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  • 揭开北京雾霾“真身”

        本报记者 骆倩雯

        雾霾什么味儿?曾经,雾霾高发的季节,细心的网友“品味”雾霾的味道,并晒各个城市雾霾味道的不同,北京霾被网友奉为最“醇厚”“经典”。这其实跟雾霾背后不同的化学成分有关。

        王跃思带领的中国科学院大气物理研究所中国生态环境研究网络大气分中心团队,一直在研究北京雾霾的“配方”,以帮助全社会有针对性地从源头治理雾霾。

        在“北京及周边区域大气复合污染形成机制及防控措施研究示范”课题中,团队提出的“氮氧化物中心说”可谓识破了北京雾霾的本质。治理燃煤、严控机动车、控制扬尘……北京一项项大气治理措施、一年年PM2.5浓度的下降,正让这一研究成果变成环境治理的实践。

        最早提出“氮氧化物中心说”

        2013年,北京市正式对公众发布PM2.5监测结果,也是在这一年,北京市治理PM2.5的大幕拉开。

        污染来势汹汹。监测的头一个月,北京就遭遇五次空气重污染,首尾两次时间各长达5天。整个1月份,雾霾天气多达23天!

        北京的雾霾是什么来头?我国自上世纪70年代开始,为防治酸雨和光化学污染,相继提出了控制二氧化硫、氮氧化物的减排措施。在近年来大气霾污染频发的背景下,硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物等是高浓度气溶胶的主要成分,但对这些成分前体物的控制方向一直不是十分明确。这次污染发生后,王跃思团队着手研究这个问题。

        “高浓度氮氧化物的存在,可以激发二氧化硫向硫酸盐的快速转化。”2014年,王跃思团队提出了“氮氧化物中心说”这一科学假说。

        王跃思和团队成员发现,北京当时的污染状况,其实是上世纪50年代前后英国伦敦和美国洛杉矶的加和体。“英国伦敦,大量使用蒸汽机,烧煤产生的二氧化硫形成酸雾,对人体造成伤害;美国洛杉矶,工业和汽车尾气排放大量的氮氧化物,形成的包括臭氧在内的污染物,对城市环境危害很大。而我们,这两个问题都有。”

        “真没想到,我们也惊呆了。”成员们研究发现,在京津冀地区,大量燃煤燃烧排放二氧化硫,而工业和汽车尾气排放的氮氧化物,二者在沙尘的媒介下,又触发了二氧化硫向硫酸盐的快速转化,这样一来,气体就变成了颗粒物,重霾污染就来了。

        这就是王跃思团队提出的“氮氧化物中心说”。在北京重霾期间,高浓度氮氧化物的存在,极大地推进气态二氧化硫向颗粒态硫酸盐的转化,氮氧化物在大气污染形成中有着独特的重要作用。可单凭外场观测,只能知道反应物和产物,内部过程像黑盒子,无从得知。烟雾箱实验模拟,必不可少。

        “怎么没有反应?真是奇怪!”团队成员开始做烟雾箱实验,可是他们把氮氧化物和二氧化硫两类气体放一起时,竟然没有一点反应,“跟我们想象的完全不一样,我们以为肯定会反应成硫酸盐。”

        一次实验失败,再接着来第二次、第三次,但两个多月过去了,第100次实验都做完了,还是没有出现预期的反应。“是不是缺点什么?”大家都在琢磨。

        突然一天,有人提出,“沙尘!北京有沙尘啊,怎么把它忘了!”果然,一加入沙尘“种子”,细颗粒物污染“哗”就爆发了,跟炸弹爆炸一样来势凶猛。这一“炸”,把大家“炸”兴奋了!

        实验证实了观测的结果符合北京市的实际情况,加上一次次详实的实验模拟数据和数值模拟结果,在众多诱发霾污染的前体物中,将优先控制的目标锁定为氮氧化物的“氮氧化物中心说”,从假说上升到了科学理论!

        机动车排放氨气促进颗粒物生成

        在我国,汽车尾气排放的氮氧化物,触发了燃煤产生的二氧化硫向颗粒物硫酸盐转化。但仍有一个重要的问题:怎么促成转化,究竟是什么在起作用?王跃思团队发现了一个新的氨气来源。

        氨气是一种碱性气体,几乎是大气中唯一一种碱性气体,正是因为它的存在,硫酸和硝酸中和变成了硫酸盐和硝酸盐,气体变成了颗粒物。也就是说,如果京津冀区域没有氨,颗粒物污染也不会那么严重,二氧化硫和氮氧化物也就可能作为气体消散了。“这点真是很要命!”

        氨气从哪来?一般认为, 70%以上的氨都是从农牧业来的,农业化肥使用挥发大约能占30%,畜牧业养殖占40%,人体占9%。卫星观测发现,在整个华北地区,氨的浓度越来越高。可对农牧业的现状进行分析,发现农牧业的活动水平是下降的,应该会导致氨的排放量下降。大家一时间也弄不清楚究竟是怎么回事。

        农业的氨怎么跑到城里来了?城市氨气为什么逐年升高?王跃思团队提出可能有未知的氨气来源,而且这一来源极有可能与燃烧过程有关。

        质疑的声音也纷纷跃起。“汽车尾气和燃煤等燃烧过程排放的氨仅占很小的部分。”一位专门研究汽车工业的专家如是说。课题组成员之间因此争论不休,各不让步,整个课题研究一度因为这个问题搁置。

        但王跃思不信,“我在国内外的文献资料上,确实是看到过燃烧过程排放氨气”。后续团队用同位素分析法,终于论证了氨的来源。“在重污染期间,氨并不是主要来自农牧业,而是来自工业化石燃料燃烧过程和机动车排放,在重霾期间,这个比例可以达到80%甚至90%。”这个结论的提出和系列证实过程,不仅让整个团队惊讶,国内外同行专家也心服口服。

        随后,好消息接踵而来。

        课题组广州的同事去广州的珠江隧道做实验。“隧道里面只有汽车,很好得出结论。”一经检测,果然汽车尾气是排放氨的,隧道里面测出的氨的浓度,比外面高出几十倍!课题组北京的同事,测定了煤炭散烧过程排放的氨气,发现我国燃煤散烧排放的氨气是国外的50倍左右。

        “燃烧过程排放了大量的氨。”证实了!

        应当让颗粒物和臭氧浓度协同下降

        破解了雾霾的真身,各项治理措施就有了针对性,效果也更加明显。

        近年来,北京市大力压减燃煤,燃煤总量已经低于500万吨,二氧化硫年均浓度稳定保持在个位数;严控移动源污染,降低氮氧化物排放,仅去年就查处了32.5万辆次超标重型柴油车,是前一年的5.6倍;治理扬尘和挥发性有机物,利用科技手段提高监管,有序退出一般制造业和污染企业……

        连续5年的大气综合治理,到2017年底,北京市的PM2.5年均浓度从2013年的89.5微克/立方米下降到了58微克/立方米;2018年北京继续开展蓝天保卫战,PM2.5年均浓度降至51微克/立方米。

        “可以说,通过这些年,颗粒物治理已经走上了‘快车道’,事实也证明咱们治理的方向和措施是正确的。接下来,就要解决臭氧问题了。”王跃思说,目前以至于未来很长一段时间的研究,都得集中在臭氧治理上。

        臭氧治理又是一个大难题,像欧美等发达国家,至今都还未能解决臭氧问题,臭氧浓度仍会出现超标的情况。“他们关于颗粒物的问题在上个世纪90年代就解决了,颗粒物浓度已经能做到不反弹,但臭氧还不行。”

        王跃思团队提出,为了让北京的颗粒物浓度进一步下降,未来也要通过调控臭氧来实现,使得颗粒物和臭氧浓度协同下降。“现状是颗粒物浓度下降了,但臭氧起来了,我们要研究PM2.5和臭氧的协同控制措施,要控制臭氧的同时还不能让颗粒物浓度反弹,这是一个大难题,也是一个更漫长的过程。”

        臭氧的治理为何这么难?王跃思回答:“因为有很大的不确定性。”原来,臭氧产生靠的是氮氧化物和挥发性有机物(VOCs)这两种前体物。但有意思的是,这两种前体物很“特别”。氮氧化物下降的时候,臭氧浓度反而会升高,“它俩是非线性关系,是一条抛物线,氮氧化物得降低到特别低的时候,臭氧才会下降”,王跃思说,“我们现在还在抛物线的前半段,也就是前坡,得到了后坡,才能实现。”

        挥发性有机物和臭氧的关系也很奇妙。挥发性有机物越高,臭氧就越高,但反之挥发性有机物降低了,臭氧却并不降低。

        说起这个,王跃思也哭笑不得,因为挥发性有机物的种类实在太多了,大气中有300多种,“你把前10种影响大的解决了,马上就有后10种来替补,永远有应接不暇的替补。”

        “所以,臭氧是让我们头疼的一个难题,需要继续深入研究。”王跃思说,今年北京市就要开始协同控制PM2.5和臭氧,“颗粒物浓度做到不反弹,也就算成功了一半。”

  • “超算”青年

        本报记者 任敏

        2018年11月底,在美国达拉斯举办的全球超级计算大会上,清华大学计算机系博士后甘霖获超算领域高性能专委会杰出新人奖,成为该奖设立以来首位获奖的中国人,该奖项每年全球表彰不超过3人。

        获奖的甘霖,只有30岁,在超算领域已并非“黑马”,他经历了中国超算的多个“首次”。

        为超级计算机开发“APP”

        首获杰出新人奖,甘霖说自己“非常开心”,但真正让他激动的,还是几年前的“戈登·贝尔”奖。

        2016年11月17日,美国盐湖城,世界超算大会会场,一年一度的世界高性能计算应用领域最高奖项“戈登·贝尔”奖正在揭晓。甘霖紧闭双眼焦急地听宣读结果。当听到“ten”这个词时,甘霖长舒一口气,他在心里默喊——“我们赢了!”这是该奖项设立近三十年来,中国团队首次获奖,可谓“零的突破”,“比现在激动多了。”

        这个名为“千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”的项目,是基于我国超级计算机“神威·太湖之光”的应用,其计算效率比美国最新成果高出近1个数量级,可在天气预报、气候变化研究等领域发挥重要作用。当时28岁的清华博士后甘霖,是获奖论文共同通讯作者中最年轻的一员。

        领完奖,思绪不禁飘回六年前那个深秋,仿佛有一只无形的手,一步一步牵引甘霖迈入超算圈。2010年,还在北京邮电大学信息工程专业读大四的甘霖,被保送至清华大学攻读博士学位,导师为计算机系教授杨广文与地学系教授付昊桓。作为两系联合培养的博士生,甘霖博士一开始便从事高性能计算与地球科学交叉领域的研究,这样的学科背景正符合超算领域对人才的需求。

        2015年年底,中国自主研发的超级计算机“神威·太湖之光”诞生,甘霖和一群平均年龄只有25周岁的年轻人随之来到太湖之畔,成为“神威·太湖之光”最早的试算者之一。

        正如现在的手机离不开不同的应用软件,拥有40960个芯片的这台超级计算机,也需与之配套的“超级应用软件”。甘霖和小伙伴们的任务就是为这款我国自主研发的世界最快系统量身打造国产应用,使之根据不同领域的需求来执行计算任务。

        国家超算无锡中心创立之初,配套不完善,熬夜加班是常有的事儿。办公室空调还没配好,夏天热了,大伙儿就跑到机房蹭冷气,晚上困了,拉来两把椅子,拼成一张床就睡下了。

        百万行代码“搬运”打动评委

        继2016年的大奖之后,2017年,甘霖参与的“全球气候模式的高性能模拟”再次入围“戈登·贝尔”奖提名。

        该项目在全球首次基于气候模式,模拟出2005年侵袭美国的飓风卡特里娜的“U字形”完整轨迹,极大提升了“神威·太湖之光”用于防灾减灾的预测能力。作为项目主要负责人之一,甘霖和大家一起写代码、改文章、统筹进展、准备报告。研究需要把气候模式相关程序移植到超级计算机中,面对百万行代码,有时,为了精确定位和排除一个细小的错误,就要耗费几天甚至几周时间,最后冲刺的一个月,大伙儿有的时候每天只能睡两三个小时。

        在老师和队友的信任下,甘霖还作为报告人,站到“戈登·贝尔”奖决赛答辩现场,向在场的世界各国专家展示这一突破性成果。答辩前一周,为了把几个月的工作在半个小时内完美呈现,甘霖和团队成员在会场逐一请教专家,完善报告内容,仅PPT在一周内就修改了不下10个版本。

        他至今还记得,答辩前偶遇“戈登·贝尔”奖评审委员会主席的一幕,那位专家对他们给予很高评价:“我们很惊讶你们有这种毅力,把这样一座大山搬过来。”他告诉甘霖,打动评委的正是百万行代码的“搬运”工作,在这样一个信息爆炸的时代,愿意踏踏实实去这样工作,难能可贵。

        高铁上写完博士论文

        对甘霖而言,国产超算应用的研究犹如眼前的“面包和牛奶”,而在清华实验室里,他还一直在从事另一项研发,去追逐“诗和远方”。

        博士期间,甘霖还共同领导了新一代高性能低能耗处理器的研究,这是我国首个成功将可重构计算方法引入气候模式应用研究,取得了优异性能与能效结果,为高性能计算解决地球科学等科学应用问题提供了一套全新的优化技术。在第25届现场可编程逻辑与应用国际会议上,他以第一作者身份发表的论文获选“25年领域最具影响力论文奖”,该奖的入选率仅为1.5%,这也是唯一一篇以中国大陆研究机构为第一作者单位的获奖论文。甘霖期待,自己的研究成果能应用在下一代超级计算机上,让机器迎来又快又省电的“环保模式”。

        平均每周就要往返北京和无锡,五个小时的高铁成为甘霖宝贵的写作时光,他回忆,“高铁座位舒服,干扰也比较少,很适合写文章。”他的博士论文,大约四分之三是在高铁上完成的,这种状态大概维持了两个多月。有意思的是,有次邻座遇到一位地球物理勘探领域的教授,还收获了一些论文修改意见。

        而今,甘霖在路上工作的习惯依然保留,即便不写论文,也是在整理文件。办公桌前,他亮出自己的电脑桌面开玩笑,“看看,如果桌面乱了,说明我很久没坐高铁了!”

        接受采访那天,清华FIT楼,与甘霖一同出现的是黑色双肩包和灰色行李箱。两个小时后,他再次启程奔赴无锡,从清华园到国家超算无锡中心,1100多公里,三年间,他已往返近百次。