怎麼讓這裏的天更藍?他有幾個大膽的想法
2019年07月05日09:25
趙素平副研究員
趙素平副研究員

  來源:科學大院

  每年冬季,不少城市都會趕上幾天霧霾天氣。霧霾,不僅嚴重影響人們的日常生活,更是公眾街談巷議的一大社會問題。如何驅趕霧霾、重見藍天,成為很多城市的心頭之病。中國科學院西北生態環境資源研究院的趙素平副研究員,把自己的科研方向聚焦到這裏,通過對複雜地形大氣汙染問題的深入研究,獲得了不少有意義的新發現,得出了有別於傳統想法的新觀點。

野外工作照
野外工作照

  “黑蘭州”:衛星上看不到的城市

  蘭州曾經有個綽號,叫“黑蘭州”。這倒不是因為這裏生產一種“黑蘭州”的香菸,而是因為這裏的空氣實在太糟糕了——一年四季黑乎乎的。蘭州人曾自嘲地調侃:“太陽和月亮一個樣,白天和晚上一個樣,鼻孔和煙囪一個樣。”

  蘭州地形獨特,位於青藏高原東北側黃河河穀盆地,兩山夾一河,多山少風缺雨,尤其是汙染最重的冬季,基本沒有風。20多年前,蘭州的空氣汙染可謂“舉世聞名”,經常高居全國空氣汙染城市的前列,竟有“衛星上看不到的城市”之稱。

霧霾籠罩蘭州(圖片來源:新華網)
霧霾籠罩蘭州(圖片來源:新華網)

  趙素平的研究就和這座城市息息相關。

  “2009年,我剛到蘭州讀研,一入冬,整座城市像籠罩在一個‘大鍋蓋’之下,空氣汙染十分嚴重。”面對久負盛名的“黑蘭州”,趙素平突發奇想,同樣是北方重工業城市,為何東北地區沒有被“黑色”籠罩?為何蘭州就是全國唯一一個“衛星上看不見的城市”?是不是因為複雜地形造成的重汙染?

  帶著這個猜想,趙素平廣泛查閱文獻,開始從複雜地形局地氣候中尋找蘭州空氣汙染治理的良方。

  “還真不是瞎想,穀地地形的確不利於汙染物消散而集聚空中,只有在有風或下雨的時候,天氣才會好一些”,早在1998年,蘭州市政府就曾決定“移山引風”,即削平位於蘭州東大門的大青山,讓城市東西兩端的風對流起來,以驅散市內汙濁的空氣。然而,這一計劃並未如願,因為“蘭州周邊的山太多了,風力未必能達到吹散霧霾的程度,用愚公移山的辦法‘等風來’,不僅成效慢,而且治標不治本”。

  “既然水平流不通,那能不能垂直流通?”趙素平迅速轉換思路,“正常情況下,近地面汙染物是可以擴散進入高空中的。在複雜地形條件下,垂直領域的大氣汙染與空氣流動又會呈現出何種樣態?”

  帶著這個問題,趙素平把研究視角從“水平方向”轉向“垂直領域”,開始他的“複雜地形地區的局地大氣環流對大氣汙染物輸送影響”的研究。

  PM垂直檢測獲“靈感”

  治理霧霾,要從最基礎的研究做起,瞭解霧霾成分及其來源,才能製定有效措施,而這類研究在國內還比較少見。年輕的趙素平循著這個思路,試圖通過複雜地形垂直空間的大氣汙染顆粒(即人們通常說的PM)測量研究其分佈特徵和變化規律。

  因地製宜,想到就做。趙素平把單位變成觀測站,從地表到樓頂,他安排了兩個觀測取樣點。然而,“僅有幾十米的樓宇高度還不夠,更高的空中也需要監測”,這讓剛入行不久又沒有什麼經費和設備支撐的趙素平陷入了苦惱。

  如何在幾十米外的空中取樣呢?趙素平望著窗外陷入沉思。

  忽然,窗外的皋蘭山讓他眼前一亮——把觀測點建到皋蘭山上。皋蘭山位於蘭州市區的南側,自古是拱衛蘭州城區的天然屏障,也是影響蘭州複雜地形的重要因素。“皋蘭山頂海拔2000多米,與地面垂直高度達五六百米,是非常理想的垂直觀測對象”。

皋蘭山(圖片來源:https://baike.sogou.com/v1684679.htm)
皋蘭山(圖片來源:https://baike.sogou.com/v1684679.htm)

  於是,帶著學生爬樓、爬山,測樣、分析,成了趙素平的“日常工作”。

  很快,趙素平研究發現,PM濃度變化與汙染物排放源和氣象條件關係密切。其中,氣象條件對PM濃度影響比重高達40%。這大大出乎趙素平的預料,一定是有什麼東西在起作用!趙素平一遍一遍檢測,終於找到這個被忽視的“元兇”:黑碳。黑碳是由未完全燃燒的化學燃料和秸稈等生物質燃料產生的含碳有機物,是僅次於二氧化碳的“溫室氣體”。正常情況下,空氣中的黑碳含量從地表往高空應逐漸降低。

  但是,趙素平的觀測發現,蘭州黑碳主要分佈在距離地面五六百米的高空。“它們阻擋了城市近地面與上空之間的氣體正常流通,形成‘鍋蓋’,並越積越大,把整座城市悶在下面”。這些黑碳具有強吸光性,使得蘭州大氣邊界層長時間維持一種高溫狀態,形成一道逆溫層,阻礙了近地氣流突破大氣邊界層的可能性。加之高空相對濕度較大,靜風天氣多,就很容易產生霾。

  這一發現讓趙素平興奮不已。“如果能找到高空黑碳的形成機製,並採取行之有效的破解辦法,不就可以揭開這個頭頂上的‘鍋蓋’了嗎?”

  城市治汙需“巧招”

  帶著問題,趙素平繼續研究發現,蘭州高空黑碳主要來源於山頂周邊的煤炭和秸稈燃燒等粗放型燃料所致;相反,地面交通的黑碳貢獻率並不總是最主要的因素。

  這就意味著,在複雜地形條件下,我們可以突破傳統相對簡單的治汙方式,採用更加科學和靈活的治汙手段。比如,地面限行和限排對抑製黑碳很有作用,也能改善大氣垂直擴散的外部條件。但是,如果能同時降低因煤炭和秸稈焚燒帶來的汙染,則可以直接抑製高空中的黑碳含量,為大氣垂直擴散創造更好的條件。

  “換句話說,如果能補貼山頂或周邊農戶改用清潔能源,讓他們徹底擺脫對蜂窩煤或秸稈焚燒的依賴,就能有效降低高空黑碳含量,從而改變城市上空逆溫現象,讓市內熱氣流正常流通至空中形成雲,再通過降雨或降雪緩解霧霾問題。”趙素平微笑著說。

  思路一打開就停不下來。趙素平發現,城市治汙的很多問題在複雜地形因素下,可以找到很多不可思議的“巧招”。

  乾旱地區可採取灑水方式降低汙染物濃度,但灑水中也蘊含著科學道理:噴霧式灑水顯然要比澆灌式灑水效果好,因為低空噴灑的水滴粒徑小,噴灑下來時就像下了一場小雨,不僅能清理路面上的沙塵,更能清理掉空氣中的氣溶膠汙染物,從而減少細顆粒物危害。反之,如果採用澆灌式灑水,不僅浪費水資源,而且很難起到綜合性的治汙效果,有時還因路面濕滑造成其他不必要的社會問題。

  大氣汙染防治工作不僅要減排,更需要具有自我恢復能力的生態系統。這就要求在城市規劃中考慮城市風向問題,避免城市建築物擋住出入風口,以免造成小生態內的空氣流動受阻,從而造成局部汙染;當然,局地增加綠化面積,加大生態修復,對改善城市生態、減緩霧霾亦有重要作用。

  趙素平還有更大膽的一些想法,如果把複雜地形下的氣象、大氣環流與市內環境生態系統聯繫起來,未來甚至可以建立超大規模的“城市局地生態空氣淨化新風系統”……

  年僅33歲的趙素平還有很多治汙的奇思妙想,我們期待他在大氣汙染治理研究中取得更多的原創性科研成果,為“蘭州藍”作出更大的貢獻。

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