追根溯源 重尋藍(lán)天
——記中國環(huán)境科學(xué)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(xué)完成了從本科到碩士再到博士的學(xué)習(xí)，十幾年來，他一直致力于大氣顆粒物污染機(jī)制及成因、顆粒物綜合源解析、新型大氣觀測技術(shù)研發(fā)應(yīng)用等大氣環(huán)境領(lǐng)域的科學(xué)研究。

他基于顆粒物組分在線測量技術(shù)及單顆粒飛行質(zhì)譜測量技術(shù)，他建立了可滿足實時動態(tài)需求的高時間分辨率顆粒物來源解析模型方法，實現(xiàn)了PM2.5污染來源的實時動態(tài)解析。該技術(shù)在多次重大活動的空氣質(zhì)量保障中得以應(yīng)用，并在京津冀及周邊地區(qū)實現(xiàn)區(qū)域聯(lián)網(wǎng)，可動態(tài)識別不同行業(yè)、一次排放和二次成分對重污染過程中顆粒物的貢獻(xiàn)。

從事科研多年來，他先后承擔(dān)了多項國家和省部級課題，包括環(huán)保公益項目、國家自然科學(xué)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(yīng)用，發(fā)表研究論文近百篇，獲得多項國家發(fā)明專利。

他叫高健，中國環(huán)境科學(xué)研究院大氣環(huán)境研究所研究員，氣溶膠污染機(jī)理與控制研究室主任。努力實現(xiàn)大氣污染溯源動態(tài)化、精細(xì)化和精準(zhǔn)化，夢想讓每一次污染過程可精確追因溯源。

創(chuàng)新顆粒物實時動態(tài)來源解析技術(shù)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)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(huán)境中，造成嚴(yán)重的大氣污染問題。近10年來，大氣能見度惡化、灰霾天數(shù)增多、大范圍重污染天氣頻發(fā)，以細(xì)顆粒物為首要污染物的大氣環(huán)境問題對人體健康和生態(tài)環(huán)境安全的影響日益凸顯。

高健，畢業(yè)于山東大學(xué)環(huán)境研究院，從2002年開始就致力于大氣顆粒物污染機(jī)理的相關(guān)研究。2008年奧運(yùn)會的成功舉辦，給全世界留下了美好的藍(lán)天印象，也給高健和他的團(tuán)隊參與空氣質(zhì)量保障及針對污染過程開展快速溯源研究提供了良好機(jī)遇。2012年以后，空氣質(zhì)量越來越受到大眾關(guān)注，PM2.5等指標(biāo)納入大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和評價，高健和他的團(tuán)隊開始參與全國范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)分析及污染過程觀測研究，并逐漸嘗試?yán)迷诰€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(zhǔn)性要求逐漸提高，高健及其團(tuán)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(jī)理不同，且不同城市、不同時間段出現(xiàn)的污染差別也很大。如一次重污染天氣過程，有的能持續(xù)一周，有的三四天，有的一兩天，每次過程從開始、發(fā)展，到峰值，直到消亡，其污染物來源都是動態(tài)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(jì)80年代就已開展。經(jīng)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(jié)果再進(jìn)行數(shù)學(xué)模型解析。經(jīng)典解析方法周期較長，有時候要等數(shù)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(fā)生時，很難及時給出解析結(jié)果，難以滿足決策者的應(yīng)急污染防控需求。這也對大氣顆粒物源解析方法的科學(xué)研究提出了新的挑戰(zhàn)。

面對新的技術(shù)難題，高健帶領(lǐng)他的團(tuán)隊與國內(nèi)外多個團(tuán)隊合作，開始尋找新的解決方案，基于單顆粒飛行時間質(zhì)譜的大氣顆粒物實時源解析方法應(yīng)運(yùn)而生。這是一種基于單顆粒質(zhì)譜的大氣顆粒物實時源解析方法，可以較好地彌補(bǔ)經(jīng)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(shù)解決了無法針對重污染過程顆粒物來源進(jìn)行快速識別、動態(tài)解析的瓶頸，可以在提供有較高準(zhǔn)確性和精細(xì)化的顆粒物來源解析結(jié)果的同時，極大程度上縮短源解析分析周期，解析結(jié)果的時間分辨率達(dá)到小時級別。

高健是這一專利技術(shù)的主要發(fā)明人。他說，“該專利作為基礎(chǔ)型專利，應(yīng)用于大氣顆粒物快速動態(tài)源解析技術(shù)領(lǐng)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(yīng)對提供技術(shù)支持，同時由于該技術(shù)的解析過程快速高效、可操作性強(qiáng)、總體運(yùn)行成本低，具有較高的實用價值”。

目前，該專利技術(shù)及依托該專利技術(shù)的儀器已經(jīng)于國內(nèi)廣泛使用，與該專利技術(shù)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(zhì)譜儀和PM2.5在線源解析系統(tǒng)。該儀器目前占國產(chǎn)單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀市場份額90%以上，該產(chǎn)品入選國家重點新產(chǎn)品，是目前技術(shù)含量較高的國產(chǎn)商品化環(huán)境科學(xué)儀器，也是完全自主知識產(chǎn)權(quán)并實現(xiàn)商品化的國產(chǎn)質(zhì)譜儀器，目前已在國內(nèi)50余家環(huán)境監(jiān)測部門、大型環(huán)保企業(yè)、科研院所等應(yīng)用，累計銷售超過2億元。單顆粒質(zhì)譜大氣顆粒物實時源解析方法的衍生產(chǎn)品在在線動態(tài)大氣顆粒物來源解析、快速確定空氣污染成分等領(lǐng)域也發(fā)揮了極其重要的作用，并為我國城市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)、顆粒物污染防治工作提供技術(shù)支持。

近年來，該技術(shù)已經(jīng)在重污染應(yīng)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(yīng)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(yùn)會、杭州G20、廈門金磚國家會議等重大社會活動空氣質(zhì)量保障工作中發(fā)揮重要作用。此外，該技術(shù)還應(yīng)用于東方紅2號海洋大氣黃渤海科考研究，并在粵北地區(qū)重大血鉛事故的污染源解析中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

京津冀20余個城市實現(xiàn)實時在線源解析

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

3條技術(shù)路線各有特點，互相補(bǔ)充，對大氣顆粒物污染治理起到了重要作用。2014年，高健承擔(dān)了原環(huán)保部公益性行業(yè)專項項目“京津冀區(qū)域城市大氣細(xì)顆粒物實時源解析技術(shù)研究與應(yīng)用”，項目協(xié)作單位包括暨南大學(xué)、南開大學(xué)、北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心、北京工業(yè)大學(xué)等。項目總體目標(biāo)是滿足京津冀地區(qū)顆粒物污染控制工作中針對重污染過程進(jìn)行快速反應(yīng)并動態(tài)調(diào)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(zhì)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(shù)據(jù)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(jié)果量化關(guān)系、滿足實時動態(tài)源解析的模型算法等關(guān)鍵技術(shù)，建立顆粒物實時動態(tài)來源解析方法；利用顆粒物實時動態(tài)源解析算法識別主要污染源類，并進(jìn)一步定量計算不同源類對顆粒物的貢獻(xiàn)，建立污染過程中污染源對顆粒物貢獻(xiàn)的時間序列，實現(xiàn)顆粒物污染過程發(fā)生、發(fā)展、維持、消散等各階段中不同途徑、不同污染源的定量動態(tài)評估；通過集成多成分測量和動態(tài)源解析算法，形成顆粒物實時源解析原型系統(tǒng)，并針對城市污染過程進(jìn)行示范應(yīng)用，為城市顆粒物污染控制及城市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)工作提供基礎(chǔ)支撐技術(shù)。

3年的科研實踐過程中，研究團(tuán)隊主要取得了3個方面的創(chuàng)新成果：一是在京津冀地區(qū)的典型城市，在同一時段提供基于單顆粒飛行時間質(zhì)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(shù)據(jù)的顆粒物來源解析結(jié)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(tài)源解析受體模型，實現(xiàn)PM2.5的實時動態(tài)源解析，并提出不同源解析技術(shù)手段適用范圍及解析結(jié)果不確定性分析；三是分別利用基于較完整單顆粒質(zhì)譜源解析、基于在線顆粒物組分的源解析、基于空氣質(zhì)量模型的源解析，與經(jīng)典源解析方法進(jìn)行多維對比，實現(xiàn)“動態(tài)”源解析方法的性能驗證。

“京津冀區(qū)域城市大氣細(xì)顆粒物實時源解析技術(shù)研究與應(yīng)用”項目，在原環(huán)保部組織的結(jié)題驗收中獲得了優(yōu)秀的成績。其主要研究成果有3項，一是建立實時動態(tài)源解析實現(xiàn)技術(shù)途徑，首次建立了顆粒物實時動態(tài)源解析實現(xiàn)的技術(shù)途徑，即利用單顆粒質(zhì)譜法、在線顆粒物組分?jǐn)?shù)據(jù)加受體模型解析法、WRF-CAMx-PSAT模型法三種技術(shù)來實現(xiàn)顆粒物的實時動態(tài)來源解析，通過對不同技術(shù)的研究及結(jié)果比對，確定了每種方法的實現(xiàn)途徑和適用范圍，為下一步實時動態(tài)源解析的相關(guān)研究工作打下了良好的基礎(chǔ)；二是建立實時動態(tài)源解析配套技術(shù)文件：結(jié)合不同顆粒物實時源解析實現(xiàn)的技術(shù)途徑，該項目編寫了包括“大氣顆粒物實時動態(tài)來源解析技術(shù)指南”在內(nèi)的6份技術(shù)文件，補(bǔ)充了相關(guān)領(lǐng)域環(huán)保技術(shù)規(guī)范指南的空白。成功申請了4項顆粒物實時源解析相關(guān)的發(fā)明專利和1項軟件著作權(quán)，這些技術(shù)性文件進(jìn)一步規(guī)范了各種顆粒物實時動態(tài)來源解析的技術(shù)方法，使得解析結(jié)果更加科學(xué)、合理、準(zhǔn)確；三是建立京津冀顆粒物組分網(wǎng)及其數(shù)據(jù)管理與分析平臺：與環(huán)保部顆粒物組分監(jiān)測網(wǎng)項目相結(jié)合，共同建立了京津冀顆粒物組分網(wǎng)及其數(shù)據(jù)管理與分析平臺，2016年11月15日起，以京津冀及周邊區(qū)域為重點，在關(guān)鍵傳輸通道城市設(shè)置了17個顆粒物在線組分監(jiān)測站、12個單顆粒質(zhì)譜在線源解析站和31個氣溶膠雷達(dá)站，并全部實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，分別開展顆粒物化學(xué)組分、單顆粒以及氣溶膠雷達(dá)數(shù)據(jù)的觀測分析。截至2017年5月19日，組分網(wǎng)數(shù)據(jù)已為重污染天氣的應(yīng)急管理提供了200余份報告。今天，顆粒物組分網(wǎng)仍在使用且規(guī)模逐步擴(kuò)展至京津冀“2+26”個城市，組分網(wǎng)所有站點的數(shù)據(jù)上傳、分析及報告提交已實現(xiàn)準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行，遇重污染時段隨時開展數(shù)據(jù)分析并向生態(tài)環(huán)境部提交相應(yīng)報告。

全力以赴讓每次重污染過程皆可追溯

中國環(huán)境科學(xué)研究院成立于1978年12月，隸屬中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部。作為國家級社會公益非營利性環(huán)境保護(hù)科研機(jī)構(gòu)，中國環(huán)境科學(xué)研究院圍繞國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，開展創(chuàng)新性、基礎(chǔ)性重大環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究，致力于為國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和環(huán)境決策提供戰(zhàn)略性、前瞻性和全局性的科技支撐，服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中重大環(huán)境問題的工程技術(shù)與咨詢需要，為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和環(huán)境保護(hù)事業(yè)發(fā)揮了重要作用。

團(tuán)隊合影

高健在香港理工大學(xué)完成項目研究，并于山東大學(xué)博士畢業(yè)后，便來到中國環(huán)境科學(xué)研究院做博士后研究，之后留院工作近10個年頭。如今，團(tuán)隊有1名研究室主任，1名首席科學(xué)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(shù)方法研究與應(yīng)用，這是團(tuán)隊研究工作的核心；大氣顆粒物污染的生成轉(zhuǎn)化機(jī)制機(jī)理等基礎(chǔ)研究，這是團(tuán)隊持續(xù)創(chuàng)新的源泉和動力；大氣污染物測量新技術(shù)、新方法的應(yīng)用研究，為精細(xì)化開展源解析研究提供可能的新途徑。為了實現(xiàn)顆粒物源解析的進(jìn)一步精細(xì)化，進(jìn)一步與污染防治工作深入結(jié)合，高健及其團(tuán)隊也在積極挖掘更多大氣環(huán)境測量技術(shù)的應(yīng)用場景，嘗試將更多技術(shù)引入顆粒物源解析研究領(lǐng)域，豐富和完善大氣污染物溯源技術(shù)體系。如利用傳感器技術(shù)，網(wǎng)格化覆蓋一個城市，可以做到全范圍無死角監(jiān)測，精確到某一個區(qū)域的污染源，也可以運(yùn)用各種監(jiān)測載體，在出租車、民用車、無人機(jī)等平臺上加載顆粒物和氣體檢測器，開展路網(wǎng)排放、機(jī)動車排放、道路揚(yáng)塵等的精細(xì)化監(jiān)測溯源。

為城市顆粒物污染治理找到源、找準(zhǔn)源，是高健和他的團(tuán)隊致力于解決的問題。他們要將一個城市的顆粒物來源進(jìn)行細(xì)分，找到源頭在哪里，明確如何管理，指導(dǎo)如何落實。高健帶領(lǐng)的大氣環(huán)境研究所“顆粒物源解析”技術(shù)團(tuán)隊多年來致力于大氣顆粒物污染機(jī)制及成因、單顆粒物物化特征、顆粒物綜合源解析等大氣環(huán)境領(lǐng)域的科學(xué)研究，先后承擔(dān)并完成了多項國家和省部級課題，包括環(huán)保公益項目、國家自然科學(xué)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(shù)十個城市開展應(yīng)用，并獲得多項國家發(fā)明專利，在多項重大社會活動空氣質(zhì)量保障工作中發(fā)揮重要作用。

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

當(dāng)記者問起高健的業(yè)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(tuán)隊希望用3～5年時間，建成一個技術(shù)體系，支撐生態(tài)環(huán)境部掌握我國重點區(qū)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(xì)分行業(yè)上，定量、半定量地找到精細(xì)化的來源，實現(xiàn)精細(xì)化管控措施的精準(zhǔn)落地。