在北京北三環(huán)邊的一個面積不大的院落里，有一座鐵塔直沖天際，它比聞名世界的法國埃菲爾鐵塔（324米）還高1米，中國科學(xué)院大氣物理所鐵塔分部也因此而得名。該所研究員傅平青介紹，鐵塔是在1979年由政府投資80萬元建立的，數(shù)十年來已經(jīng)積累了豐富的北京氣象數(shù)據(jù)。

去年10月底，小院里的鐵塔迎來了一批“新鄰居”——載著各種觀測設(shè)備乘船跨越大西洋而來的9個白色集裝箱。傅平青依然記得，當(dāng)時載著這些設(shè)備從天津港來的大卡車在到達(dá)研究所大門口時因高度受限，甚至在午夜造成大半條街的交通擁堵。

“新鄰居”帶來了新任務(wù)。在過去12個月里，基于這些設(shè)施的監(jiān)測已經(jīng)為一項(xiàng)重大中英國際合作研究計劃——中國超大城市空氣污染和人體健康研究（APHH—中國計劃）提供了大量詳實(shí)的數(shù)據(jù)和樣本。據(jù)介紹，該計劃由中英共同斥資約1億元，旨在監(jiān)測北京等大型城市的污染物濃度、種類及其對健康的影響。

“大氣化學(xué)非常復(fù)雜，比如冬季的PM2.5污染和夏季的臭氧污染在很大程度上都是在大氣化學(xué)反應(yīng)中形成的。”伯明翰大學(xué)地理、地球和環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授Roy Harrison在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時說，“如果能夠更精確地模擬這個過程，就可以預(yù)測大氣化學(xué)如何變化，幫助設(shè)計提高空氣質(zhì)量的策略?！?/p>

空地協(xié)同

今年6月中旬的一天，初入暑的北京天空湛藍(lán)，單從肉眼看，這絕對是近年來這座城市一年中不可多得的一個“好天”。但該項(xiàng)目英國科學(xué)家、約克大學(xué)化學(xué)系教授James Lee卻說，這樣的天氣“可能影響健康”。

“從數(shù)據(jù)看，近地面臭氧濃度最高值是150ppbv（十億分之一）?！痹阼F塔下裝滿各種“嗡嗡”運(yùn)行的儀器設(shè)備的一個白色集裝箱內(nèi)，Lee指著其中一臺顯示器說。他表示，近地面臭氧每日8小時平均值為60ppbv左右時被認(rèn)為處于安全水平。

據(jù)介紹，距地面15至30公里的臭氧層能有效阻擋紫外線，保護(hù)人類及其他生物健康；然而，近地面的高濃度臭氧卻有損呼吸系統(tǒng)等組織，不利健康。“這種看不見的污染，正是問題所在?！盠ee說。臭氧污染與日照強(qiáng)度和溫度差異密切相關(guān)，在陰天多云時，大氣中化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)較慢，污染通常較低；而陽光充足的日子里污染會更大。

整個測量基本上由地面和高空兩部分組成。該計劃的霧霾形成機(jī)理和過程研究項(xiàng)目組共同首席科學(xué)家傅平青介紹，地面集裝箱內(nèi)伸出來的管道可測量近地面化學(xué)物質(zhì)及污染物反應(yīng)的化學(xué)過程；而在鐵塔100米處放置的儀器則可以測量高處的空氣樣本?！巴ㄟ^管道把高處的空氣泵到地面，可以測量空中一定區(qū)域的排放量，如氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物和黑炭顆粒物等排放物的種類和通量，了解日光如何影響每種化學(xué)物質(zhì)，使它們之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成其他污染物?！备灯角嗾f。

基于此，研究人員已經(jīng)完成了兩次大型綜合野外觀測：去年11月至12月在鐵塔分部和北京東北郊平谷區(qū)開展的冬季霧霾污染觀測；今年5月至6月在鐵塔分部、平谷和河北保定固城開展的夏季霧霾和光化學(xué)煙霧污染觀測?！斑@是一年中的兩個極端時間，北京這兩個時期的天氣狀況差異非常大，從而可以進(jìn)行對比?！痹撚媱澅本┦徐F霾來源和排放研究項(xiàng)目組共同首席科學(xué)家Harrison介紹說。通過在不同季節(jié)進(jìn)行連續(xù)測試，合作團(tuán)隊旨在了解所排放的不同化學(xué)物質(zhì)種類，其中包括一些重要的高濃度物質(zhì)，以及一些目前測量起來存在較大挑戰(zhàn)的低濃度物質(zhì)。

除了空中和地面定點(diǎn)監(jiān)測之外，項(xiàng)目組還引入了漫游者便攜式空氣污染高靈敏感應(yīng)器作為補(bǔ)充，監(jiān)測不同環(huán)境的污染情況，從而得到更加精確的污染物健康效應(yīng)研究數(shù)據(jù)。“漫游者里有一個SIM卡可以放在手機(jī)里收集數(shù)據(jù)，夜間充電，白天使用。”Lee拿著一個單反相機(jī)大小的黑色感應(yīng)器向記者介紹。項(xiàng)目組在中國的一些市中心和城鎮(zhèn)尋找了參試者，當(dāng)他們在室內(nèi)或在大街上走路時可以監(jiān)測污染物排放，收集感應(yīng)器每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并反饋給項(xiàng)目組。

聚焦通量

據(jù)介紹，APHH—中國計劃于2014年由中英共同確定，主要目的是確定北京市霧霾的來源和形成機(jī)理及其對人體健康的影響，并在此基礎(chǔ)上提供有效的霧霾控制對策。該計劃由中國國家自然科學(xué)基金委員會（NSFC）、英國自然環(huán)境研究理事會（NERC）、英國醫(yī)學(xué)研究理事會（MRC）共同資助，于去年1月啟動，中英近30家單位的200名科學(xué)家參與其中。

“中國以前也做大氣污染研究，但沒有這么全面。這個項(xiàng)目最新的地方是測量污染物的通量。”APHH—中國計劃秘書長、伯明翰大學(xué)教授時宗波告訴《中國科學(xué)報》記者。目前已經(jīng)有很多排放清單，但依據(jù)它們對大氣污染物進(jìn)行治理和預(yù)測很多時候并不奏效。這是因?yàn)闆]有弄清楚各種污染物的精確排放量及其在大氣中的化學(xué)反應(yīng)過程?！巴ㄟ^測量大氣通量監(jiān)測大氣污染物的動態(tài)變化，加上有成套的軟件進(jìn)行模式化，能夠得到更加精確、經(jīng)得住驗(yàn)證的結(jié)果。”他補(bǔ)充說。

“如何設(shè)計策略減少排放，并用最經(jīng)濟(jì)有效的方法提高空氣質(zhì)量是個非常具有技術(shù)性的問題。其中一個關(guān)鍵方面是向模型中輸入正確的污染物排量。”傅平青表示，項(xiàng)目將建立基于在線觀測的原始數(shù)據(jù)庫，特別是分析化學(xué)數(shù)據(jù)。據(jù)介紹，APHH—中國計劃下設(shè)4個研究方向，包括北京市霧霾的來源和排放、霧霾形成機(jī)理和過程、霧霾對人體健康的影響和霧霾控制對策等，它們又分為5個研究項(xiàng)目，每個項(xiàng)目之間相互承接，并各由一名中英首席科學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)。

“通過英國和中國研究人員的密切合作，這個項(xiàng)目旨在發(fā)現(xiàn)針對城市空氣污染共存挑戰(zhàn)的新解決方法，并極大增強(qiáng)我們對空氣污染物來源及其如何影響全球人類健康的認(rèn)識?！盢ERC科學(xué)與研究部門主任Tim Wheeler說，“在重要科學(xué)領(lǐng)域的國際合作能夠支持英國作為全球研究和創(chuàng)新伙伴的身份，一個證明就是英國研究理事會對正在迅速成長為全球科學(xué)強(qiáng)國的中國的投資日益增加?！?/p>

“兩個頭腦更靈光”

在鐵塔腳下的一個白色集裝箱內(nèi)，在約克大學(xué)攻讀博二的Katy坐在一臺顯示器前分析著面前的波浪圖。她向記者介紹，起伏的波浪線顯示的正是儀器檢測到的車輛、工業(yè)乃至樹木、花草向大氣中輸出的排放物。

像Katy一樣，參與APHH—中國計劃的中英雙方學(xué)生還有很多，他們已參與了多輪學(xué)術(shù)互訪。參加這樣的研究對他們未來的職業(yè)發(fā)展“非常寶貴，這是非常重要的經(jīng)歷”，Lee說，“未來20年后，他們可能會在英國或中國獲得重要的學(xué)術(shù)職位。因?yàn)樗麄冊?jīng)參與過這項(xiàng)工作，所以將會進(jìn)一步促進(jìn)未來兩國的學(xué)術(shù)合作?！?/p>

在時宗波看來，此次合作是中英雙方的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，兩國科學(xué)家都在其中注入了各自的專業(yè)所長，每個組都有自己的優(yōu)勢。比如利茲大學(xué)是國際上研究大氣自由基的頂尖機(jī)構(gòu)，該校的一些分辨率可以達(dá)到街道尺度；而中國科學(xué)家對北京地區(qū)的污染歷史了解得更加清楚，且中國的激光雷達(dá)、測風(fēng)雷達(dá)等都為此次研究提供了助力。

“兩個頭腦比一個更靈光，這是合作的優(yōu)勢。”Harrison說。英國在這一領(lǐng)域有更長的研究歷史，擁有更多的大氣污染治理經(jīng)驗(yàn)，但相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用市場比較??；而中國在這一領(lǐng)域的研究發(fā)展得非?？?，且有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前，中英專家正在緊張地對兩次綜合野外觀測獲得的實(shí)時數(shù)據(jù)和樣品展開分析，并計劃在未來幾年公開發(fā)表相關(guān)發(fā)現(xiàn)。專家表示，目前該計劃已經(jīng)取得一些初步成果，但這并非立竿見影的發(fā)現(xiàn)，而是增量式的逐步改善。“這是一個緩慢的過程，我們會穩(wěn)步發(fā)展，把一些事情做得更好?！备灯角嗾f。

（原題為《追蹤“謎霧” 中英科學(xué)家共探超大城市大氣污染對健康影響》）