用數(shù)據(jù)“解碼”大氣污染機(jī)理
——記北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師李歆

本刊記者 杜月嬌

用數(shù)據(jù)“解碼”大氣污染機(jī)理
——記北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師李歆

本刊記者 杜月嬌

沙塵退，霧霾來。這些年，隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國許多地方的空氣污染持續(xù)惡化。有報(bào)告顯示，中國規(guī)模前500位的城市中，只有不到1%的城市達(dá)到世界衛(wèi)生組織推薦的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，與此同時(shí)，世界上污染最嚴(yán)重的10個(gè)城市有7個(gè)在中國。

目前，以霧霾和臭氧污染為特征的大氣復(fù)合污染，受到人們的廣泛關(guān)注，已成為制約我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要問題?？諝馕廴臼窃趺串a(chǎn)生的，怎樣才能有效治理？這些問題，都需要由一門前沿學(xué)科來一一解答，它是大氣環(huán)境化學(xué)的重要研究領(lǐng)域——大氣自由基化學(xué)。

帶著上述問題，記者專訪了該領(lǐng)域的青年專家——北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師李歆。他介紹道：“由于自由基的大氣濃度極低和化學(xué)活性極高，必須采用高精準(zhǔn)、高時(shí)間分辨率的在線測量技術(shù)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拈]合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，才能更好地掌握各類自由基物種的來源和化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，厘清它們在大氣污染形成過程中的具體作用?！?/p>

從未改變的研究方向

對于李歆來說，探索大氣污染的形成機(jī)理是從未曾改變的科研方向。

17年前，18歲的李歆懷揣夢想考入東湖之濱、珞珈山上的武漢大學(xué)，師從錢沙華教授，通過化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)，完成了環(huán)境科學(xué)的科研啟蒙；2004年至2010年，李歆在北京大學(xué)攻讀碩士和博士研究生期間，師從邵敏教授，開始了大氣污染機(jī)理方面的研究。

悠悠十載，讀書路也是科研路。李歆堅(jiān)定了最初的科研方向，也在心中種下了一個(gè)宏大的夢想——用科研工作為環(huán)境改善做貢獻(xiàn)。

博士畢業(yè)后，李歆在學(xué)校和老師的推薦下，到此前合作過的德國Juelich研究中心對流層研究所進(jìn)行博士后研究。這是一家擁有5000多名科學(xué)家，其中包括1名諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的研究機(jī)構(gòu)。值得一提的是，它擁有目前世界最大的大氣環(huán)境模擬艙（SAPHIR），利用其可以進(jìn)行很多精準(zhǔn)的推演和測算。頂尖的科研環(huán)境、良好的科研氛圍以及認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)，讓李歆受益終身。攻讀研究生期間的交流合作讓他學(xué)會(huì)了如何使用高精尖的設(shè)備測量大氣痕量污染物和應(yīng)用多種數(shù)值分析方法探索大氣污染過程，而之后從事博士后研究，則是讓他在之前的基礎(chǔ)之上，開展大氣污染物在線測量技術(shù)的研發(fā)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探索影響大氣污染形成的關(guān)鍵物種的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

作為大氣污染研究測量的重要途徑，飛艇航測獲取的大氣污染物空間分布的數(shù)據(jù)十分重要。在德國學(xué)習(xí)、工作期間，李歆和他所在的科研團(tuán)隊(duì)曾利用齊柏林飛艇對歐洲典型地區(qū)的大氣自由基、揮發(fā)性有機(jī)物、氮氧化物、臭氧、細(xì)顆粒物等的空間分布進(jìn)行了全面、細(xì)致地測量。在他看來: “測量得到的數(shù)據(jù)對大氣污染機(jī)理的理解具有非常重要的意義。”

完成飛艇航測后，李歆通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了大氣污染形成方面的一些新機(jī)制，他將數(shù)據(jù)及分析得出的結(jié)論寫成論文，最終在Science發(fā)表，得到了廣泛的關(guān)注。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，李歆發(fā)現(xiàn)的這些新機(jī)制，不僅對傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)有一定改進(jìn)，也為后續(xù)分析氧化劑來源起到非常重要的作用。

用于大氣污染走航觀測的齊柏林飛艇

“在國外待了那么久，加之國內(nèi)這一領(lǐng)域的研究發(fā)展正蓬勃向上。我與國內(nèi)幾位老師聯(lián)系后，決定回來。”去年，李歆結(jié)束了6年的海外研究生涯，回到北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，開啟了嶄新的篇章。

回顧過往,總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。在李歆看來，負(fù)笈海外這些年對他影響最大的無疑是對工作方式和科研態(tài)度的錘煉和養(yǎng)成。一方面，德國人認(rèn)真的做事態(tài)度對他影響很深。每天李歆到實(shí)驗(yàn)室都會(huì)先列計(jì)劃，盡量按步驟進(jìn)行、逐條完成，這已經(jīng)成了他的工作習(xí)慣；另一方面，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，尤其是撰寫科研論文的那種“較真兒”勁兒，讓他受益匪淺。李歆形容，那種“較真兒”是容不得一絲模糊的：“數(shù)據(jù)是什么樣子，就是什么樣子，必須有一說一?！崩铎Щ貞?，當(dāng)年在德國寫第一篇科研文章的時(shí)候，被導(dǎo)師要求反復(fù)修改了1年多?！胺磸?fù)推敲，這個(gè)圖應(yīng)該如何畫，這句話應(yīng)該怎樣說。很多時(shí)候，我都覺得改成那樣也差不多了，可以投稿了，他們依舊說再等等。在桌上放兩個(gè)禮拜后，可能因?yàn)槊撾x了慣性思維，反而更容易能發(fā)現(xiàn)新的問題?！?/p>

回頭再看剛開始做科研時(shí)寫的東西，有點(diǎn)‘想當(dāng)然’。其實(shí)，這也是很多剛接觸科研工作的學(xué)生寫文章的通病?，F(xiàn)在，我經(jīng)常對學(xué)生說——用數(shù)據(jù)說話。分析撰寫文章的過程中，如何通過精確的數(shù)據(jù)得出結(jié)論，一定要嚴(yán)格對待?！苯?jīng)過積累已經(jīng)成為導(dǎo)師的李歆把當(dāng)年學(xué)到的這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度也帶入到教學(xué)中，希望通過自己的言傳身教，把這種腳踏實(shí)地、精益求精的科研作風(fēng)傳導(dǎo)給他的學(xué)生、傳遞到他的團(tuán)隊(duì)。

其實(shí)，在李歆專注的一個(gè)方向——科研器件設(shè)備的研發(fā)方面，也體現(xiàn)了他的這種精益求精的作風(fēng)。對于這些承擔(dān)重大使命的科研儀器，李歆提出兩個(gè)要求——自動(dòng)化程度更高、體積更小、測量結(jié)果更加精準(zhǔn)。他解釋：“因?yàn)榇髿馕廴镜倪^程不僅在近地面發(fā)生，也在高空發(fā)生。它們之間有傳輸過程。而高空的大氣污染研究，在國內(nèi)還處于起步階段。所以，我們就希望把設(shè)備做得自動(dòng)化程度更高、體積更小，這樣，不僅可以實(shí)現(xiàn)在各個(gè)站點(diǎn)固定監(jiān)測、自動(dòng)收集傳輸數(shù)據(jù)，還能裝載在無人機(jī)等設(shè)備上，讓它可以實(shí)現(xiàn)立體觀測，從地面向高空發(fā)展?！?/p>

大氣污染經(jīng)歷了復(fù)雜的過程

“氣態(tài)一次污染物（如氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物）經(jīng)排放進(jìn)入大氣后，通過復(fù)雜的大氣氧化過程，最終導(dǎo)致臭氧生成和細(xì)顆粒物的增長。因此，氣態(tài)一次污染物在大氣中的二次轉(zhuǎn)化過程是大氣復(fù)合污染形成的關(guān)鍵?！币?yàn)橛卸嗄陱氖麓髿庋趸虚g態(tài)物種及大氣化學(xué)行為研究的經(jīng)驗(yàn)，李歆對大氣污染的看法可謂一針見血。

“可以這樣理解：自由基就是大氣污染中的氧化劑，污染物排放后會(huì)與它發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的污染物。目前，雖然對一次排放和二次污染最終產(chǎn)物的研究已進(jìn)行得比較深入，并取得了系列成果能夠較好地服務(wù)于大氣污染防控，但是，對于二次污染形成的化學(xué)過程研究目前還較為缺乏，一定程度上制約了大氣污染的精細(xì)化治理?！?/p>

在法律和政策層面，中國應(yīng)當(dāng)盡快出臺(tái)反制裁政策，減少美國制裁對中國企業(yè)的影響，在此問題上可以參考?xì)W盟的做法。美國退出《伊朗核協(xié)議》之后，2018年8月6日，歐盟將1996年《反制裁法案》（Blocking Statute）修訂后重啟，限制美國域外制裁政策在歐盟的效果，保護(hù)歐盟企業(yè)的合法權(quán)益，要求歐洲公司面對美國制裁不得遵守美國制裁政策，在歐盟管轄范圍內(nèi)不認(rèn)可任何美國法院或機(jī)構(gòu)的域外管轄制裁的效果，規(guī)定因美國域外管轄權(quán)實(shí)施制裁導(dǎo)致的歐盟受損企業(yè)，可以向相關(guān)個(gè)人或機(jī)構(gòu)要求賠償（可以直接在歐盟起訴美國政府）[31，32]。

李歆告訴記者，“好的做法是先把機(jī)理研究清楚。有了準(zhǔn)確的機(jī)理后，就可以通過模型分析，在一定的氣象條件下，改變一個(gè)物種對后續(xù)有哪些影響。測自由基不容易的時(shí)候，我們就來測大氣氧化中間態(tài)物種。通過跟蹤它的變化，對這些中間態(tài)物種的來源和去除途徑進(jìn)行研究，來檢測我們的機(jī)理是否準(zhǔn)確。最終，這些數(shù)據(jù)將有助于我們準(zhǔn)確把握各類污染物和各種化學(xué)過程對大氣污染形成的貢獻(xiàn)，能驗(yàn)證、改進(jìn)和完善已有的大氣污染形成機(jī)制?！?/p>

“大氣氧化中間態(tài)物種比較典型、濃度比較高的，是我們重點(diǎn)跟蹤監(jiān)測的?！币虼耍铎п槍兹?、乙二醛、氣態(tài)亞硝酸等典型大氣氧化中間態(tài)物種進(jìn)行追蹤。一方面，對其測量技術(shù)進(jìn)行研發(fā)、改進(jìn)和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的在線測量，以滿足研究需要；另一方面，通過煙霧箱和流動(dòng)管實(shí)驗(yàn)以及外場觀測，結(jié)合模型模擬，定量研究它們的來源和去除過程，探討它們在大氣污染形成中的作用。這些研究如今均取得了可喜的成果。

“基于外場觀測數(shù)據(jù)，來調(diào)整研究機(jī)理，讓這個(gè)機(jī)理更加完善，也是對大氣模型的重要補(bǔ)充?！崩铎дf。

解密大氣污染的形成

近年來，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)顯示，我國的京津冀、珠三角和長三角地區(qū)已成為全球甲醛和乙二醛濃度分布的熱點(diǎn)地區(qū)。然而，國內(nèi)針對甲醛、乙二醛等氧化中間態(tài)物種大氣化學(xué)作用的研究尚未系統(tǒng)展開，除獲取大氣濃度水平外，僅有部分工作量化了它們的來源、探討了它們對臭氧和細(xì)顆粒物生成的貢獻(xiàn)。而且，研究區(qū)域基本圍繞北京和珠三角地區(qū)。

“相比京津冀和珠三角，長三角地區(qū)呈現(xiàn)高濃度甲醛和乙二醛的區(qū)域范圍都更廣。與之對應(yīng)的是，自2010年以來，在長三角地區(qū)一次污染物逐年下降的同時(shí)，以臭氧和細(xì)顆粒物為表征的二次污染開始凸顯，需要一系列針對區(qū)域大氣氧化性（自由基化學(xué)）的表征和機(jī)制研究來為二次污染的緩解提供科學(xué)依據(jù)。”李歆解釋，這也是為什么他將長三角地區(qū)作為重點(diǎn)觀測區(qū)域的原因。

2016年8月，剛從德國回來的李歆提出了他的想法，并以“基于大氣氧化中間態(tài)物種的大氣HOx自由基來源和活性研究”申請了自然科學(xué)基金項(xiàng)目。

“目前，圍繞大氣HOx自由基循環(huán)機(jī)制的研究結(jié)果，尚存在一定不確定性，特別是在‘OH自由基非傳統(tǒng)再生機(jī)制’研究方面，還缺乏相應(yīng)的具體化學(xué)機(jī)理來全面合理地描述外場觀測現(xiàn)象?！崩铎дJ(rèn)為，當(dāng)前以針對HOx自由基本身開展的閉合實(shí)驗(yàn)研究已遇到瓶頸，需要轉(zhuǎn)變研究思路、開發(fā)新的研究方法，從而實(shí)現(xiàn)突破。

2016年在維也納參加歐洲地球物理學(xué)會(huì)年會(huì)

“這種表征方法的建立，將有助于利用地基或星載遙感數(shù)據(jù)，在垂直方向、區(qū)域或全球尺度開展大氣OH自由基的活性演變研究，探討其對區(qū)域大氣污染形成的作用?！崩铎Ы榻B。

目前，這類工作在國內(nèi)外均未曾系統(tǒng)開展。李歆和他的團(tuán)隊(duì)會(huì)希望可以研究成果解密大氣污染的復(fù)雜形成過程。

深耕大氣污染物垂直分布領(lǐng)域

研究污染物在大氣中的垂直分布，對于了解污染物的來源、生成和去除過程，從區(qū)域尺度探討大氣污染的形成機(jī)制，具有重要意義。

自20世紀(jì)80年代以來，國際眾多大氣化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將探索不同大氣污染物的垂直分布情況及其成因納入他們的重點(diǎn)關(guān)注范圍，進(jìn)而開發(fā)出多種測量工具、研究平臺(tái)和研究方法，推進(jìn)了該研究領(lǐng)域的發(fā)展。近年來，美國和歐洲的研究團(tuán)隊(duì)又組織了多個(gè)大型研究項(xiàng)目，采用多種先進(jìn)儀器，開展大氣污染物的立體觀測，以深入研究空氣污染與氣候變化之間的關(guān)系。

與國際一流的大氣化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)相比，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在大氣污染物垂直分布的研究方面，力量相對薄弱。一方面，其現(xiàn)有的儀器設(shè)備基本以服務(wù)地面觀測為主，缺乏相應(yīng)的污染物垂直分布觀測手段。另一方面，由于缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐，在探討污染物垂直分布與大氣復(fù)合污染形成之間的關(guān)系時(shí)，研究難以深入。

對此，李歆準(zhǔn)備根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)和工作基礎(chǔ)，在北大建立若干套MAX-DOAS自動(dòng)觀測系統(tǒng)，將其對大氣氣溶膠、臭氧、二氧化氮、氣態(tài)亞硝酸、甲醛和乙二醛的垂直分布測量納入北大現(xiàn)有的空氣質(zhì)量常規(guī)觀測項(xiàng)目，進(jìn)而從污染物的空間分布研究、衛(wèi)星觀測結(jié)果的驗(yàn)證、空氣質(zhì)量模型的數(shù)據(jù)同化等3方面開展其具體應(yīng)用。

此外，他還打算依托現(xiàn)有的研究合作關(guān)系與基礎(chǔ)，籌劃建立北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院與德國海德堡大學(xué)大氣物理系（IUP Heidelberg）在大氣監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)和大氣污染的實(shí)驗(yàn)室模擬方面的合作關(guān)系；協(xié)助鞏固與德國Jülich研究中心能源與氣候研究所對流層分所（IEK-8 FZJ）和德國馬譜化學(xué)所（MPIC）的現(xiàn)有穩(wěn)定合作關(guān)系；開展科研協(xié)作與學(xué)生聯(lián)合培養(yǎng)，協(xié)助相關(guān)人員到上述機(jī)構(gòu)國際交流。

談及近期的科研工作目標(biāo)，李歆笑道：“持續(xù)鞏固北京大學(xué)在大氣污染觀測和研究領(lǐng)域的國內(nèi)領(lǐng)先地位。”眼前這位35歲的青年科學(xué)家，笑容明媚如暖陽，帶著他的光榮與夢想，在用數(shù)據(jù)“解碼”大氣污染機(jī)理的科研之路上，綻放出別樣的精彩。

科普鏈接：

氣態(tài)亞硝酸的測量及大氣化學(xué)行為研究：

作為大氣污染物清潔劑OH自由基的重要前體物之一，氣態(tài)亞硝酸自20世紀(jì)70年代以來已成為各國際研究小組的重點(diǎn)研究對象。在李歆的系列研究中，不僅改進(jìn)了已有的基于長光程光度法的在線測量儀器（LOPAP），提升了其對氣態(tài)亞硝酸測量的靈敏度和穩(wěn)定性；還首次在國內(nèi)對影響氣態(tài)亞硝酸生成和去除的所有重要物種進(jìn)行了同步測量，準(zhǔn)確量化了國際上所普遍關(guān)注的氣態(tài)亞硝酸在日間的未知來源，并確定了此來源的可能途徑。

多軸式差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)的數(shù)據(jù)反演方法的建立：

多軸式差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)（MAX-DOAS）是目前國際上廣泛使用的一種大氣污染物遙感測量技術(shù)。李歆建立了一套數(shù)據(jù)反演方法，不僅豐富了已有的MAX-DOAS數(shù)據(jù)處理手段，還有助于實(shí)現(xiàn)MAX-DOAS對大氣污染物垂直分布的自動(dòng)在線測量。此方法自建立起，即受到包括DOAS創(chuàng)始人Ulich Platt教授在內(nèi)的眾多領(lǐng)域?qū)＜覀兊馁澷p，目前已被多個(gè)國際國內(nèi)研究小組所使用。

甲醛和乙二醛的大氣化學(xué)行為研究：

作為大氣臭氧和二次有機(jī)氣溶膠形成的重要中間物種，甲醛和乙二醛的測量和源匯研究已成為目前國際大氣污染研究的熱點(diǎn)之一。李歆首次在國內(nèi)應(yīng)用 MAX-DOAS 對重點(diǎn)污染地區(qū)的大氣甲醛和乙二醛的垂直分布進(jìn)行了在線測量。

專家簡介：李歆，北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師。主要從事大氣氧化中間態(tài)物種的測量及環(huán)境效應(yīng)研究。作為主要人員參與了我國科技部、基金委、德國自然基金、歐盟“框架7”計(jì)劃資助下的多項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目。主持和參與了多種針對大氣自由基和活性含氮含氧化合物的測量比對工作。在大氣污染物在線測量技術(shù)研發(fā)以及大氣綜合外場觀測和大型煙霧箱實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、組織和實(shí)施方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。圍繞典型大氣氧化中間態(tài)物種——?dú)鈶B(tài)亞硝酸、甲醛和乙二醛，在其測量技術(shù)、源匯識(shí)別、大氣化學(xué)作用的研究方面取得了系列創(chuàng)新性成果，包括主持搭建基于腔增強(qiáng)吸收光譜法和長光程光度法的氣態(tài)亞硝酸在線測量設(shè)備；建立了基于被動(dòng)式差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)的大氣氣溶膠和反應(yīng)性氣體遙感測量方法；首次對我國典型污染地區(qū)大氣甲醛和乙二醛的收支進(jìn)行了全面分析，為利用大氣氧化中間態(tài)物種開展區(qū)域大氣污染形成機(jī)制的過程研究奠定了一定基礎(chǔ)；提出了氣態(tài)亞硝酸日間來源的新機(jī)制，有助于合理評估其對大氣自由基收支的影響。在Science（2篇）、Nature GeoScience（2篇）、Atmospheric Chemistry and Physics、Atmospheric Measurement Techniques等國際刊物上發(fā)表論文近30篇。