须推动监测技术的创新、国产仪器的产业化及环境监测技术体系的建立。“融合大数据等信息技术与相关学科,以实现局域微观精细化监测;创新地基遥感监测手段,突破卫星和机载高光谱分辨率大气遥感关键技术,以实现宏观大气环境的立体化、智能化综合联网监测。”刘文清说。

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