科技創(chuàng)新系列報(bào)道之九

2022年北京冬奧會(huì)期間，冬奧賽區(qū)空氣質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了“小時(shí)級(jí)”“公里級(jí)”的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，“1微克藍(lán)”頻頻登上熱搜、空氣質(zhì)量每日優(yōu)良，在世界舞臺(tái)上展現(xiàn)了“北京奇跡”。

奇跡的背后離不開(kāi)北京大氣監(jiān)測(cè)“黑科技”的強(qiáng)大支撐。北京青年報(bào)記者了解到，十年來(lái)，北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心構(gòu)建起“天空地”三維立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，依托衛(wèi)星遙感、地基雷達(dá)、覆蓋全市的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站及PM2.5和總懸浮顆粒物(TSP)高密度監(jiān)測(cè)網(wǎng)，每時(shí)每刻開(kāi)展大氣各項(xiàng)污染物的“CT”掃描，讓北京擁有了高精度、區(qū)域性的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

(資料圖)

萬(wàn)米高空架“相機(jī)” 污染趨勢(shì)精準(zhǔn)拍

“目前沙塵主體位于蒙古國(guó)南部-內(nèi)蒙古中部一帶，預(yù)計(jì)將會(huì)顯著影響京津冀地區(qū)”。

“在西北風(fēng)作用下，本次沙塵持續(xù)向東傳輸且規(guī)模不斷擴(kuò)大，目前沙塵前部已開(kāi)始波及華北北部地區(qū)”。

“目前，沙塵主體漫過(guò)北京，此次沙塵源于蒙古國(guó)中部和我國(guó)西北部，覆蓋范圍廣，最大范圍近100萬(wàn)平方千米”……

今年3月下旬，北京經(jīng)歷了一次大范圍、高強(qiáng)度的沙塵天氣。在沙塵抵京前，北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心通過(guò)官方微博發(fā)布了多輪沙塵遙感監(jiān)測(cè)圖，對(duì)此次污染過(guò)程進(jìn)行“實(shí)時(shí)直播”。

在監(jiān)測(cè)圖上，市民可以清晰看到包括北京在內(nèi)的我國(guó)北方地區(qū)大部分城市的空間位置，以及與我國(guó)內(nèi)蒙古接壤的蒙古國(guó)。圖中，品紅色的區(qū)域即為沙塵帶，通過(guò)逐小時(shí)的連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，市民可以非常直觀地看出沙塵移動(dòng)過(guò)程及影響區(qū)域。

“這組圖像是借助3.6萬(wàn)多千米高空的遙感衛(wèi)星生成的?！北本┦猩鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心遙感監(jiān)測(cè)室主任李金香介紹，“我們要對(duì)接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行‘翻譯’，剔除掉干擾因素，提取出有價(jià)值的信息，最終制成直觀易懂的影像圖。我們把圖像提供給空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)部門(mén)，預(yù)報(bào)員可以依據(jù)圖像，對(duì)沙塵的范圍、強(qiáng)度、移動(dòng)速度、影響程度等信息進(jìn)行分析，為精準(zhǔn)預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，我們也會(huì)把部分圖像發(fā)布到官微上，提供給公眾，讓廣大市民對(duì)此次污染過(guò)程有所了解，打消疑慮。”

北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心于2012年成立遙感監(jiān)測(cè)室。李金香介紹，成立之初，遙感室僅能從2顆衛(wèi)星上獲取公開(kāi)可用的數(shù)據(jù)，如今已增加到6顆衛(wèi)星。十余年來(lái)，北京利用衛(wèi)星遙感技術(shù)開(kāi)展大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，空間分辨率和時(shí)間分辨率越來(lái)越高，環(huán)境監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度實(shí)現(xiàn)了跨越式提升。

“衛(wèi)星遙感技術(shù)就像一個(gè)空中照相機(jī)?！崩罱鹣阏f(shuō)，“站在數(shù)萬(wàn)千米高空俯瞰地面，從空間上看得清的基本單位是‘像元’，把鏡頭使勁兒往前拉，過(guò)去對(duì)大氣環(huán)境也只能看清‘像元’是邊長(zhǎng)幾十公里的范圍，現(xiàn)在‘像元’已經(jīng)精細(xì)到幾百米甚至幾十米的范圍了，而對(duì)地表目標(biāo)的觀測(cè)‘像元’更是精細(xì)到了亞米級(jí)。從時(shí)間上看，過(guò)去使用的衛(wèi)星一天僅在北京上空經(jīng)過(guò)1-2次，我們每天也就只能捕捉到兩次數(shù)據(jù)；現(xiàn)在增加了靜止衛(wèi)星，北京上空的大氣環(huán)境實(shí)現(xiàn)了逐小時(shí)的連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)?！?/p>

北京不僅能用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)沙塵等污染過(guò)程，還能動(dòng)態(tài)監(jiān)管全市大氣污染源，例如裸地，輔助揚(yáng)塵治理。北青報(bào)記者了解到，裸地是指沒(méi)有植被覆蓋的土地，是揚(yáng)塵等粗顆粒物的主要來(lái)源之一。這些裸地可能是施工工地長(zhǎng)期以來(lái)都沒(méi)有管理到位，或者是人為擾動(dòng)形成。北京對(duì)全市裸地一個(gè)月“掃”一遍，對(duì)發(fā)現(xiàn)疑似裸地問(wèn)題較多的街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行幫扶，促進(jìn)屬地進(jìn)行精準(zhǔn)治理。“大氣污染源監(jiān)管有很多手段，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)是輔助手段之一，體現(xiàn)了城市精細(xì)化管理水平?！崩罱鹣阏f(shuō)。

垂直向上發(fā)激光 平面監(jiān)測(cè)變立體

如果說(shuō)“衛(wèi)星遙感”跟蹤的是水平面，那么“地基雷達(dá)”監(jiān)測(cè)的是垂直層，讓北京的大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由平面變?yōu)榱Ⅲw。

在北京，位于北京城區(qū)、多方向邊界站點(diǎn)的地基雷達(dá)站組成了一張“雷達(dá)網(wǎng)”?！暗鼗走_(dá)是一種應(yīng)用激光技術(shù)的激光探測(cè)雷達(dá)，依靠一個(gè)直徑約20厘米、長(zhǎng)約60厘米的長(zhǎng)筒，垂直地面向高空發(fā)射特定波長(zhǎng)的激光?？諝赓|(zhì)量好的時(shí)候，可以探測(cè)到地面5公里以上的高空?！北本┦猩鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心自動(dòng)監(jiān)測(cè)室副主任王琴介紹說(shuō)，當(dāng)激光束遇到顆粒物、沙塵粒子、霧滴等離子時(shí)，會(huì)產(chǎn)生后向的消偏回波信號(hào)，地基雷達(dá)上的接收裝置定量分析激光回波信號(hào)，從而識(shí)別不同高度下的污染粒子類(lèi)型及污染程度。

王琴介紹，地基雷達(dá)就像一臺(tái)CT機(jī)，以15米高度為一個(gè)單位，每時(shí)每刻對(duì)大氣污染物的垂直時(shí)空分布開(kāi)展監(jiān)測(cè)。但又不同于一般的CT，它是給大氣這廣闊而流動(dòng)的物體所做的CT。因此，要求更高，難度也更大。這種垂直分層，可以有效地監(jiān)測(cè)到垂直上空污染的發(fā)展變化過(guò)程。例如，外來(lái)沙塵污染是在高空傳輸?shù)?，位于北京邊界的地基雷達(dá)最先探測(cè)到高空區(qū)域出現(xiàn)粗顆粒物，這是沙塵進(jìn)京的第一個(gè)信號(hào)?！爱?dāng)外來(lái)沙塵剛從高空抵京時(shí)，那時(shí)人們一般還感受不到，但地基雷達(dá)最先探測(cè)到了，隨后沙塵會(huì)開(kāi)始垂直下沉到地面，影響到我們呼吸的空氣，地基雷達(dá)的提前探測(cè)為我們提供了一個(gè)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)的時(shí)間差?！?/p>

北青報(bào)記者了解到，北京用于大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的地基雷達(dá)已建設(shè)發(fā)展了十年，如今實(shí)現(xiàn)了全年365天、全天24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，每隔5分鐘就能生成一組數(shù)據(jù)，提升了空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

織密空氣監(jiān)測(cè)網(wǎng) 分析組分溯源頭

在地面上，北京還建成了多個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

公眾最為熟悉的是35個(gè)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站。大家打開(kāi)手機(jī)，可以查詢(xún)到實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量，以及每個(gè)整點(diǎn)時(shí)段的主要污染物濃度值，這些數(shù)據(jù)的來(lái)源正是依托35個(gè)監(jiān)測(cè)子站。這些監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布在全市各區(qū)，織成了一張嚴(yán)密的地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，北京也成為全國(guó)發(fā)布數(shù)據(jù)站點(diǎn)數(shù)量最多的城市。

隨著大氣治理的逐漸深入，北京的大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)越織越密。近年來(lái)，逐步建成了由1000多個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)組成的PM2.5和總懸浮顆粒物(TSP)高密度網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)網(wǎng)，覆蓋全市各街道鄉(xiāng)鎮(zhèn)。有了這張高密度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，大幅提升了監(jiān)測(cè)的空間分辨率，使北京市街鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)別的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)“從無(wú)到有”，形成了“市-區(qū)-街鄉(xiāng)鎮(zhèn)”大氣污染治理齊抓共管的新局面。

“上述監(jiān)測(cè)網(wǎng)主要用于常規(guī)污染物的評(píng)價(jià)。除此以外，污染物的化學(xué)組分分析也很有價(jià)值，為此，我們?cè)诘孛嫔辖⒘祟w粒物和揮發(fā)性有機(jī)物化學(xué)成分監(jiān)測(cè)網(wǎng)?！笔猩鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心自動(dòng)監(jiān)測(cè)室副主任王琴介紹說(shuō)。

據(jù)了解，北京現(xiàn)有15個(gè)顆粒物化學(xué)成分監(jiān)測(cè)站，用于開(kāi)展PM2.5化學(xué)成分監(jiān)測(cè)?！癙M2.5中包含有機(jī)物、硝酸鹽、硫酸鹽、碳組分、重金屬元素等數(shù)十種可監(jiān)測(cè)化合物。這些化學(xué)組分的來(lái)源不同，在不同時(shí)段或不同污染過(guò)程中，各自占比也是不同的，我們可以通過(guò)化學(xué)成分推斷污染來(lái)源，有助于開(kāi)展大氣污染治理措施制定及評(píng)估。”王琴舉例說(shuō)，一般在PM2.5化學(xué)成分中，含有少量來(lái)自土壤里的地殼元素，如硅元素、鋁元素等。當(dāng)遇到外來(lái)沙塵時(shí)，地殼元素的占比迅速攀升，導(dǎo)致PM2.5化學(xué)成分發(fā)生明顯變化。通過(guò)監(jiān)測(cè)這一變化，就可以計(jì)算出此次沙塵天氣過(guò)程對(duì)北京PM2.5濃度升高的貢獻(xiàn)度。

比如，2017年以前，北京及周邊區(qū)域冬季采暖較大依賴(lài)于燃煤，北京每到冬季，PM2.5中有機(jī)物、硫酸鹽、氯離子等燃煤排放的組分濃度就明顯高于非采暖季，說(shuō)明當(dāng)時(shí)燃煤燃燒對(duì)空氣污染的貢獻(xiàn)率比較高。

正是依托于顆粒物化學(xué)成分監(jiān)測(cè)網(wǎng)，北京開(kāi)展了三輪PM2.5來(lái)源解析工作，源解析結(jié)果支撐了北京市“清潔空氣五年行動(dòng)計(jì)劃”“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃”的措施制定。如今，北京基本實(shí)現(xiàn)無(wú)煤化、機(jī)動(dòng)車(chē)更清潔，也最終實(shí)現(xiàn)了北京空氣質(zhì)量明顯改善，交出了PM2.5“十年降六成”的成績(jī)單。

此外，北京還有覆蓋到各區(qū)的揮發(fā)性有機(jī)物化學(xué)成分監(jiān)測(cè)站。王琴介紹，揮發(fā)性有機(jī)物是一類(lèi)混合污染物，化學(xué)組分成千上萬(wàn)種，對(duì)臭氧和PM2.5的生成均有重要作用。工作人員選取濃度占比較高、環(huán)境影響較大的化學(xué)組分進(jìn)行分析，目前可實(shí)現(xiàn)100余種揮發(fā)性有機(jī)物的監(jiān)測(cè)，同樣可以通過(guò)特征源類(lèi)的揮發(fā)性有機(jī)物濃度特征來(lái)反推污染源并分析其對(duì)臭氧和PM2.5的生成貢獻(xiàn)，用于大氣污染治理措施的制定。

有了天上的“衛(wèi)星遙感”、空中的“地基雷達(dá)”、地上的“空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)”，北京便構(gòu)建起“天空地”三維立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在2022年北京冬奧會(huì)上，市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心運(yùn)用三維立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)冬奧賽區(qū)空氣質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了“小時(shí)級(jí)”、“公里級(jí)”的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，為區(qū)域污染治理提供了技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)北京冬奧會(huì)期間空氣質(zhì)量全部?jī)?yōu)良。

延伸

北京將逐步構(gòu)建溫室氣體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

黨的十八大以來(lái)，北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善取得里程碑式突破，科技創(chuàng)新發(fā)揮了關(guān)鍵的支撐作用。北京青年報(bào)記者從北京市生態(tài)環(huán)境局了解到，“十四五”時(shí)期，本市將逐步構(gòu)建溫室氣體立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，助力綠色低碳發(fā)展。

推動(dòng)行業(yè)綠色低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型

2021年，北京市空氣質(zhì)量首次全面達(dá)標(biāo)，藍(lán)天白云成為常態(tài)；2022年，北京冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)的“冬奧藍(lán)”舉世矚目，聯(lián)合國(guó)環(huán)境署評(píng)價(jià)北京大氣治理成效為“北京奇跡”。北京市生態(tài)環(huán)境局相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，環(huán)境科技是改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的有力武器，科技工作從科學(xué)認(rèn)知、決策支持、行業(yè)管控等方面為科學(xué)治污、精準(zhǔn)治污、有效治污提供了全面支撐。

北京市在開(kāi)展生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作過(guò)程中，統(tǒng)籌謀劃以科學(xué)研究揭示污染來(lái)源與成因、以有效感知支持精準(zhǔn)治污、以先進(jìn)技術(shù)推動(dòng)有效治污、以開(kāi)放的態(tài)度合作共享環(huán)境科技成果。構(gòu)建了較為完善的生態(tài)環(huán)境科技工作體系，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供有力支撐，也推動(dòng)了相關(guān)行業(yè)的綠色低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型。

北京市生態(tài)環(huán)境局科技與國(guó)際合作處處長(zhǎng)明登歷介紹，本市逐步提升監(jiān)測(cè)監(jiān)管能力，支撐精準(zhǔn)治污。在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)科研先行、試點(diǎn)應(yīng)用，待方法成熟后全面推廣的方式，穩(wěn)步推進(jìn)先進(jìn)的采樣、數(shù)據(jù)傳輸、分析預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)這些技術(shù)的應(yīng)用，支持構(gòu)建了國(guó)際一流的天空地立體環(huán)境及污染源監(jiān)測(cè)體系，提升動(dòng)態(tài)化、精細(xì)化的管控水平。

“像熱點(diǎn)網(wǎng)格、車(chē)載移動(dòng)監(jiān)測(cè)、在線監(jiān)控這些技術(shù)手段，已經(jīng)成為我們環(huán)境執(zhí)法的秘密‘武器’。我們也探索性開(kāi)展了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，大大提高了執(zhí)法監(jiān)管的科技化和精準(zhǔn)化水平?！泵鞯菤v說(shuō)，本市依托覆蓋街鄉(xiāng)鎮(zhèn)的高密度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)展動(dòng)態(tài)網(wǎng)格污染研判評(píng)估、獲取污染高值區(qū)域和點(diǎn)位，為監(jiān)管執(zhí)法提供精準(zhǔn)的依據(jù)。同時(shí)，構(gòu)建重型柴油車(chē)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)十萬(wàn)輛重型柴油車(chē)排放情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

構(gòu)建溫室氣體監(jiān)測(cè)體系

北青報(bào)記者了解到，除傳統(tǒng)的環(huán)境要素外，生物多樣性、溫室氣體監(jiān)測(cè)等體系的構(gòu)建也已納入工作安排。

北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心副主任鹿海峰介紹，構(gòu)建溫室氣體監(jiān)測(cè)體系目前已提上日程。“溫室氣體監(jiān)測(cè)是支撐減污降碳協(xié)同增效的一個(gè)重要技術(shù)手段。”鹿海峰說(shuō)，“十四五”期間，本市將逐步建立自動(dòng)監(jiān)測(cè)為主、遙感監(jiān)測(cè)為輔，走航和手工監(jiān)測(cè)為補(bǔ)充的天空地一體化的溫室氣體立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)科學(xué)表征北京市空氣中溫室氣體濃度水平以及變化趨勢(shì)。

同時(shí)，本市還將開(kāi)展典型行業(yè)溫室氣體排放監(jiān)測(cè)，來(lái)進(jìn)一步探索開(kāi)展城市生態(tài)系統(tǒng)碳匯監(jiān)測(cè)，進(jìn)行減污降碳協(xié)同分析與評(píng)估，為北京市實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，推進(jìn)減污降碳協(xié)同增效提供有力的技術(shù)支撐。

在生物多樣性方面，北京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院副院長(zhǎng)聶磊介紹，本市已建立生物多樣性調(diào)查與評(píng)估方法，建成生物多樣性本底數(shù)據(jù)庫(kù)。“十四五”期間，北京將在完成一輪調(diào)查工作的基礎(chǔ)上，分析整理相關(guān)數(shù)據(jù)，更全面掌握全市生物多樣性本底情況。同時(shí)，北京正在積極探索開(kāi)展生物多樣性智慧觀測(cè)技術(shù)。

據(jù)了解，北京是世界上生物多樣性最豐富的大都市之一。近年來(lái)，全市大力推進(jìn)生物多樣性保護(hù)工作，通過(guò)本底調(diào)查，已經(jīng)記錄87種北京新記錄種，其中18種為中國(guó)新記錄種。同時(shí)，本市近年來(lái)還頻繁記錄到生態(tài)向好的指示物種，包括黑鸛、水毛茛等。

2021年，北京首次開(kāi)展了全市集中建設(shè)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示生態(tài)環(huán)境狀況良好。其中，中心城區(qū)的植被覆蓋指數(shù)優(yōu)于全市集中建設(shè)區(qū)的平均值，東城區(qū)、西城區(qū)綠地服務(wù)指數(shù)分別位居全市第一、第二。

環(huán)境改善已進(jìn)入綠色轉(zhuǎn)型攻堅(jiān)期

“十四五”時(shí)期，北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善進(jìn)入從量變到質(zhì)變、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型的攻堅(jiān)期。結(jié)構(gòu)型污染問(wèn)題仍然突出，資源節(jié)約與結(jié)構(gòu)調(diào)整任重道遠(yuǎn)。

北京市生態(tài)環(huán)境局科技與國(guó)際合作處處長(zhǎng)明登歷表示，“我們還是要依靠科技進(jìn)步來(lái)構(gòu)建現(xiàn)代化的環(huán)境治理體系，要綜合應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，AI、區(qū)塊鏈這些智慧化的技術(shù)來(lái)打造智慧化的監(jiān)測(cè)、監(jiān)管、執(zhí)法和決策支持系統(tǒng)。推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域綠色低碳技術(shù)的研發(fā)、試點(diǎn)、示范，以及系統(tǒng)的集成和產(chǎn)業(yè)化，要提供更加低成本更高效率的解決方案。我們希望通過(guò)科技創(chuàng)新來(lái)支持環(huán)境改善和首都高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)?！?/p>

同時(shí)，北京市環(huán)科院正在開(kāi)展北京市“十四五”、“十五五”時(shí)期減污降碳協(xié)同增效路徑研究，設(shè)計(jì)了不同時(shí)段不同領(lǐng)域的協(xié)同控制方案和重點(diǎn)方向，測(cè)算減排潛力，提出協(xié)同控制目標(biāo)建議，為《北京市減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》的編制提供支撐。

本版文/本報(bào)記者 王斌(來(lái)源：北京青年報(bào))