CESE·实践｜北京大学环境学科暑期赴美学术交流第一日-PKU-CESE-SU
2017年7月25日上午9：30，北京大学环境科学与工程学院郑玫教授和王荣靖老师带领北京大学的九名本科生来到了佐治亚理工学院的环境大楼（Georgia Institute of Technology, Ford Environmental Science and Engineering Building），九名同学是史云岫、徐晔楠、刘晓瑞、柯彦楚、陈翔、井泽华、张丹丹、叶方舒、吴雅珍。在这里，Sally Ng教授为同学们举办了欢迎会。热情的Sally准备了咖啡和水果，驱散了同学们倒时差的倦意；同学们也用同样的热情向Sally做了简单的自我介绍。
半小时之后，来自School of Civil and Environmental Engineering（土木与环境工程系，CEE）的Ted Russell教授准时走进课堂，开始了Georgia Tech暑期学校的第一堂讲座：Air Pollution Modeling: Techniques and Applications。精神矍铄、风趣幽默的Ted教授是空气质量模型方向的专家，他为同学们详细介绍了空气质量模型的研究目的、分类和原理，以及模型的应用实例。
讲座内容1
Ted教授告诉我们，空气污染对人体健康的影响很大，已经成为全球过早死亡的重要因素。为更好地治理大气污染，提升环境质量，高峰圭二需要对大气污染物的来源进行分析。而大气体系非常复杂，空气污染物多种多样、排放源不尽相同，气象条件变化万端。不仅如此，空气污染物的反应更是难以捉摸。例如，环境空气中臭氧生成的前体物为NOx和VOCs，如仅降低其中一种前体物的浓度，臭氧浓度未必会降低。由此可见，大气污染物可能发生非线性、复杂的反应。在以上背景下，想要分析各个大气污染源的贡献，仅仅依靠现场观测很难达成目标。借助现场观测的数据，建立能够综合时空信息、解析源贡献的空气质量模型，是研究大气污染的重要研究手段。
（Provided by Prof. Ted Russell）
空气质量模型主要分为两大类，经验模型(Empirical model, 即datadriven model) 和第一准则模型(1st principle model,即Emission based model)。前者包括受体模型(Receptor model)、空间插值(Spatial Interpolation model)、土地使用回归(Land useRegression model)和卫星光学厚度(Satellite AOD model)等方法；而后者包括扩散模型(Dispersion model,如AERMOD, RLINE)和化学传输模型(Chemical transportation model, 如CMAQ, WRF-Chem STEM…)等方法。这两大类模型的区别在于，Empirical模型不考虑排放的扩散方式和在大气中的具体化学反应，仅仅根据大量监测数据对空气污染的来源进行分析；1st principle模型的分析预测则建立在对大气污染物的传输方式和化学反应的模拟上。
图2 空气质量模型的分类
（Provided by Prof. Ted Russell）
这些模型中，Ted教授着重介绍了两类主要模型，即经验模型中的受体模型(Receptor model)，以及Emission based模型。受体模型主要分两种，第一种为CMB模型(化学质量平衡,Chemical Mass Balance)，其原理是，假使源排放谱不变且线性独立，所分析的物种间不发生作用，则环境中物种i浓度(即“受体”物种i浓度)ci，等于各源排放谱fij各源对环境贡献Si的乘积的总和。(如图，ei为误差)。
我们只需通过现场观测的方法测定各源成分谱fij和环境中污染物浓度ci大卫格瑞特，即可通过解线性方程的方式解出各源对污染物的贡献。第二种是PMF模型(正定矩阵因子分解, positive matrix factorization)。此方法不需得到源成分谱fij，而通过对大量环境样本的观测，同时解出源成分谱和各源贡献的值。Emission based 模型包括CMAQ, WRF-Chem等模型。此模型将为数众多的大气化学反应、大气扩散方程和气象模型加入到模型中，与dispersion model相比，提高了方法的科学性，但同时模型也变得更加复杂和庞大。
最后，Ted教授为同学们讲解了空气质量模型的两个应用实例。首先，Michael Bergin等人应用源解析的方法，研究了泰姬陵颜色变深和其表面颗粒物的来源问题。泰姬陵是印度Agra的著名景点；其“落尘”（soiling）之困扰即泰姬陵在颗粒物沉降作用下，被棕色碳和黑炭颗粒覆盖，影响历史古迹的景观。由于文物古迹的特殊性，印度政府为此一事耗费大量成本进行清洁。Bergin等人的研究得到了Agra和Dehli地区牛粪燃烧和市政固废（MSW）焚烧对泰姬陵表面颗粒物沉降的贡献，说服印度官方于2014年在Dehli和Agra地区禁止了牛粪燃烧，并掀起了是否应当禁止市政固废焚烧的争论。这成功减少了泰姬陵的落尘现象。第二个实例是Ted和南开大学合作，应用PMF/ME2方法分析了源对中国颗粒物pH的贡献。颗粒物pH影响颗粒物的反应性和健康风险，是重要的环境因素，但源贡献不清楚。经过PMF/ME2模型的分析，Ted等人得到对颗粒物浓度贡献较大的五种因素：煤炭、尘土、机动车、二次硝酸盐和二次硫酸盐。其中，机动车、二次硫酸盐主导pH的下降，煤炭、尘土主导pH的上升。
Ted教授生动而精辟的讲解点燃了同学们的好奇心，同学们一扫初见的羞涩，展开了长达20分钟的热烈的师生交流。
中午在Student Center简单用餐后，同学们匆匆忙忙地回到了ES&T大楼，开始了下午的学习。
下午1：00，School of Earth and Atmospheric Sciences（地球与大气科学系，后称EAS）的Sally Ng（吴雅莉）教授为我们带来了题为Aerosol Chemistry: Connecting Lab and Field Studies的学术讲座。
讲座内容2
针对大气气溶胶Aerosol这一主题，Sally认为进行相关研究主要有两个原因，一方面我们想要知道气溶胶的来源和组成，另一方面我们也需要知道大气气溶胶的直接效应和间接效应，其中间接效应指气溶胶作为云的凝结核参与成云并影响太阳辐射的反射的一系列过程；除此之外Sally还特别指出，目前的研究认为大气气溶胶对气候的总体效应是制冷（cooling）而非制热（warming），但是不确定性很大。
在气溶胶的分类、当前研究所面临的挑战等一些基本知识的讲解后，Sally详细介绍了自己的主要研究领域Secondary Organic Aerosol （SOA），包括SOA的前体物、组成、理化性质以及在大气中的老化等方面便携式药田。SOA的形成中一个重要的前体物便是VOCs，可分为生物源（如异戊二烯Isoprene）和人为源（如苯Benzene），在亚特兰大地区，大部分VOCs来自树木的排放。接下来，Sally介绍了SOA的形成机理。VOCs在大气中氧化性成分（OH、O3、NO3）的氧化下生成RO2·，在不同大气环境中会经由不同路径生成不同产物。受全球降雨平均周期的影响李夏普，SOA的生命周期大约为7到10天。在这期间SOA是一个动态系统，可发生多次反应并逐渐老化，最终不可挥发的组分成为颗粒相的SOA。
Sally还介绍了目前SOA领域的研究进展。为了控制SOA的生成，我们需要知道生物源和人为源哪个贡献更大，然而现有的模型对SOA的模拟仍有待完善，但我们已经初步了解了人为污染（即SO2与NOx）对树木排放VOCs的影响。在Southern Oxidant and Aerosol Study (SOAS)项目中，Sally的研究组利用AMS（气溶胶质谱）得到了亚微米非耐火气溶胶实时定量数据，包括有机物，硫酸盐，硝酸盐，铵和氯化物。AMS的优点在于它能够测量OM的总量，缺点是得到的谱图中OM碎片化，无法得到有机化合物的信息，但Sally提到AMS可以利用PMF模型获得有机气溶胶的来源，并可将OM来源分为Isoprene-OA、LO-OOA、MO-OOA、BBOA、COA、HOA等多类我就是传奇 ，其中在美国东南部Isoprene-OA、LO-OOA占比均较大。
研究发现生物源的Isoprene-OA（来自阔叶林）与人为排放的硫酸盐有很强的共变性及相关性，推测很可能是因为硫酸盐对H2O的吸附和颗粒物的表面效应都影响了异戊二烯向有机气溶胶的转化过程。另外，研究发现LO-OOA和松树排放的α-pinene、β-pinene的日变化曲线重合率很高，都在夜晚积累并在凌晨达到峰值；而由于白天光化学反应的存在，3种大气主要氧化性成分中只有NO3拥有同样的日变化趋势，因此可以假设α-pinene/β-pinene + NO3得到LO-OOA，而这个假说同样在实验室烟雾箱模拟中得到证实。Sally结合AMS和FIGAERO-HR-ToF-CIMS数据，对比α-pinene和β-pinene的SOA产率，发现β-pinene的远高于α-pinene的，即β-pinene有更高的潜力生成SOA。最终结论认为，β-pinene + NO3对于夜晚二次气溶胶生成的贡献可达50%。因此，对于如何控制VOCs从而控制SOA的问题，我们有了比砍树更好的解决方案——减少SO2和NOx的排放，通过控制这些人为排放源能控制SOA的形成。
图4 Sally Ng教授与同学们的合影
实验室参访
在听完精彩的学术讲座后，Sally的访问学者黄道老师带领我们参观了他们的实验室。虽然大部分仪器目前在野外，师姐还是为我们进行了细致的讲解。实验室中占地面积最大的就是烟雾箱，CIMS、AMS、SMPS、GC等仪器围绕在烟雾箱周围，对烟雾箱的产物进行测定，其中CIMS主要测气相的物质浓度，AMS主要测颗粒相的物质，而SMPS测定的是数浓度，GC测定加入的挥发性有机物浓度，几台仪器的数据结合，可了解烟雾箱内气相到颗粒相反应的全过程。烟雾箱中为Teflon膜与惰性胶带制成的气袋，四壁为不锈钢镜面并嵌有灯管，提供光照环境，每次实验结束后或没有实验进行时都要用干净的气体持续冲洗，保证气袋不受污染。在Sally的实验室中，一般需备有两个气袋，一个加入NOx，一个不加入，分别用于模拟城市和清洁大气的情形。
图5 烟雾箱
接着，Athanasios Nenes组的石天宇师兄为同学们简单介绍了位于同一实验室的Nenes组的三台组内设计的仪器。首先，第一台仪器用于研究生物质燃烧的排放情况晨悠组合。它将木材在密封装置中燃烧，以此模拟森林火灾；随后收集木材燃烧产物并加以分析，即可评估生物质燃烧的棕色碳排放量。第二台仪器用于测定颗粒物的挥发性。第三台仪器用于测定颗粒物表面张力和在玻璃表面的接触角。一个颗粒物从毛细管口自然沉降至一片载玻片上。用一台高速显微镜观测颗粒物在毛细管口的曲率半径，以此计算颗粒物表面张力；观测颗粒物和玻片的夹角穆晓光 ，即为在玻璃表面的接触角。了解表面张力和玻璃表面接触角可以帮助了解颗粒物相态、吸湿性等性质。
图6 石天宇师兄讲解仪器
结束实验室参观后，部分当地校友与我们进行了简短的经验分享会。校友们分享了在国外留学、任职的感受和体会，为我们提供了宝贵的经验，解答了同学们关于课业压力、经济开销、导师选择等多方面的问题。
晚上18：30，Ted Russell教授邀请同学们共进晚餐远勤山。晚餐在一家极具美洲风情的墨西哥餐厅举行。席间，伴随着带感的摇滚乐，同学们和Ted教授夫妇分享了在GT一日的所见所感。大家在欢声笑语中，带着满满的收获，结束了第一天的旅程。
图7 Ted Russell教授夫妇与学生们的合影
撰稿人：史云岫，徐晔楠