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李歆:用数据“解码”大气污染机理
——记北京大学环境学院研究员、博士生导师李歆

作者:本刊记者 杜月娇  来源:科学中国人  发布时间:2017-10-21

导读:17年前,18岁的李歆怀揣梦想考入东湖之滨、珞珈山上的武汉大学,师从钱沙华教授,通过化学合成实验,完成了环境科学的科研启蒙;2004年至2010年,李歆在北京大学攻读硕士和博士研究生期间,师从邵敏教授,开始了大气污染机理方面的研究。悠悠十载,读书路也是科研路。李歆坚定了最初的科研方向,也在心中种下了一个宏大的梦想——用科研工作为改善环境改善做贡献。

 


  沙尘退,雾霾来。这些年,随着社会、经济的发展,我国许多地方的空气污染持续恶化。有报告显示,中国规模前500位的城市中,只有不到1%的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准,与此同时,世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。
  目前,以雾霾和臭氧污染为特征的大气复合污染,受到人们的广泛关注,已成为制约我国经济和社会发展的重要问题。空气污染是怎么产生的,怎样才能有效治理?这些问题,都需要由一门前沿学科来一一解答,它是大气环境化学的重要研究领域——大气自由基化学。
  带着上述问题,记者专访了该领域的青年专家——北京大学环境科学与工程学院研究员、博士生导师李歆。他介绍道:“由于自由基的大气浓度极低和化学活性极高,必须采用高精准、高时间分辨率的在线测量技术和严谨的闭合实验设计,才能更好地掌握各类自由基物种的来源和化学反应机制,厘清它们在大气污染形成过程中的具体作用。”
  
从未改变的研究方向
  
  对于李歆来说,探索大气污染的形成机理是从未曾改变的科研方向。
  17年前,18岁的李歆怀揣梦想考入东湖之滨、珞珈山上的武汉大学,师从钱沙华教授,通过化学合成实验,完成了环境科学的科研启蒙;2004年至2010年,李歆在北京大学攻读硕士和博士研究生期间,师从邵敏教授,开始了大气污染机理方面的研究。
  悠悠十载,读书路也是科研路。李歆坚定了最初的科研方向,也在心中种下了一个宏大的梦想——用科研工作为环境改善做贡献。
  博士毕业后,李歆在学校和老师的推荐下,到此前合作过的德国Juelich研究中心对流层研究所进行博士后研究。   这是一家拥有5000多名科学家,其中包括1名诺贝尔奖获得者的研究机构。值得一提的是,它拥有目前世界最大的大气环境模拟舱(SAPHIR),利用其可以进行很多精准的推演和测算。顶尖的科研环境、良好的科研氛围以及认真、严谨的科研作风,让李歆受益终身。攻读研究生期间的交流合作让他学会了如何使用高精尖的设备测量大气痕量污染物和应用多种数值分析方法探索大气污染过程,而之后从事博士后研究,则是让他在之前的基础之上,开展大气污染物在线测量技术的研发,并设计实验探索影响大气污染形成的关键物种的化学反应机理。
  作为大气污染研究测量的重要途径,飞艇航测获取的大气污染物空间分布的数据十分重要。在德国学习、工作期间,李歆和他所在的科研团队曾利用齐柏林飞艇对欧洲典型地区的大气自由基、挥发性有机物、氮氧化物、臭氧、细颗粒物等的空间分布进行了全面、细致地测量。在他看来: “测量得到的数据对大气污染机理的理解具有非常重要的意义。”
  完成飞艇航测后,李歆通过数据分析,发现了大气污染形成方面的一些新机制,他将数据及分析得出的结论写成论文,最终在Science发表,得到了广泛的关注。业内专家认为,李歆发现的这些新机制,不仅对传统认识有一定改进,也为后续分析氧化剂来源起到非常重要的作用。
  “在国外待了那么久,加之国内这一领域的研究发展正蓬勃向上。我与国内几位老师联系后,决定回来。”去年,李歆结束了6年的海外研究生涯,回到北京大学环境学院,开启了崭新的篇章。
  回顾过往,总结经验。在李歆看来,负笈海外这些年对他影响最大的无疑是对工作方式和科研态度的锤炼和养成。一方面,德国人认真的做事态度对他影响很深。每天李歆到实验室都会先列计划,尽量按步骤进行、逐条完成,这已经成了他的工作习惯;另一方面,严谨的科研态度,尤其是撰写科研论文的那种“较真儿”劲儿,让他受益匪浅。李歆形容,那种“较真儿”是容不得一丝模糊的:“数据是什么样子,就是什么样子,必须有一说一。”李歆回忆,当年在德国写第一篇科研文章的时候,被导师要求反复修改了1年多。“反复推敲,这个图应该如何画,这句话应该怎样说。很多时候,我都觉得改成那样也差不多了,可以投稿了,他们依旧说再等等。在桌上放两个礼拜后,可能因为脱离了惯性思维,反而更容易能发现新的问题。”
  回头再看刚开始做科研时写的东西,有点‘想当然’。其实,这也是很多刚接触科研工作的学生写文章的通病。现在,我经常对学生说——用数据说话。分析撰写文章的过程中,如何通过精确的数据得出结论,一定要严格对待。”经过积累已经成为导师的李歆把当年学到的这种严谨的科研态度也带入到教学中,希望通过自己的言传身教,把这种脚踏实地、精益求精的科研作风传导给他的学生、传递到他的团队。
  其实,在李歆专注的一个方向——科研器件设备的研发方面,也体现了他的这种精益求精的作风。对于这些承担重大使命的科研仪器,李歆提出两个要求——自动化程度更高、体积更小、测量结果更加精准。他解释:“因为大气污染的过程不仅在近地面发生,也在高空发生。它们之间有传输过程。而高空的大气污染研究,在国内还处于起步阶段。所以,我们就希望把设备做得自动化程度更高、体积更小,这样,不仅可以实现在各个站点固定监测、自动收集传输数据,还能装载在无人机等设备上,让它可以实现立体观测,从地面向高空发展。”
  
大气污染经历了复杂的过程
  
  “气态一次污染物(如氮氧化物、挥发性有机物)经排放进入大气后,通过复杂的大气氧化过程,最终导致臭氧生成和细颗粒物的增长。因此,气态一次污染物在大气中的二次转化过程是大气复合污染形成的关键。”因为有多年从事大气氧化中间态物种及大气化学行为研究的经验,李歆对大气污染的看法可谓一针见血。
  “可以这样理解:自由基就是大气污染中的氧化剂,污染物排放后会与它发生化学反应,生成新的污染物。目前,虽然对一次排放和二次污染最终产物的研究已进行得比较深入,并取得了系列成果能够较好地服务于大气污染防控,但是,对于二次污染形成的化学过程研究目前还较为缺乏,一定程度上制约了大气污染的精细化治理。”  
  李歆告诉记者,“好的做法是先把机理研究清楚。有了准确的机理后,就可以通过模型分析,在一定的气象条件下,改变一个物种对后续有哪些影响。测自由基不容易的时候,我们就来测大气氧化中间态物种。通过跟踪它的变化,对这些中间态物种的来源和去除途径进行研究,来检测我们的机理是否准确。最终,这些数据将有助于我们准确把握各类污染物和各种化学过程对大气污染形成的贡献,能验证、改进和完善已有的大气污染形成机制。”
  “大气氧化中间态物种比较典型、浓度比较高的,是我们重点跟踪监测的。”因此,李歆针对甲醛、乙二醛、气态亚硝酸等典型大气氧化中间态物种进行追踪。一方面,对其测量技术进行研发、改进和验证,实现高准确度的在线测量,以满足研究需要;另一方面,通过烟雾箱和流动管实验以及外场观测,结合模型模拟,定量研究它们的来源和去除过程,探讨它们在大气污染形成中的作用。这些研究如今均取得了可喜的成果。
  “基于外场观测数据,来调整研究机理,让这个机理更加完善,也是对大气模型的重要补充。”李歆说。
  
解密大气污染的形成
  
  近年来,卫星遥感数据显示,我国的京津冀、珠三角和长三角地区已成为全球甲醛和乙二醛浓度分布的热点地区。然而,国内针对甲醛、乙二醛等氧化中间态物种大气化学作用的研究尚未系统展开,除获取大气浓度水平外,仅有部分工作量化了它们的来源、探讨了它们对臭氧和细颗粒物生成的贡献。而且,研究区域基本围绕北京和珠三角地区。
  “相比京津冀和珠三角,长三角地区呈现高浓度甲醛和乙二醛的区域范围都更广。与之对应的是,自2010年以来,在长三角地区一次污染物逐年下降的同时,以臭氧和细颗粒物为表征的二次污染开始凸显,需要一系列针对区域大气氧化性(自由基化学)的表征和机制研究来为二次污染的缓解提供科学依据。”李歆解释,这也是为什么他将长三角地区作为重点观测区域的原因。
  2016年8月,刚从德国回来的李歆提出了他的想法,并以“基于大气氧化中间态物种的大气HOx自由基来源和活性研究”申请了自然科学基金项目。
  “目前,围绕大气HOx自由基循环机制的研究结果,尚存在一定不确定性,特别是在‘OH自由基非传统再生机制’研究方面,还缺乏相应的具体化学机理来全面合理地描述外场观测现象。”李歆认为,当前以针对HOx自由基本身开展的闭合实验研究已遇到瓶颈,需要转变研究思路、开发新的研究方法,从而实现突破。
  李歆介绍,他的团队计划选择甲醛、乙二醛和甲基乙二醛这3种在HOx 自由基链式反应中生成的典型大气氧化中间态物种,以我国典型污染地区获取的外场观测结果为基础,结合已有烟雾箱实验数据,利用基于观测的模型开展系列分析,确定它们在各类挥发性有机物氧化降解体系中的生成途径和产率。最终,厘清三者的生成和去除与HOx自由基循环再生的相互作用关系,从而检验和发展现有的大气HOx自由基化学机理。同时,利用它们的浓度和浓度构成的“指纹特征”,对大气OH自由基活性的强度和构成进行综合表达,建立基于大气氧化中间态物种的大气OH自由基活性表征方法。
  “这种表征方法的建立,将有助于利用地基或星载遥感数据,在垂直方向、区域或全球尺度开展大气OH自由基的活性演变研究,探讨其对区域大气污染形成的作用。”李歆介绍。  
  目前,这类工作在国内外均未曾系统开展。李歆和他的团队会希望可以研究成果解密大气污染的复杂形成过程。
  
深耕大气污染物垂直分布领域
  
  研究污染物在大气中的垂直分布,对于了解污染物的来源、生成和去除过程,从区域尺度探讨大气污染的形成机制,具有重要意义。
  自20世纪80年代以来,国际众多大气化学研究团队将探索不同大气污染物的垂直分布情况及其成因纳入他们的重点关注范围,进而开发出多种测量工具、研究平台和研究方法,推进了该研究领域的发展。近年来,美国和欧洲的研究团队又组织了多个大型研究项目,采用多种先进仪器,开展大气污染物的立体观测,以深入研究空气污染与气候变化之间的关系。
  与国际一流的大气化学研究团队相比,北京大学研究团队在大气污染物垂直分布的研究方面,力量相对薄弱。一方面,其现有的仪器设备基本以服务地面观测为主,缺乏相应的污染物垂直分布观测手段。另一方面,由于缺乏有效的数据支撑,在探讨污染物垂直分布与大气复合污染形成之间的关系时,研究难以深入。
  对此,李歆准备根据已有经验和工作基础,在北大建立若干套MAX-DOAS自动观测系统,将其对大气气溶胶、臭氧、二氧化氮、气态亚硝酸、甲醛和乙二醛的垂直分布测量纳入北大现有的空气质量常规观测项目,进而从污染物的空间分布研究、卫星观测结果的验证、空气质量模型的数据同化等3方面开展其具体应用。
  此外,他还打算依托现有的研究合作关系与基础,筹划建立北京大学环境科学与工程学院与德国海德堡大学大气物理系(IUP Heidelberg)在大气监测技术的开发和大气污染的实验室模拟方面的合作关系;协助巩固与德国Jülich 研究中心能源与气候研究所对流层分所(IEK-8 FZJ)和德国马谱化学所(MPIC)的现有稳定合作关系;开展科研协作与学生联合培养,协助相关人员到上述机构国际交流。
  谈及近期的科研工作目标,李歆笑道:“持续巩固北京大学在大气污染观测和研究领域的国内领先地位。”眼前这位35岁的青年科学家,笑容明媚如暖阳,带着他的光荣与梦想,在用数据“解码”大气污染机理的科研之路上,绽放出别样的精彩。
  
  
科普链接:
  气态亚硝酸的测量及大气化学行为研究:
  作为大气污染物清洁剂OH自由基的重要前体物之一,气态亚硝酸自20世纪70年代以来已成为各国际研究小组的重点研究对象。在李歆的系列研究中,不仅改进了已有的基于长光程光度法的在线测量仪器(LOPAP),提升了其对气态亚硝酸测量的灵敏度和稳定性;还首次在国内对影响气态亚硝酸生成和去除的所有重要物种进行了同步测量,准确量化了国际上所普遍关注的气态亚硝酸在日间的未知来源,并确定了此来源的可能途径。
  
  多轴式差分光学吸收光谱技术的数据反演方法的建立:
  多轴式差分光学吸收光谱技术(MAX-DOAS)是目前国际上广泛使用的一种大气污染物遥感测量技术。李歆建立了一套数据反演方法,不仅丰富了已有的MAX-DOAS数据处理手段,还有助于实现MAX-DOAS对大气污染物垂直分布的自动在线测量。此方法自建立起,即受到包括DOAS创始人Ulich Platt教授在内的众多领域专家们的赞赏,目前已被多个国际国内研究小组所使用。
  
  甲醛和乙二醛的大气化学行为研究:
  作为大气臭氧和二次有机气溶胶形成的重要中间物种,甲醛和乙二醛的测量和源汇研究已成为目前国际大气污染研究的热点之一。李歆首次在国内应用 MAX-DOAS 对重点污染地区的大气甲醛和乙二醛的垂直分布进行了在线测量。  
  
  
专家简介:
  李歆,北京大学环境科学与工程学院研究员、博士生导师。主要从事大气氧化中间态物种的测量及环境效应研究。作为主要人员参与了我国科技部、基金委、德国自然基金、欧盟“框架7”计划资助下的多项重点项目。主持和参与了多种针对大气自由基和活性含氮含氧化合物的测量比对工作。在大气污染物在线测量技术研发以及大气综合外场观测和大型烟雾箱实验的设计、组织和实施方面具有丰富经验。围绕典型大气氧化中间态物种——气态亚硝酸、甲醛和乙二醛,在其测量技术、源汇识别、大气化学作用的研究方面取得了系列创新性成果,包括主持搭建基于腔增强吸收光谱法和长光程光度法的气态亚硝酸在线测量设备;建立了基于被动式差分光学吸收光谱技术的大气气溶胶和反应性气体遥感测量方法;首次对我国典型污染地区大气甲醛和乙二醛的收支进行了全面分析,为利用大气氧化中间态物种开展区域大气污染形成机制的过程研究奠定了一定基础;提出了气态亚硝酸日间来源的新机制,有助于合理评估其对大气自由基收支的影响。在Science(2篇)、Nature GeoScience(2篇)、Atmospheric Chemistry and Physics、Atmospheric Measurement Techniques等国际刊物上发表论文近30篇。
  

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