霧霾綜合觀測平臺建設(shè)與教學(xué)應(yīng)用

段鳳魁, 賀克斌, 郝吉明, 馬永亮, 朱麗丹, 程 靜, 胡 俊

(清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 北京 100084)

實驗室創(chuàng)新

霧霾綜合觀測平臺建設(shè)與教學(xué)應(yīng)用

段鳳魁, 賀克斌, 郝吉明, 馬永亮, 朱麗丹, 程 靜, 胡 俊

(清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 北京 100084)

以大氣細(xì)顆粒物PM2.5為代表的空氣污染成為我國最嚴(yán)重的區(qū)域環(huán)境問題之一,嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。及時開展涵蓋PM2.5、氣態(tài)前體物以及氣象條件等因素在內(nèi)的霧霾實時觀測,對于深入探討霧霾成因從而為控制決策提供科學(xué)支持,對于高校大氣污染控制領(lǐng)域人才的培養(yǎng),具有非常重要的意義。霧霾綜合觀測平臺的搭建包括觀測點選取、儀器配置和維護(hù)與管理等環(huán)節(jié)。平臺已成功應(yīng)用于清華大學(xué)“環(huán)境監(jiān)測”及“校園環(huán)境監(jiān)測”等實驗課程,是科研成果轉(zhuǎn)化為本科教學(xué)的具體體現(xiàn)。

大氣污染； 霧霾； PM2.5； 觀測平臺建設(shè)； 科研成果轉(zhuǎn)化

近20年來我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展使其成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體。期間能源的巨大消耗和機(jī)動車保有量的迅速增加,使我國不得不面對更大的環(huán)境壓力。以大氣細(xì)顆粒物PM2.5為代表的空氣污染成為我國最嚴(yán)重的區(qū)域環(huán)境問題之一[1]。美國國家航空航天局(NASA)于2010年發(fā)布的基于衛(wèi)星遙感反演的全球PM2.5濃度表明,我國PM2.5污染問題尤為突出,京津冀地區(qū)和長三角地區(qū)的PM2.5污染已經(jīng)表現(xiàn)出連成一片、形成“華北、華東重污染帶”的趨勢。區(qū)域性、復(fù)合型已成為我國發(fā)達(dá)地區(qū)大氣污染的主要特征,以霧霾、光化學(xué)煙霧等現(xiàn)象為主的大氣二次污染頻繁發(fā)生,嚴(yán)重阻礙了城市和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。2013年1月,我國發(fā)生了嚴(yán)重的霧霾污染事件,覆蓋國土范圍高達(dá)140多km2,其中北京PM2.5濃度瞬時值高達(dá)855 μg·m-3[2]。其污染程度之高、持續(xù)周期之長歷史罕見,引起了國內(nèi)外普遍關(guān)注。

研究表明,過去50年期間,中國能見度呈逐年下降趨勢,PM2.5濃度水平與霧霾污染導(dǎo)致的能見度降低呈很強(qiáng)的相關(guān)性[3],PM2.5是導(dǎo)致霧霾形成的主要污染物。然而,PM2.5來源及成因復(fù)雜,既來自污染源的直接排放,又來自其氣態(tài)前體物(如SO2、NOx等)在大氣環(huán)境中的二次轉(zhuǎn)化[4]。弄清霧霾及大氣污染特征、成因并提出控制方案,需要多學(xué)科之間的聯(lián)合。因此,嚴(yán)峻的污染形勢對高校培養(yǎng)環(huán)境專業(yè)復(fù)合型人才提出了更高要求。及時開展涵蓋PM2.5、氣態(tài)前體物以及氣象條件等內(nèi)容在內(nèi)的霧霾綜合實時觀測,對于深入探討霧霾成因從而為控制決策提供科學(xué)支持,對于高校大氣污染控制領(lǐng)域人才的培養(yǎng),具有非常重要的意義。

1 霧霾綜合觀測平臺的搭建與建設(shè)

1.1 觀測點選取

如前所述,中國大氣污染呈區(qū)域性、復(fù)合型污染特征。三大重污染區(qū)包括京津冀地區(qū)、長三角地區(qū)與珠三角地區(qū)。由于南北地區(qū)在氣象條件、地理位置、能源結(jié)構(gòu)、工業(yè)結(jié)構(gòu)等方面的顯著差異,與其他兩個地區(qū)相比,京津冀地區(qū)大氣污染尤為嚴(yán)重。2014 年每月公布的全國PM2.5質(zhì)量濃度超標(biāo)城市中,80%以上的城市位于京津冀區(qū)域。北京作為我國首都,盡管其轄內(nèi)并無大型重工業(yè)排放,然而其PM2.5濃度屢有超標(biāo),減排壓力大。因此,為了弄清北京市霧霾及PM2.5污染現(xiàn)狀及成因,有必要設(shè)立觀測點進(jìn)行長期的實時、連續(xù)觀測,從濃度水平與化學(xué)組成兩個角度進(jìn)行深入、系統(tǒng)研究,為國家制定控制措施提供支持，我們選擇清華大學(xué)校園作為北京城區(qū)觀測點。清華大學(xué)(TH,40°19′N,116°19′E)位于北京西北城郊結(jié)合部,介于北四環(huán)和北五環(huán)之間,鄰近交通繁忙的中關(guān)村北大街,周邊無大型工業(yè)源,與天安門相距12 km。基于我們課題組10多年的研究發(fā)現(xiàn),清華觀測點PM2.5的質(zhì)量濃度及其化學(xué)組成與城區(qū)監(jiān)測點車公莊無明顯差異,因此,清華大學(xué)作為北京城區(qū)PM2.5的觀測點是有代表性的[5-11]。

1.2 儀器配置

霧霾綜合觀測的目的,是通過大氣顆粒物及其化學(xué)組成的實時觀測,分析其晝夜變化、月際變化及季節(jié)變化,捕獲重污染事件,根據(jù)氣象因素、氣態(tài)前體物的相關(guān)信息,對霧霾成因做出解析。因此,觀測平臺的儀器配置涵蓋四大類共 9臺在線儀器,包括大氣顆粒物質(zhì)量濃度、化學(xué)組成、氣態(tài)前體物、氣象因素,其相互之間的關(guān)系見圖1。

圖1 霧霾綜合觀測平臺結(jié)構(gòu)示意圖

PM2.5中硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等主要組分均來自氣態(tài)前體物的二次反應(yīng)和轉(zhuǎn)化,因此為了更好地捕捉北京冬季霧霾成因,研究外地傳輸及本地生成與霧霾形成的關(guān)系,我們增設(shè)了先進(jìn)的高時間分辨率的涵蓋NOx、SO2、O3、CO/CO2、VOCs等氣態(tài)污染物連續(xù)自動監(jiān)測儀。另外增設(shè)離線雙通道手動采樣器,為進(jìn)一步進(jìn)行實驗室后期深層次手動分析做好采樣準(zhǔn)備。

根據(jù)課題組前期觀測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向及溫濕度等氣象因素對北京霧霾形成的重要影響,因此在傳輸方向上的觀測站點設(shè)置氣象監(jiān)測系統(tǒng),與氣體在線儀器包含在內(nèi)的大氣環(huán)境在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)一并成為霧霾觀測的關(guān)鍵儀器。

1.3 維護(hù)與管理

由于觀測平臺儀器種類多、觀測分辨率高,產(chǎn)生數(shù)據(jù)量大,因此對觀測平臺進(jìn)行科學(xué)管理與維護(hù)是非常重要的，觀測平臺的儀器實物見圖2。我們對平臺的管理不但包括常規(guī)的實驗室管理,如用水用電安全、實驗室衛(wèi)生等,還包括在線儀器的噪音與振動管理、儀器的定期維護(hù)等。由于觀測平臺位于樓頂,為避免儀器采樣過程中產(chǎn)生的振動及噪音對其周圍辦公環(huán)境的影響,我們對每臺儀器進(jìn)行了減震與減噪處理,使其符合相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 霧霾綜合觀測平臺儀器實物圖

相對于離線儀器而言,在線儀器靈敏度高、運(yùn)行周期長,極易產(chǎn)生故障。因此,我們對每臺儀器建立了定期維護(hù)制度。輕污染時期,每月更換一次防塵膜及相應(yīng)部件耗材；重污染時期則每兩周更換一次。同時,對所有儀器每半年進(jìn)行一次年檢與全面維護(hù)。

2 霧霾綜合觀測平臺在教學(xué)中的應(yīng)用

我們課題組自1999年即開展了PM2.5污染與成因的相關(guān)研究[1,5-11],基于長期、連續(xù)室外觀測、實驗室模擬和模型計算,獲得了中國典型地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度及其化學(xué)組成的時間序列特征；采用擴(kuò)散溶蝕器與特殊的濾膜配置解決了氣態(tài)HNO3吸附和顆粒態(tài)NH4NO3揮發(fā)導(dǎo)致采樣誤差的關(guān)鍵技術(shù)問題；發(fā)現(xiàn)二次無機(jī)顆粒中SO42-成因的季節(jié)、地域差異；定量解析出含碳顆粒物的生物質(zhì)燃燒與二次來源的貢獻(xiàn)；建立復(fù)雜源排放清單編制技術(shù)方法,編制出我國NOx高分辨率排放清單。上述成果先后獲教育部自然科學(xué)一等獎、國家自然科學(xué)二等獎。部分成果被“北京奧運(yùn)會空氣質(zhì)量保障方案”采用。及時地將這些科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容,對于我校培養(yǎng)創(chuàng)新性、復(fù)合型大氣污染控制人才具有十分重要的意義。

首先,平臺為本科生提供了PM2.5及其前體物的采樣地點與儀器。在“環(huán)境監(jiān)測實驗”課程的早期實驗項目中,僅有針對氮氧化物的監(jiān)測,缺乏與PM2.5相關(guān)的實驗內(nèi)容。為了緊跟大氣污染形勢,使學(xué)生掌握有關(guān)采樣及監(jiān)測方法,從2013年開始,我們增加了PM2.5監(jiān)測與污染特征分析的有關(guān)內(nèi)容。應(yīng)用我們觀測平臺的條件與設(shè)施,使學(xué)生在實驗課上掌握了從采樣液/濾膜準(zhǔn)備,到樣品采集、樣品保存、樣品分析、質(zhì)量控制與質(zhì)量保證等全部流程的實驗操作,為進(jìn)一步開展PM2.5污染特征研究打下基礎(chǔ)。

其次,平臺為本科生提供了實時觀測數(shù)據(jù)。“校園環(huán)境監(jiān)測”是清華大學(xué)最早開展的非常有特色的一門實踐課程[12],目前在很多高校中都已陸續(xù)開設(shè)。學(xué)生以真實校園為研究對象,在前期文獻(xiàn)調(diào)研、立項基礎(chǔ)上,于夏季學(xué)期的有限時間內(nèi)(1周),完成既定實驗方案的實施,并進(jìn)行成果匯報與展示。學(xué)生選題通常集中在水和氣兩個領(lǐng)域,因此,每年約有一半學(xué)生90多人進(jìn)行校園空氣質(zhì)量(含室內(nèi)空氣質(zhì)量)相關(guān)的實驗。我們的霧霾綜合觀測平臺不但能為學(xué)生提供可供比較的氣態(tài)前體物和顆粒物的質(zhì)量濃度,還可提供相關(guān)化學(xué)組分以及氣象條件的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。以此為基礎(chǔ),啟發(fā)學(xué)生通過相關(guān)性分析、主成分分析等手段,探討校園環(huán)境下大氣顆粒物的污染特征及影響因素，培養(yǎng)學(xué)生濃厚的科研興趣。

此外,在開展“大氣污染控制工程”實驗教學(xué)時,通過展示觀測平臺設(shè)備及觀測數(shù)據(jù),使學(xué)生對所學(xué)過的污染源控制措施與手段等知識點進(jìn)行對照,使控制與監(jiān)測得以有效聯(lián)接。因而,在進(jìn)行電袋除塵、機(jī)動車尾氣測試、氮氧化物的催化凈化等實驗時,學(xué)生的積極性顯著提高,取得了良好的教學(xué)效果。

3 結(jié)束語

霧霾污染導(dǎo)致的空氣質(zhì)量惡化是當(dāng)前全社會所普遍關(guān)注的熱點問題,其污染特征、來源與成因的研究也是國際大氣領(lǐng)域的研究熱點。我們建設(shè)和完善了霧霾綜合觀測平臺進(jìn)行觀測和研究，取得了一批科研成果并向教學(xué)轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣、創(chuàng)新思維和實踐能力,取得了明顯的教學(xué)效果。

References)

[1] 賀克斌,楊復(fù)沫,段鳳魁,等. 大氣顆粒物與區(qū)域復(fù)合污染[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[2] Zheng G J, Duan F K, Su H, et al. Exploring the severe winter haze in Beijing: the impact of synoptic weather, regional transport and heterogeneous reactions [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2015(15)：2969-2983.

[3] Zhang X Y, Wang Y Q, Niu T, et al. Atmospheric aerosol compositions in China: spatial/temporal variability, chemical signature, regional haze distribution and comparisons with global aerosols[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2012(12):779-799.

[4] 郝吉明,呂子峰,楚碧武,等. 大氣二次有機(jī)氣溶膠污染特征及模擬研究[M]. 北京:科學(xué)出版社,2015.

[5] He K B, Yang F M, Ma YL,et al. The characteristics of PM2.5in Beijing, China [J]. Atmospheric Environment,2001(35)：4959-4970.

[6] Duan F K, He K B, Ma YL, et al. Characteristics of carbonaceous aerosols in Beijing, China [J]. Chemosphere， 2005(60):355-364.

[7] Duan F K, He K B, Ma YL, et al. Concentration Level and Chemical Characteristic of Atmospheric Aerosol in Beijing: 2001-2002 [J]. Science of the Total Environment 2006(355): 264-275.

[8] 余學(xué)春. 北京PM2.5水溶性物種污染特征及來源解析[D]. 北京:清華大學(xué),2004.

[9] 段鳳魁. 北京市含碳?xì)馊苣z污染特征與來源研究[D]. 北京:清華大學(xué),2005.

[10] 賈英韜. 北京大氣顆粒物區(qū)域性污染形成機(jī)制研究[D]. 北京:清華大學(xué),2008.

[11] 趙晴. 典型地區(qū)無機(jī)細(xì)粒子污染特征及成因研究[D]. 北京:清華大學(xué),2010.

[12] 李榮喜,雷敏,余取民,等.《環(huán)境監(jiān)測》課程創(chuàng)新性實驗教學(xué)改革[J].長沙大學(xué)學(xué)報,2012(2):119-120.

Construction of haze observation platform and its application in teaching

Duan Fengkui, He Kebin, Hao Jiming, Ma Yongliang, Zhu Lidan, Cheng Jing, Hu Jun

(School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The regional air pollution characterized with fine particles PM2.5, with diameter less than 2.5 μm has become one of the most serious problems in China, which has hindered the sustainable development of economy seriously. Carrying out the haze real-time observation covering PM2.5, gaseous precursors and meteorological conditions will have important significance for exploring the causes of haze so as to provide the scientific support for the decision, as well as for the talent cultivation of air pollution control in colleges and universities. The construction of the haze observation platform includes the observation point selection, the equipment configuration, as well as the management and maintenance of the platform. The platform has been successfully applied in the undergraduates’ experimental curriculum teaching of ‘Environmental Monitoring’ and ‘Campus Environment Monitoring,’ and is the concrete manifestation of scientific research achievements conversion into undergraduate teaching.

air pollution; haze; PM2.5; construction of observation platform; conversion of research achievements

2015- 03- 15

國家自然科學(xué)基金重大項目(21190054)；科技部科技支撐項目(2014BAC22B01)；2009年國家實驗教學(xué)示范中心建設(shè)項目(教高函 [2009]28號)

段鳳魁(1973— ),女,山東濰坊,博士,高級工程師，主要從事大氣污染控制、環(huán)境分析化學(xué)科研及教學(xué)工作.

E-mail：duanfk@tsinghua.edu.cn

G64210

A

1002-4956(2015)8- 0016- 03