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【新时代 西部情】我为治污出新招

发表日期:2019-07-09来源:放大 缩小

  每年冬季,不少城市都会赶上几天雾霾天气。雾霾,不仅严重影响人们的日常生活,更是公众街谈巷议的一大社会问题。如何驱赶雾霾、重见蓝天,成为很多城市的心头之病。中国科学院西北生态环境资源研究院的赵素平副研究员,把自己的科研方向聚焦到这里,通过对复杂地形大气污染问题的深入研究,获得了不少有意义的新发现,得出了有别于传统想法的新观点。 

  “黑兰州”:卫星上看不到的城市 

  兰州曾经有个绰号,叫“黑兰州”。这倒不是因为这里生产一种“黑兰州”的香烟,而是因为这里的空气实在太糟糕了——一年四季黑乎乎的。兰州人曾自嘲地调侃:“太阳和月亮一个样,白天和晚上一个样,鼻孔和烟囱一个样。”

  兰州地形独特,位于青藏高原东北侧黄河河谷盆地,两山夹一河,多山少风缺雨,尤其是污染最重的冬季,基本没有风。20多年前,兰州的空气污染可谓“举世闻名”,经常高居全国空气污染城市的前列,竟有“卫星上看不到的城市”之称。

  赵素平的研究就和这座城市息息相关。

  “2009年,我刚到兰州读研,一入冬,整座城市像笼罩在一个‘大锅盖’之下,空气污染十分严重。”面对久负盛名的“黑兰州”,赵素平突发奇想,同样是北方重工业城市,为何东北地区没有被“黑色”笼罩?为何兰州就是全国唯一一个“卫星上看不见的城市”?是不是因为复杂地形造成的重污染?

  带着这个猜想,赵素平广泛查阅文献,开始从复杂地形局地气候中寻找兰州空气污染治理的良方。

  “还真不是瞎想,谷地地形的确不利于污染物消散而集聚空中,只有在有风或下雨的时候,天气才会好一些”,早在1998年,兰州市政府就曾决定“移山引风”,即削平位于兰州东大门的大青山,让城市东西两端的风对流起来,以驱散市内污浊的空气。然而,这一计划并未如愿,因为“兰州周边的山太多了,风力未必能达到吹散雾霾的程度,用愚公移山的办法‘等风来’,不仅成效慢,而且治标不治本”。

  “既然水平流不通,那能不能垂直流通?”赵素平迅速转换思路,“正常情况下,近地面污染物是可以扩散进入高空中的。在复杂地形条件下,垂直领域的大气污染与空气流动又会呈现出何种样态?”

  带着这个问题,赵素平把研究视角从“水平方向”转向“垂直领域”,开始他的“复杂地形地区的局地大气环流对大气污染物输送影响”的研究。

  PM垂直检测获“灵感” 

  治理雾霾,要从最基础的研究做起,了解雾霾成分及其来源,才能制定有效措施,而这类研究在国内还比较少见。年轻的赵素平循着这个思路,试图通过复杂地形垂直空间的大气污染颗粒(即人们通常说的PM)测量研究其分布特征和变化规律。

  因地制宜,想到就做。赵素平把单位变成观测站,从地表到楼顶,他安排了两个观测取样点。然而,“仅有几十米的楼宇高度还不够,更高的空中也需要监测”,这让刚入行不久又没有什么经费和设备支撑的赵素平陷入了苦恼。

  如何在几十米外的空中取样呢?赵素平望着窗外陷入沉思。

  忽然,窗外的皋兰山让他眼前一亮——把观测点建到皋兰山上。皋兰山位于兰州市区的南侧,自古是拱卫兰州城区的天然屏障,也是影响兰州复杂地形的重要因素。“皋兰山顶海拔2000多米,与地面垂直高度达五六百米,是非常理想的垂直观测对象”。

  于是,带着学生爬楼、爬山,测样、分析,成了赵素平的“日常工作”。

  很快,赵素平研究发现,PM浓度变化与污染物排放源和气象条件关系密切。其中,气象条件对PM浓度影响比重高达40%。这大大出乎赵素平的预料,一定是有什么东西在起作用!赵素平一遍一遍检测,终于找到这个被忽视的“元凶”:黑碳。黑碳是由未完全燃烧的化学燃料和秸秆等生物质燃料产生的含碳有机物,是仅次于二氧化碳的“温室气体”。正常情况下,空气中的黑碳含量从地表往高空应逐渐降低。

  但是,赵素平的观测发现,兰州黑碳主要分布在距离地面五六百米的高空。“它们阻挡了城市近地面与上空之间的气体正常流通,形成‘锅盖’,并越积越大,把整座城市闷在下面”。这些黑碳具有强吸光性,使得兰州大气边界层长时间维持一种高温状态,形成一道逆温层,阻碍了近地气流突破大气边界层的可能性。加之高空相对湿度较大,静风天气多,就很容易产生霾。

  这一发现让赵素平兴奋不已。如果能找到高空黑碳的形成机制,并采取行之有效的破解办法,不就可以揭开这个头顶上的‘锅盖’了吗? 

  城市治污需“巧招” 

  带着问题,赵素平继续研究发现,兰州高空黑碳主要来源于山顶周边的煤炭和秸秆燃烧等粗放型燃料所致;相反,地面交通的黑碳贡献率并不总是最主要的因素。

  这就意味着,在复杂地形条件下,我们可以突破传统相对简单的治污方式,采用更加科学和灵活的治污手段。比如,地面限行和限排对抑制黑碳很有作用,也能改善大气垂直扩散的外部条件。但是,如果能同时降低因煤炭和秸秆焚烧带来的污染,则可以直接抑制高空中的黑碳含量,为大气垂直扩散创造更好的条件。

  “换句话说,如果能补贴山顶或周边农户改用清洁能源,让他们彻底摆脱对蜂窝煤或秸秆焚烧的依赖,就能有效降低高空黑碳含量,从而改变城市上空逆温现象,让市内热气流正常流通至空中形成云,再通过降雨或降雪缓解雾霾问题。”赵素平微笑着说。

  思路一打开就停不下来。赵素平发现,城市治污的很多问题在复杂地形因素下,可以找到很多不可思议的“巧招”。

  干旱地区可采取洒水方式降低污染物浓度,但洒水中也蕴含着科学道理:喷雾式洒水显然要比浇灌式洒水效果好,因为低空喷洒的水滴粒径小,喷洒下来时就像下了一场小雨,不仅能清理路面上的沙尘,更能清理掉空气中的气溶胶污染物,从而减少细颗粒物危害。反之,如果采用浇灌式洒水,不仅浪费水资源,而且很难起到综合性的治污效果,有时还因路面湿滑造成其他不必要的社会问题。

  大气污染防治工作不仅要减排,更需要具有自我恢复能力的生态系统。这就要求在城市规划中考虑城市风向问题,避免城市建筑物挡住出入风口,以免造成小生态内的空气流动受阻,从而造成局部污染;当然,局地增加绿化面积,加大生态修复,对改善城市生态、减缓雾霾亦有重要作用。

  赵素平还有更大胆的一些想法,如果把复杂地形下的气象、大气环流与市内环境生态系统联系起来,未来甚至可以建立超大规模的“城市局地生态空气净化新风系统”……

  年仅33岁的赵素平还有很多治污的奇思妙想,我们期待他在大气污染治理研究中取得更多的原创性科研成果,为“兰州蓝”作出更大的贡献。

  赵素平   男,1986年生于内蒙古乌兰察布市,博士、副研究员,主要从事复杂地形城市气候与环境研究。2017年成为中国科学院青年创新促进会会员,2015获得中国科学院院长优秀奖。率先开展了兰州城区亚微米气溶胶数浓度谱分布特征的监测,揭示了兰州市超细颗粒物的数浓度水平;基于不同来源沙尘粒径存在显著差异的观测事实,发展了一种利用气溶胶特征谱型确定沙尘来源的新方法,可以有效地确定沙尘源区;提取到了生物质燃烧、机动车排放、烟花燃放等城市主要污染源对应的气溶胶特征谱型,这有助于气溶胶数浓度来源解析工作的开展;首次依据较大地形落差建立了兰州市亚微米气溶胶化学成分垂直分布观测网,为研究复杂地形城市气溶胶化学成分垂直分布奠定基础。主持国家自然科学基金、中科院西部之光项目、联合资助优秀博士后项目和博士后面上项目等多项国家级项目。现已发表学术论文30余篇,其中第一作者SCI论文16篇,研究成果主要发表在大气环境领域EnvironmentInternational、AtmosphericEnvironment、EnvironmentalPollution等刊物上、2篇论文入围ESI TOP1% 论文。

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