科技创新系列报道之九
2022年北京冬奥会期间，冬奥赛区空气质量实现了“小时级”“公里级”的精准预报，“1微克蓝”频频登上热搜、空气质量每日优良，在世界舞台上展现了“北京奇迹”。
奇迹的背后离不开北京大气监测“黑科技”的强大支撑。北京青年报记者了解到，十年来，北京市生态环境监测中心构建起“天空地”三维立体监测网络，依托卫星遥感、地基雷达、覆盖全市的空气质量自动监测站及PM2.5和总悬浮颗粒物(TSP)高密度监测网，每时每刻开展大气各项污染物的“CT”扫描，让北京拥有了高精度、区域性的空气质量监测预报预警能力。
“目前沙尘主体位于蒙古国南部-内蒙古中部一带，预计将会显著影响京津冀地区”。
“在西北风作用下，本次沙尘持续向东传输且规模不断扩大，目前沙尘前部已开始波及华北北部地区”。
“目前，沙尘主体漫过北京，此次沙尘源于蒙古国中部和我国西北部，覆盖范围广，最大范围近100万平方千米”……
今年3月下旬，北京经历了一次大范围、高强度的沙尘天气。在沙尘抵京前，北京市生态环境监测中心通过官方微博发布了多轮沙尘遥感监测图，对此次污染过程进行“实时直播”。
在监测图上，市民可以清晰看到包括北京在内的我国北方地区大部分城市的空间位置，以及与我国内蒙古接壤的蒙古国。图中，品红色的区域即为沙尘带，通过逐小时的连续跟踪监测，市民可以非常直观地看出沙尘移动过程及影响区域。
“这组图像是借助3.6万多千米高空的遥感卫星生成的。”北京市生态环境监测中心遥感监测室主任李金香介绍，“我们要对接收到的卫星数据进行‘翻译’，剔除掉干扰因素，提取出有价值的信息，最终制成直观易懂的影像图。我们把图像提供给空气质量预报部门，预报员可以依据图像，对沙尘的范围、强度、移动速度、影响程度等信息进行分析，为精准预报提供数据支撑。同时，我们也会把部分图像发布到官微上，提供给公众，让广大市民对此次污染过程有所了解，打消疑虑。”
北京市生态环境监测中心于2012年成立遥感监测室。李金香介绍，成立之初，遥感室仅能从2颗卫星上获取公开可用的数据，如今已增加到6颗卫星。十余年来，北京利用卫星遥感技术开展大气环境监测，空间分辨率和时间分辨率越来越高，环境监测精准度实现了跨越式提升。
“卫星遥感技术就像一个空中照相机。”李金香说，“站在数万千米高空俯瞰地面，从空间上看得清的基本单位是‘像元’，把镜头使劲儿往前拉，过去对大气环境也只能看清‘像元’是边长几十公里的范围，现在‘像元’已经精细到几百米甚至几十米的范围了，而对地表目标的观测‘像元’更是精细到了亚米级。从时间上看，过去使用的卫星一天仅在北京上空经过1-2次，我们每天也就只能捕捉到两次数据；现在增加了静止卫星，北京上空的大气环境实现了逐小时的连续跟踪监测。”
北京不仅能用卫星遥感技术监测沙尘等污染过程，还能动态监管全市大气污染源，例如裸地，辅助扬尘治理。北青报记者了解到，裸地是指没有植被覆盖的土地，是扬尘等粗颗粒物的主要来源之一。这些裸地可能是施工工地长期以来都没有管理到位，或者是人为扰动形成。北京对全市裸地一个月“扫”一遍，对发现疑似裸地问题较多的街道、乡镇进行帮扶，促进属地进行精准治理。“大气污染源监管有很多手段，卫星遥感监测是辅助手段之一，体现了城市精细化管理水平。”李金香说。
垂直向上发激光 平面监测变立体
如果说“卫星遥感”跟踪的是水平面，那么“地基雷达”监测的是垂直层，让北京的大气监测网络由平面变为立体。
在北京，位于北京城区、多方向边界站点的地基雷达站组成了一张“雷达网”。“地基雷达是一种应用激光技术的激光探测雷达，依靠一个直径约20厘米、长约60厘米的长筒，垂直地面向高空发射特定波长的激光。空气质量好的时候，可以探测到地面5公里以上的高空。”北京市生态环境监测中心自动监测室副主任王琴介绍说，当激光束遇到颗粒物、沙尘粒子、雾滴等离子时，会产生后向的消偏回波信号，地基雷达上的接收装置定量分析激光回波信号，从而识别不同高度下的污染粒子类型及污染程度。
王琴介绍，地基雷达就像一台CT机，以15米高度为一个单位，每时每刻对大气污染物的垂直时空分布开展监测。但又不同于一般的CT，它是给大气这广阔而流动的物体所做的CT。因此，要求更高，难度也更大。这种垂直分层，可以有效地监测到垂直上空污染的发展变化过程。例如，外来沙尘污染是在高空传输的，位于北京边界的地基雷达最先探测到高空区域出现粗颗粒物，这是沙尘进京的第一个信号。“当外来沙尘刚从高空抵京时，那时人们一般还感受不到，但地基雷达最先探测到了，随后沙尘会开始垂直下沉到地面，影响到我们呼吸的空气，地基雷达的提前探测为我们提供了一个精准预报的时间差。”
北青报记者了解到，北京用于大气环境质量监测的地基雷达已建设发展了十年，如今实现了全年365天、全天24小时不间断监测，每隔5分钟就能生成一组数据，提升了空气质量监测预报预警能力。
织密空气监测网 分析组分溯源头
在地面上，北京还建成了多个环境空气质量监测网。
公众最为熟悉的是35个空气质量自动监测子站。大家打开手机，可以查询到实时空气质量，以及每个整点时段的主要污染物浓度值，这些数据的来源正是依托35个监测子站。这些监测站点分布在全市各区，织成了一张严密的地面监测网络，北京也成为全国发布数据站点数量最多的城市。
随着大气治理的逐渐深入，北京的大气监测网越织越密。近年来，逐步建成了由1000多个监测站点组成的PM2.5和总悬浮颗粒物(TSP)高密度网格化监测网，覆盖全市各街道乡镇。有了这张高密度监测网络，大幅提升了监测的空间分辨率，使北京市街乡镇级别的空气质量监测数据“从无到有”，形成了“市-区-街乡镇”大气污染治理齐抓共管的新局面。
“上述监测网主要用于常规污染物的评价。除此以外，污染物的化学组分分析也很有价值，为此，我们在地面上建立了颗粒物和挥发性有机物化学成分监测网。”市生态环境监测中心自动监测室副主任王琴介绍说。
据了解，北京现有《彩38APP》15个颗粒物化学成分监测站，用于开展PM2.5化学成分监测。“PM2.5中包含有机物、硝酸盐、硫酸盐、碳组分、重金属元素等数十种可监测化合物。这些化学组分的来源不同，在不同时段或不同污染过程中，各自占比也是不同的，我们可以通过化学成分推断污染来源，有助于开展大气污染治理措施制定及评估。”王琴举例说，一般在PM2.5化学成分中，含有少量来自土壤里的地壳元素，如硅元素、铝元素等。当遇到外来沙尘时，地壳元素的占比迅速攀升，导致PM2.5化学成分发生明显变化。通过监测这一变化，就可以计算出此次沙尘天气过程对北京PM2.5浓度升高的贡献度。
比如，2017年以前，北京及周边区域冬季采暖较大依赖于燃煤，北京每到冬季，PM2.5中有机物、硫酸盐、氯离子等燃煤排放的组分浓度就明显高于非采暖季，说明当时燃煤燃烧对空气污染的贡献率比较高。
正是依托于颗粒物化学成分监测网，北京开展了三轮PM2.5来源解析工作，源解析结果支撑了北京市“清洁空气五年行动计划”“蓝天保卫战三年行动计划”的措施制定。如今，北京基本实现无煤化、机动车更清洁，也最终实现了北京空气质量明显改善，交出了PM2.5“十年降六成”的成绩单。
此外，北京还有覆盖到各区的挥发性有机物化学成分监测站。王琴介绍，挥发性有机物是一类混合污染物，化学组分成千上万种，对臭氧和PM2.5的生成均有重要作用。工作人员选取浓度占比较高、环境影响较大的化学组分进行分析，目前可实现100余种挥发性有机物的监测，同样可以通过特征源类的挥发性有机物浓度特征来反推污染源并分析其对臭氧和PM2.5的生成贡献，用于大气污染治理措施的制定。
有了天上的“卫星遥感”、空中的“地基雷达”、地上的“空气质量监测网”，北京便构建起“天空地”三维立体监测网络。在2022年北京冬奥会上，市生态环境监测中心运用三维立体监测网络，对冬奥赛区空气质量实现了“小时级”、“公里级”的精准预报，为区域污染治理提供了技术支撑，实现北京冬奥会期间空气质量全部优良。
延伸
北京将逐步构建温室气体监测网络
党的十八大以来，北京市生态环境质量改善取得里程碑式突破，科技创新发挥了关键的支撑作用。北京青年报记者从北京市生态环境局了解到，“十四五”时期，本市将逐步构建温室气体立体监测网络，助力绿色低碳发展。
推动行业绿色低碳发展转型
2021年，北京市空气质量首次全面达标，蓝天白云成为常态；2022年，北京冬奥会、冬残奥会的“冬奥蓝”举世瞩目，联合国环境署评价北京大气治理成效为“北京奇迹”。北京市生态环境局相关负责人表示，环境科技是改善生态环境质量的有力武器，科技工作从科学认知、决策支持、行业管控等方面为科学治污、精准治污、有效治污提供了全面支撑。
北京市在开展生态环境保护工作过程中，统筹谋划以科学研究揭示污染来源与成因、以有效感知支持精准治污、以先进技术推动有效治污、以开放的态度合作共享环境科技成果。构建了较为完善的生态环境科技工作体系，为生态环境保护工作提供有力支撑，也推动了相关行业的绿色低碳发展转型。
北京市生态环境局科技与国际合作处处长明登历介绍，本市逐步提升监测监管能力，支撑精准治污。在传统监测方法的基础上，通过科研先行、试点应用，待方法成熟后全面推广的方式，稳步推进先进的采样、数据传输、分析预测预报这些技术的应用，支持构建了国际一流的天空地立体环境及污染源监测体系，提升动态化、精细化的管控水平。
“像热点网格、车载移动监测、在线监控这些技术手段，已经成为我们环境执法的秘密‘武器’。我们也探索性开展了无人机的应用，大大提高了执法监管的科技化和精准化水平。”明登历说，本市依托覆盖街乡镇的高密度监测网络，开展动态网格污染研判评估、获取污染高值区域和点位，为监管执法提供精准的依据。同时，构建重型柴油车远程在线监控系统，实现了对数十万辆重型柴油车排放情况的实时监控。
构建温室气体监测体系
北青报记者了解到，除传统的环境要素外，生物多样性、温室气体监测等体系的构建也已纳入工作安排。
北京市生态环境监测中心副主任鹿海峰介绍，构建温室气体监测体系目前已提上日程。“温室气体监测是支撑减污降碳协同增效的一个重要技术手段。”鹿海峰说，“十四五”期间，本市将逐步建立自动监测为主、遥感监测为辅，走航和手工监测为补充的天空地一体化的温室气体立体监测网络，用来科学表征北京市空气中温室气体浓度水平以及变化趋势。
同时，本市还将开展典型行业温室气体排放监测，来进一步探索开展城市生态系统碳汇监测，进行减污降碳协同分析与评估，为北京市实现碳达峰碳中和目标，推进减污降碳协同增效提供有力的技术支撑。
在生物多样性方面，北京市生态环境保护科学研究院副院长聂磊介绍，本市已建立生物多样性调查与评估方法，建成生物多样性本底数据库。“十四五”期间，北京将在完成一轮调查工作的基础上，分析整理相关数据，更全面掌握全市生物多样性本底情况。同时，北京正在积极探索开展生物多样性智慧观测技术。
据了解，北京是世界上生物多样性最丰富的大都市之一。近年来，全市大力推进生物多样性保护工作，通过本底调查，已经记录87种北京新记录种，其中18种为中国新记录种。同时，本市近年来还频繁记录到生态向好的指示物种，包括黑鹳、水毛茛等。
2021年，北京首次开展了全市集中建设区生态环境质量评价，结果显示生态环境状况良好。其中，中心城区的植被覆盖指数优于全市集中建设区的平均值，东城区、西城区绿地服务指数分别位居全市第一、第二。
环境改善已进入绿色转型攻坚期
“十四五”时期，北京市生态环境质量改善进入从量变到质变、推动经济社会发展全面绿色转型的攻坚期。结构型污染问题仍然突出，资源节约与结构调整任重道远。
北京市生态环境局科技与国际合作处处长明登历表示，“我们还是要依靠科技进步来构建现代化的环境治理体系，要综合应用大数据技术，AI、区块链这些智慧化的技术来打造智慧化的监测、监管、执法和决策支持系统。推动重点领域绿色低碳技术的研发、试点、示范，以及系统的集成和产业化，要提供更加低成本更高效率的解决方案。我们希望通过科技创新来支持环境改善和首都高质量发展的目标。”
同时，北京市环科院正在开展北京市“十四五”、“十五五”时期减污降碳协同增效路径研究，设计了不同时段不同领域的协同控制方案和重点方向，测算减排潜力，提出协同控制目标建议，为《北京市减污降碳协同增效实施方案》的编制提供支撑。
