追根溯源 重尋藍天
——記中國環境科學研究院研究員、氣溶膠研究室主任高健

本刊記者　范國軒

高健作報告

他在山東大學完成了從本科到碩士再到博士的學習，十幾年來，他一直致力于大氣顆粒物污染機制及成因、顆粒物綜合源解析、新型大氣觀測技術研發應用等大氣環境領域的科學研究。

他基于顆粒物組分在線測量技術及單顆粒飛行質譜測量技術，他建立了可滿足實時動態需求的高時間分辨率顆粒物來源解析模型方法，實現了PM2.5污染來源的實時動態解析。該技術在多次重大活動的空氣質量保障中得以應用，并在京津冀及周邊地區實現區域聯網，可動態識別不同行業、一次排放和二次成分對重污染過程中顆粒物的貢獻。

從事科研多年來，他先后承擔了多項國家和省部級課題，包括環保公益項目、國家自然科學基金重點項目、面上項目、國家科技支撐項目等，研究成果已在全國幾十個城市開展應用，發表研究論文近百篇，獲得多項國家發明專利。

他叫高健，中國環境科學研究院大氣環境研究所研究員，氣溶膠污染機理與控制研究室主任。努力實現大氣污染溯源動態化、精細化和精準化，夢想讓每一次污染過程可精確追因溯源。

創新顆粒物實時動態來源解析技術

隨著我國經濟的快速發展和能源消耗的不斷增長，大量污染物被集中排放到大氣環境中，造成嚴重的大氣污染問題。近10年來，大氣能見度惡化、灰霾天數增多、大范圍重污染天氣頻發，以細顆粒物為首要污染物的大氣環境問題對人體健康和生態環境安全的影響日益凸顯。

高健，畢業于山東大學環境研究院，從2002年開始就致力于大氣顆粒物污染機理的相關研究。2008年奧運會的成功舉辦，給全世界留下了美好的藍天印象，也給高健和他的團隊參與空氣質量保障及針對污染過程開展快速溯源研究提供了良好機遇。2012年以后，空氣質量越來越受到大眾關注，PM2.5等指標納入大氣環境質量監測和評價，高健和他的團隊開始參與全國范圍內的空氣質量數據分析及污染過程觀測研究，并逐漸嘗試利用在線測量方法開展污染過程的追因溯源。

隨著重污染天氣越來越多，溯源的時效性和精準性要求逐漸提高，高健及其團隊的壓力也越來越大。從2010年以來，每年秋冬季的重污染天氣過程似乎成為常客。但是，每次重污染過程的形成機理不同，且不同城市、不同時間段出現的污染差別也很大。如一次重污染天氣過程，有的能持續一周，有的三四天，有的一兩天，每次過程從開始、發展，到峰值，直到消亡，其污染物來源都是動態變化的。控制污染過程，解析污染來源是一個極其重要的工作，否則控制什么、如何控制都將無從談起。

對顆粒物污染的來源解析研究，20世紀80年代就已開展。經典的顆粒物源解析方法主要是基于手工顆粒物采樣、離線組分分析，得出結果再進行數學模型解析。經典解析方法周期較長，有時候要等數月甚至1年以上，這主要是由解析的方法和工具決定的。較長的分析周期，在重污染過程發生時，很難及時給出解析結果，難以滿足決策者的應急污染防控需求。這也對大氣顆粒物源解析方法的科學研究提出了新的挑戰。

面對新的技術難題，高健帶領他的團隊與國內外多個團隊合作，開始尋找新的解決方案，基于單顆粒飛行時間質譜的大氣顆粒物實時源解析方法應運而生。這是一種基于單顆粒質譜的大氣顆粒物實時源解析方法，可以較好地彌補經典源解析采樣程序繁瑣、分析成本高、時間分辨率低等缺點。這一技術解決了無法針對重污染過程顆粒物來源進行快速識別、動態解析的瓶頸，可以在提供有較高準確性和精細化的顆粒物來源解析結果的同時，極大程度上縮短源解析分析周期，解析結果的時間分辨率達到小時級別。

高健是這一專利技術的主要發明人。他說，“該專利作為基礎型專利，應用于大氣顆粒物快速動態源解析技術領域，部分解決了目前不能快速識別大氣顆粒物來源的問題，可為重污染過程及時溯源及快速應對提供技術支持，同時由于該技術的解析過程快速高效、可操作性強、總體運行成本低，具有較高的實用價值”。

目前，該專利技術及依托該專利技術的儀器已經于國內廣泛使用，與該專利技術互為依托的分析儀器目前主要為廣州禾信儀器股份有限公司的在線單顆粒氣溶膠質譜儀和PM2.5在線源解析系統。該儀器目前占國產單顆粒氣溶膠質譜儀市場份額90%以上，該產品入選國家重點新產品，是目前技術含量較高的國產商品化環境科學儀器，也是完全自主知識產權并實現商品化的國產質譜儀器，目前已在國內50余家環境監測部門、大型環保企業、科研院所等應用，累計銷售超過2億元。單顆粒質譜大氣顆粒物實時源解析方法的衍生產品在在線動態大氣顆粒物來源解析、快速確定空氣污染成分等領域也發揮了極其重要的作用，并為我國城市空氣質量達標、顆粒物污染防治工作提供技術支持。

近年來，該技術已經在重污染應急、重大活動保障等大氣顆粒物污染防治工作中得到了廣泛的應用，如在北京APEC會議、世界反法西斯勝利70周年閱兵、京張冬奧會申辦、南京青奧會、廣州亞運會、杭州G20、廈門金磚國家會議等重大社會活動空氣質量保障工作中發揮重要作用。此外，該技術還應用于東方紅2號海洋大氣黃渤海科考研究，并在粵北地區重大血鉛事故的污染源解析中發揮了關鍵作用。

京津冀20余個城市實現實時在線源解析

源解析是大氣污染防治的關鍵技術支撐之一。但是，從目前的研究來看，單一的方法很難滿足現實管理中面臨的復雜需求。因此，除基于單顆粒飛行時間質譜的動態源解析方法外，高健和他的團隊以及合作者們又相繼開發了幾條技術路線：一是利用在線顆粒物組分測量數據開展動態解析，就是用多種顆粒物組分分析儀器進行在線監測，測量顆粒物的組分，最后集成到一起進行模型解析。這條路線對設備要求高，但是解析精度高，源類貢獻的定量效果好。二是運用空氣質量模型模擬污染物的擴散和轉化過程，解析污染源怎么擴散、如何轉化，它可以將排放源細化分類，量化各類污染源貢獻，并評估出地區間的相互影響，這條技術路線的空間概念很強，但是要求排放源清單必須準確。

3條技術路線各有特點，互相補充，對大氣顆粒物污染治理起到了重要作用。2014年，高健承擔了原環保部公益性行業專項項目“京津冀區域城市大氣細顆粒物實時源解析技術研究與應用”，項目協作單位包括暨南大學、南開大學、北京市環境保護監測中心、北京工業大學等。項目總體目標是滿足京津冀地區顆粒物污染控制工作中針對重污染過程進行快速反應并動態調控的需求，以北京、天津、石家莊等重點城市為研究對象，利用依托典型城市綜合觀測站和城市背景點的離線、在線及單顆粒飛行時間質譜等多種測量方法，掌握全樣品及單顆粒物理化特征；通過攻克利用單顆粒物數據對不同類別顆粒物分型及混合特征定性的分析方法、顆粒物在線組分與單顆粒測量結果量化關系、滿足實時動態源解析的模型算法等關鍵技術，建立顆粒物實時動態來源解析方法；利用顆粒物實時動態源解析算法識別主要污染源類，并進一步定量計算不同源類對顆粒物的貢獻，建立污染過程中污染源對顆粒物貢獻的時間序列，實現顆粒物污染過程發生、發展、維持、消散等各階段中不同途徑、不同污染源的定量動態評估；通過集成多成分測量和動態源解析算法，形成顆粒物實時源解析原型系統，并針對城市污染過程進行示范應用，為城市顆粒物污染控制及城市空氣質量達標工作提供基礎支撐技術。

3年的科研實踐過程中，研究團隊主要取得了3個方面的創新成果：一是在京津冀地區的典型城市，在同一時段提供基于單顆粒飛行時間質譜、單顆粒掃描電鏡—能譜分析、顆粒物在線組分分析、膜采樣全成分分析數據的顆粒物來源解析結果，通過綜合對比驗證，大幅提高在線分析方法對顆粒物組分和來源的識別精度；二是建立基于滿足實時需求的顆粒物動態源解析受體模型，實現PM2.5的實時動態源解析，并提出不同源解析技術手段適用范圍及解析結果不確定性分析；三是分別利用基于較完整單顆粒質譜源解析、基于在線顆粒物組分的源解析、基于空氣質量模型的源解析，與經典源解析方法進行多維對比，實現“動態”源解析方法的性能驗證。

“京津冀區域城市大氣細顆粒物實時源解析技術研究與應用”項目，在原環保部組織的結題驗收中獲得了優秀的成績。其主要研究成果有3項，一是建立實時動態源解析實現技術途徑，首次建立了顆粒物實時動態源解析實現的技術途徑，即利用單顆粒質譜法、在線顆粒物組分數據加受體模型解析法、WRF-CAMx-PSAT模型法三種技術來實現顆粒物的實時動態來源解析，通過對不同技術的研究及結果比對，確定了每種方法的實現途徑和適用范圍，為下一步實時動態源解析的相關研究工作打下了良好的基礎；二是建立實時動態源解析配套技術文件：結合不同顆粒物實時源解析實現的技術途徑，該項目編寫了包括“大氣顆粒物實時動態來源解析技術指南”在內的6份技術文件，補充了相關領域環保技術規范指南的空白。成功申請了4項顆粒物實時源解析相關的發明專利和1項軟件著作權，這些技術性文件進一步規范了各種顆粒物實時動態來源解析的技術方法，使得解析結果更加科學、合理、準確；三是建立京津冀顆粒物組分網及其數據管理與分析平臺：與環保部顆粒物組分監測網項目相結合，共同建立了京津冀顆粒物組分網及其數據管理與分析平臺，2016年11月15日起，以京津冀及周邊區域為重點，在關鍵傳輸通道城市設置了17個顆粒物在線組分監測站、12個單顆粒質譜在線源解析站和31個氣溶膠雷達站，并全部實現聯網，分別開展顆粒物化學組分、單顆粒以及氣溶膠雷達數據的觀測分析。截至2017年5月19日，組分網數據已為重污染天氣的應急管理提供了200余份報告。今天，顆粒物組分網仍在使用且規模逐步擴展至京津冀“2+26”個城市，組分網所有站點的數據上傳、分析及報告提交已實現準業務化運行，遇重污染時段隨時開展數據分析并向生態環境部提交相應報告。

全力以赴讓每次重污染過程皆可追溯

中國環境科學研究院成立于1978年12月，隸屬中華人民共和國生態環境部。作為國家級社會公益非營利性環境保護科研機構，中國環境科學研究院圍繞國家可持續發展戰略，開展創新性、基礎性重大環境保護科學研究，致力于為國家經濟社會發展和環境決策提供戰略性、前瞻性和全局性的科技支撐，服務于經濟社會發展中重大環境問題的工程技術與咨詢需要，為國家可持續發展戰略和環境保護事業發揮了重要作用。

團隊合影

高健在香港理工大學完成項目研究，并于山東大學博士畢業后，便來到中國環境科學研究院做博士后研究，之后留院工作近10個年頭。如今，團隊有1名研究室主任，1名首席科學家，7名固定的研究人員，研究生、博士生、博士后等成員8名。他們的核心工作包括3部分：顆粒物源解析技術方法研究與應用，這是團隊研究工作的核心；大氣顆粒物污染的生成轉化機制機理等基礎研究，這是團隊持續創新的源泉和動力；大氣污染物測量新技術、新方法的應用研究，為精細化開展源解析研究提供可能的新途徑。為了實現顆粒物源解析的進一步精細化，進一步與污染防治工作深入結合，高健及其團隊也在積極挖掘更多大氣環境測量技術的應用場景，嘗試將更多技術引入顆粒物源解析研究領域，豐富和完善大氣污染物溯源技術體系。如利用傳感器技術，網格化覆蓋一個城市，可以做到全范圍無死角監測，精確到某一個區域的污染源，也可以運用各種監測載體，在出租車、民用車、無人機等平臺上加載顆粒物和氣體檢測器，開展路網排放、機動車排放、道路揚塵等的精細化監測溯源。

為城市顆粒物污染治理找到源、找準源，是高健和他的團隊致力于解決的問題。他們要將一個城市的顆粒物來源進行細分，找到源頭在哪里，明確如何管理，指導如何落實。高健帶領的大氣環境研究所“顆粒物源解析”技術團隊多年來致力于大氣顆粒物污染機制及成因、單顆粒物物化特征、顆粒物綜合源解析等大氣環境領域的科學研究，先后承擔并完成了多項國家和省部級課題，包括環保公益項目、國家自然科學基金重點項目、面上項目、國家科技支撐項目等。目前研究成果已在全國數十個城市開展應用，并獲得多項國家發明專利，在多項重大社會活動空氣質量保障工作中發揮重要作用。

由于任務繁重，實驗室的研究人員和研究生往往是一個人承擔好幾個人的工作，大家很少有休息的時間。為了更好地推進研究，他們每周都要開組會，總結上一周的工作，布置新一周的研究任務。每兩周，研究室成員都要完成必須整理的文獻，精讀2～3篇外文文獻，收集相關的前沿資料，寫出閱讀筆記。通過這樣的訓練，不僅提升了每一個人的科研能力，而且幫助大家找準方向、深入研究，使大氣環境污染治理的研究不僅有了源頭活水，還能源遠流長。

當記者問起高健的業余愛好，他竟然答不上來。堅持很多年的跑步，也因工作的繁忙而中斷了很久。他和團隊希望用3～5年時間，建成一個技術體系，支撐生態環境部掌握我國重點區域顆粒物控制的主要方向；另一方面，幫助城市完成顆粒物來源解析工作，在每一個細分行業上，定量、半定量地找到精細化的來源，實現精細化管控措施的精準落地。