秋末冬初本是大氣汙染高發季，但2019年京津冀的冬天遠比往年更“碧藍”。在這藍天白雲之下，有一項重要的技術在為打贏藍天保衛戰“保駕護航”，它就是——大氣監測預警技術。
“大氣‘監測預警’就像醫院中的檢驗科，精細、準確、清楚地告訴你，大氣是否有汙染，整個汙染程度如何。”在近日由中國21世紀議程管理中心召開的“大氣汙染監測預報預警技術交流會”上，中國工程院院士劉文清表示，雖然當前的PM2.5平均濃度顯著下降，但是以臭氧、揮發性有機物為代表的“二次汙染”不斷顯現，這對大氣監測提出挑戰，也是打贏藍天保衛戰必須攻克的難題。
交流會上，包括張遠航、劉文清院士在內的專家就“大氣汙染成因與控制技術專項”（以下簡稱“大氣專項”）中大氣汙染精細化監測預警技術的創新與突破進行了深入探討，他們認為區域空氣質量的調控，內因是排放，外因是氣象，控制重在源頭的監測和減排。
捕捉大氣汙染的隱形“殺手”
自由基，一個聽起來活躍的名稱，卻在大氣汙染防治中扮演著“陰陽師”的角色。
一方面，它是大氣有毒物質的“清道夫”，自由基的存在不斷調節著大氣環境中的有毒成分，使其不能聚集。另一方面，自由基會與人為排放的揮發性有機物發生氧化，再與氮氧化物發生反應，生成臭氧和二次氣溶膠，對臭氧汙染和顆粒物汙染起到“核心”作用。
一把雙刃劍豎在大氣中，我們應該如何審視它？大氣專項專家組給出的態度是客觀精準、越細越好。
準確監測自由基是基於當前大氣汙染格局的變化趨勢，北京大學環境學院研究員、“大氣自由基及活性前體物在線測量技術”項目負責人李歆接受科技日報記者採訪時表示，自2013年國務院頒佈《大氣汙染防治行動計劃》（簡稱“國十條”）以來，多方措施使PM2.5等一次汙染緩解顯著，但是，從顆粒物化學組成看，二次成分（即一次汙染物的大氣氧化產物）佔比正逐年上升。而且，由揮發性有機物和氮氧化物在光照條件下發生鏈式反應生成的臭氧，其濃度水平和超標率在全國主要城市地區也呈現上升態勢。
在上述“此消彼長”的汙染物轉換中，自由基就是那個缺其不可的“催化劑”。因此，自由基成為監測大氣汙染變化的一個重要指標，它的濃度與活躍度成為李歆團隊眼中衡量大氣氧化性水平的標誌物。
自由基能輕鬆監測到嗎？跟常規的氣態汙染物相比，自由基的濃度非常低。李歆介紹，大氣中臭氧的濃度標準是160μg/m3（微克每立方米），換算成數濃度為2×1012 cm-3（分子每立方厘米）。而對大氣氧化性貢獻最大的羥基自由基（OH）的峰值濃度水平僅在107cm-3（分子每立方厘米）左右，相當於傳統氣態汙染物濃度的十萬分之一。而且，自由基的活性非常強，OH自由基的表面被任何物質碰到都會湮滅，這意味著它時刻都處在變化狀態，使得測準自由基又增加了難度。
其實，測量OH自由基，從上世70年代開始研究，一直到現在仍有未能攻克的技術難題。李歆團隊也是採用國際上已經成熟的技術路線——激光誘導熒光的方法，即用一束激光打到OH自由基上，激發OH自由基釋放出熒光，通過監測熒光信號的強弱來判斷OH自由基的濃度。
他們的方法創新之處在於，讓激光測得穩、測得精、測得準。而背後依靠著自主設計的一套測反饋系統、一系列條件實驗和軟件模擬、一條自主建設的自由基濃度的發射裝置……也正是這項技術和設備的成套應用，使得我國成為世界上第六個獨立掌握這種技術來捕捉隱形“殺手”——自由基的國家。
監測固定汙染源的超細顆粒
隨著“國十條”等政策的出臺，汙染物排放標準越發嚴格，如今針對固定汙染源的大氣環境監測技術早已進入了超細顆粒物監控時代。
在清華大學能源與動力工程系教授丁豔軍的項目報告中，記者看到，我國及世界熱電廠等固定汙染源顆粒物排放檢測設備，雖能在線監測5mg/m3（毫克每立方米）以下的超低排放，但僅能測量排放煙塵的總質量濃度，無法實現細、超細顆粒物粒譜分佈的高精度在線監測。
“傳統的單路光顆粒物光學散射技術，只能獲得與煙塵總質量濃度相對應的一維光學信息，而且當環境條件變化時，煙塵粒譜和折射率就會發生變化，該技術因無法感知煙塵特徵變化，進而會影響測量結果的準確性。”丁豔軍告訴記者，項目組根據光波與顆粒物之間的散射關係，利用信號測量和反演信號處理算法得出煙塵濃度中的PM10、PM2.5、PM1數值，最終實現固定汙染源粒譜與質量濃度聯合測量。
值得關注的是，課題獲得的理論方法和關鍵部件均申請了專利，其中散射光信號氣溶膠特徵獲取方法及其應用申請了PCT國際發明專利，日本和美國專利均已授權。
對於固定汙染源的監測，除了需要有高精尖的技術標準，還得有符合我國實際工況的汙染物監測技術。
丁豔軍告訴科技日報記者，對於工業煙氣脫硝氨逃逸監測，進口儀表無論來自美國、歐洲，還是日本，都無法滿足我國大量高灰燃煤機組煙氣中氨逃逸的監測，因為煙氣中大量的飛灰使得測量激光無法穿透而失效。
項目組針對這種情況，研發了高精度、高靈敏度、可在線標定的原位取樣氨逃逸在線監測技術，實現了我國大量高灰燃煤機組煙氣脫硝的氨逃逸監測。此外，還針對飛灰吸附大量逃逸氨的最新研究成果，在國際上首先研發出煙塵中飛灰吸附氨的在線監測技術，成功實現了煙氣脫硝氨逃逸總量的全面監測。
“這將為我國工業過程中廣泛存在的煙氣脫硝氨逃逸的全面監測和嚴格控制提供關鍵技術支持和保證。”丁豔軍說。
探尋大氣邊界層汙染的三維立體信息
2018年冬，一個為期15天、跨越2000公里的大型氣象觀測實驗如期舉行。
“這是一次大規模、多平臺、多要素大氣汙染綜合觀測試驗。”該實驗項目負責人、中國科學院大氣物理研究所研究員胡非表示，這次實驗是為了獲取京津冀地區點面結合、三維立體的大氣汙染分佈信息，特別是獲取大氣邊界層中大氣汙染物與氣象要素的高分辨垂直分佈和時間演變特徵。
實驗的難度在於高空探測，又是守望京津冀地區，因此取名“望都實驗”。與地面固定汙染源監測技術不同，“望都實驗”主要針對大氣邊界層中汙染物和氣象要素垂直結構同步聯合探測的不足，展開綜合探測與技術突破。
原因在於，距離地面1到2千米的大氣邊界層主導著地氣之間的物質和能量交換，是人類生活和工程活動的主要場所，也是大氣汙染和氣象災害的主要發生地。胡非告訴記者：“如此高的範圍內，要實現空間上全覆蓋、成分上要素全、時間上可連續成為一個具體的難點。”
一場“地空”一體的大氣汙染監測實驗在京津冀地區“上演”——32米長、體積為1800多立方米的大型氣艇像放風箏一樣飄在1000米高空，“空中國王”飛機搭載著設備在空中穿行，激光雷達以北京為中心進行走航觀測、京津冀地區的一批地面觀測臺站等也實施同步協同觀測……，為了支撐我國南北方大氣汙染特徵的對比，2000公里外的珠三角、356米高的深圳氣象塔和600米高廣州電視塔的監測設備同期配合“望都實驗”開展觀測。
在這次觀測試驗中，項目自主研發的新型臭氧激光雷達、二氧化氮激光雷達、高空湍流超聲風速儀探測系統以及渦度相關PM2.5湍流通量觀測系統等也首次亮相。
胡非表示，此次實驗得到了以前主要基於地面觀測或便攜式儀器探空觀測所不能得到的汙染物物理化學要素精細結構的新信息和新現象，可為揭示京津冀地區重汙染形成機制、汙染物源解析以及大氣汙染優化控制提供科學參考。
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