文/曹舒雅

黃順祥：向霾挑戰(zhàn)

文/曹舒雅

2016年9月12日,在中國國際展覽中心,中國人民解放軍防化學(xué)院院長呼小平少將,發(fā)布“全國空氣質(zhì)量高分辨率預(yù)報和污染控制決策支持系統(tǒng)（NARS,簡稱吶思系統(tǒng)）”。這則消息迅速被多家媒體頭條推送。NARS的成功問世,有一個至關(guān)重要的角色,他就是NARS研究團隊的領(lǐng)軍人物,防化學(xué)院研究員黃順祥。

跨領(lǐng)域?qū)W霸

1976年,黃順祥出生在重慶的一個偏遠(yuǎn)山村。因為家境貧寒,“上了小學(xué)沒想過上初中,上了初中沒想過上高中”的黃順祥,憑借天分和勤奮,一路讀到了理學(xué)博士,并成為能帶博士團隊的科學(xué)家。小學(xué)畢業(yè)不打算再上學(xué),但升學(xué)考試成績距滿分只差15分；因為中考時報考了普通高中,被爸爸打了一耳光,中考卻以全班第一名的成績考入省重點高中。黃順祥或許就是天生讀書的料。

你若說他聰明,黃順祥卻說自己做了很多“傻事”。1995年,黃順祥高考考入中國人民解放軍防化學(xué)院軍事指揮專業(yè)。在大學(xué),高等數(shù)學(xué)作業(yè)通常是同學(xué)們最頭疼的事兒,可黃順祥卻覺得老師布置的作業(yè)不過癮,自己把高等數(shù)學(xué)上、下冊所有習(xí)題都做了一遍。學(xué)C語言編程,黃順祥又買了一本編程習(xí)題集來“過癮”,并發(fā)現(xiàn)了書中的幾十處錯誤。這也不是他第一次“不盡信書本”,高中時做奧林匹克物理競賽題,黃順祥發(fā)現(xiàn)一道題答案好像不對,經(jīng)反復(fù)計算確認(rèn)后,他大膽寫信給編寫題集的武漢大學(xué)教授,闡述自己的解題方法和答案,不久后他收到教授的親筆回信:下一版修正。

傻事做多了,就遇上了好事。大學(xué)期間,黃順祥參加北京市高等數(shù)學(xué)競賽和大學(xué)物理競賽同時獲獎,在大三時就立了三等功；大四的時候,學(xué)院又破例跨專業(yè)免試錄取他為工程學(xué)研究生。

為了拓寬視野,黃順祥的研究生導(dǎo)師陳海平特意協(xié)調(diào)派送他到清華大學(xué)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)學(xué)科、到北京大學(xué)學(xué)習(xí)專業(yè)學(xué)科、到中國科學(xué)院大氣物理研究所完成畢業(yè)論文。由于是跨專業(yè),很多專業(yè)學(xué)科黃順祥都是零基礎(chǔ),但是在結(jié)課前,他總會迎頭趕上,令地方高校的教授稱贊不已。

研究生期間,黃順祥參加了哈爾巴嶺日遺化武埋藏點中日聯(lián)合調(diào)查作業(yè)。時任履約事務(wù)局趙福金局長說:“對于處理哈爾巴嶺日遺化武,我唯一沒底的是這么大的埋藏點,發(fā)生爆炸后毒劑云團在如此復(fù)雜的地形上將如何擴散和造成多大的危害？”帶著這個難題,黃順祥進入到研究生的畢業(yè)論文中,并在論文中解決了復(fù)雜地形上毒劑云團擴散這一難題,并因此榮獲以葉篤正院士名字命名的“學(xué)篤風(fēng)正獎”和軍隊科技進步二等獎。

剛工作不久,SARS病毒侵襲我國。黃順祥從湖南結(jié)婚回到學(xué)院就被集體隔離。隔離期間,黃順祥對這個新型病毒產(chǎn)生了興趣,開始查閱傳染病疫情預(yù)測的科學(xué)文獻,通過深入分析研究已有三代傳染病模型,試圖預(yù)測疫情的發(fā)展。但推導(dǎo)和試驗一度陷入困局。一天,黃順祥突發(fā)奇想,既然原有傳染病模型不能表達(dá)控制措施對疫情發(fā)展的規(guī)律,那么就先探索控制措施對疫情影響的動力學(xué)關(guān)系。按照這個思路,黃順祥很快就找到反映控制措施對疫情影響的動力學(xué)規(guī)律,將新建立的疫情控制函數(shù)與傳統(tǒng)的第三代傳染病模型聯(lián)立求解,對“非典”疫情的預(yù)測準(zhǔn)確性顯著提高。

遺憾的是,由于缺乏思路和有效途徑,黃順祥和同伴沒有及時將研究成果公開或提交給國家有關(guān)部門進行應(yīng)用。但是這樣的解題思路在之后的霧霾研究中得到了應(yīng)用,這樣的遺憾在日后的研究中也得到了彌補。2009年,甲型H1N1病毒在全球暴發(fā),黃順祥帶隊攻關(guān),得出甲型H1N1流感在我國的基本傳染率為0.6的科學(xué)結(jié)論,由此建議疫情防控不需要采取控制流動人口、集體隔離和關(guān)閉海關(guān)等特別嚴(yán)格的控制措施,被國務(wù)院采納,間接為我國甲型H1N1流感防控減少數(shù)百億經(jīng)濟損失。

去年天津爆炸事故發(fā)生后,黃順祥帶隊建立的“天津港區(qū)8·12特大火災(zāi)爆炸事故應(yīng)急處置決策支持系統(tǒng)”為解放軍和武警部隊聯(lián)合指揮部提供了決策支持,為消除人們恐慌發(fā)揮了重要作用。近年來,黃順祥負(fù)責(zé)建立的化學(xué)危害預(yù)測預(yù)警與控制系統(tǒng)為北京奧運會、深圳大運會、廣州亞運會等重大活動安保應(yīng)急力量部署提供了實時技術(shù)支持,為我國執(zhí)行敘利亞化學(xué)武器護航提供了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的化學(xué)風(fēng)險評估系統(tǒng),研制的“反化學(xué)恐怖決策支持系統(tǒng)”在國家“長城6號”反恐演習(xí)進行中進行實戰(zhàn)化應(yīng)用。該成果被評為軍隊科技進步一等獎。

從軍21載,黃順祥憑借在處理日遺化武領(lǐng)域、核安全領(lǐng)域、生物安全領(lǐng)域、化學(xué)安全領(lǐng)域的重大突破和貢獻,獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、軍隊科技進步一等獎4項、二等獎2項、三等獎1項、國家環(huán)境保護科學(xué)技術(shù)二等獎1項,發(fā)表論文86篇,出版專著5部,國家發(fā)明授權(quán)專利19項,軟件著作權(quán)5項,榮立個人二等功2次、三等功2次,被評為全軍優(yōu)秀共產(chǎn)黨員,是全軍最年輕的國家技術(shù)發(fā)明獎首要完成人,國家重點研發(fā)計劃首席青年科學(xué)家。黃順祥告訴記者:“你看我給你講這些都輕描淡寫,其實都是很難解決的問題,理論與技術(shù)都是最前沿的,都是最難啃的骨頭。”

2016年10月1日14：00造成北京市五環(huán)內(nèi)空氣污染的排放源及貢獻率分布

攻關(guān)霧霾

為什么總挑難啃的骨頭？因為這是國家、軍隊和社會最需要解決的問題。常年與黃順祥組隊攻關(guān)的劉峰博士,這樣總結(jié)這些年來他們一直在做的事。

2015年在全國科學(xué)技術(shù)獎勵大會上,黃順祥上臺領(lǐng)獎時,給他頒獎的萬鋼部長對他說:“你們生物氣溶膠的項目做得很好,希望下一步在霧霾防控領(lǐng)域深入發(fā)展?！秉S順祥激動地回了一句:“好！”他沒想到,自己與萬鋼部長并不相識,但首長卻能記住項目的題目和內(nèi)容,并指引了一個新的方向,令他感到驚喜、壓力和希望。但是萬部長沒有想到的是,其實早在這之前,黃順祥就已經(jīng)開始向霧霾發(fā)起挑戰(zhàn)。

2013年,我國出現(xiàn)大規(guī)模霧霾污染天氣,國務(wù)院出臺了大氣污染防治行動計劃。作為中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會特邀常務(wù)理事,黃順祥參與了計劃的討論,意識到有很多問題亟待解決,由此決定踏入霾防控領(lǐng)域。今年,黃順祥以“大氣重污染綜合溯源與動態(tài)優(yōu)化控制研究（青年項目）”為題,申請了國家重點研發(fā)計劃,并成為第一批項目首席科學(xué)家。

記者：從核生化領(lǐng)域轉(zhuǎn)戰(zhàn)治霾，是再一次挑戰(zhàn)新領(lǐng)域嗎？

黃順祥（以下簡稱黃）：應(yīng)該說是在核生化應(yīng)急領(lǐng)域研究基礎(chǔ)上開展的。核生化物質(zhì)在空氣中的傳輸、擴散、沉降、轉(zhuǎn)化過程及其造成影響的控制,與空氣中常規(guī)污染物的基本原理有一致性,一些通用技術(shù)可以用于霧霾防治。但各自又有自身特征,應(yīng)該說大氣污染防治在很多方面更為復(fù)雜,具有極大的挑戰(zhàn)性。

記者：能不能先介紹一下NARS在霧霾防控方面的突破？

黃：霧霾防控主要分為以下五個方面:一是源清單,包括工業(yè)源、生活源、建筑源、交通源等；二是大氣環(huán)境監(jiān)測；三是末端控制；四是空氣質(zhì)量預(yù)報；五是控制與防治。前四項屬于常規(guī)技術(shù),發(fā)展相對成熟。在這個基礎(chǔ)上,吶思系統(tǒng)除了具有排放源、監(jiān)測結(jié)果分析和預(yù)報空氣質(zhì)量功能外,首次實現(xiàn)了精準(zhǔn)溯源和動態(tài)優(yōu)化控制。

記者：能解釋一下什么是精準(zhǔn)溯源和動態(tài)優(yōu)化控制嗎？

黃：我們說大氣重污染到底是由哪些源導(dǎo)致的,以前可以追溯到行業(yè),比如說在北京,交通源占多少比例,生活源占多少比例。也可以追溯到大的區(qū)域,比如昌平、海淀。這些溯源做不到精細(xì)。比如明天天安門重污染,但你不能確定引起重污染的排放源是在什么時間、什么地點、對天安門污染的貢獻是多少。以前的技術(shù)做不到,這就是我們提出的精準(zhǔn)溯源。第二,一方面污染控制需要一定的成本和代價,比如企業(yè)關(guān)停要產(chǎn)生經(jīng)濟損失；另一方面,污染控制也要產(chǎn)生一些效益,比如空氣質(zhì)量的改善使疾病減少、心情變好、工作效率提高等。采取什么樣的控制措施才能在保證空氣質(zhì)量的同時使控制代價最小,這就是一個優(yōu)化控制問題。這就是我們?nèi)〉猛黄频膬蓚€技術(shù)瓶頸。

記者：精準(zhǔn)溯源如何實現(xiàn)？

黃：每個地方排放源是確定的,作為已知條件,可以得出排放源產(chǎn)生的污染物濃度的時空分布,這是正向的模擬過程。而溯源是一個反向過程。比如天安門出現(xiàn)了重污染,反演哪些污染源導(dǎo)致了天安門的重污染。過去常用的方法是源開關(guān)法,就是把各個源關(guān)掉,逐一計算污染濃度分布的變化。從時效性來說無法滿足需要。現(xiàn)在我們應(yīng)用伴隨算子原理,從目標(biāo)出發(fā),反向求解,一次性得出每個污染源對目標(biāo)區(qū)域的貢獻率,從而實現(xiàn)了高分辨率網(wǎng)格化溯源,即我們所說的精準(zhǔn)溯源。

記者：通過精準(zhǔn)溯源和動態(tài)優(yōu)化控制，閱兵藍(lán)可以變成常態(tài)藍(lán)嗎？

黃：北京現(xiàn)在重污染天氣一年40天左右,在這個時間里,通過精準(zhǔn)溯源,動態(tài)地關(guān)停部分企業(yè),每個企業(yè)關(guān)停時間是很小的,這個代價并不大,作為行政措施是可以實現(xiàn)的,就像車輛尾號限行、高峰期限行一樣。應(yīng)該說我們可以以較小代價取得較大效益,從而實現(xiàn)重點區(qū)域的常態(tài)藍(lán)是可能的。

記者：過去我們是全部關(guān)停，精準(zhǔn)治霾其實也是一種關(guān)停法，只不過過去是一個總開關(guān)，現(xiàn)在把它變成了很多個開關(guān)來調(diào)控？

黃：我們說的精準(zhǔn)治霾是一個科學(xué)方法,不是消除已產(chǎn)生的霾。通過計算各個源對目標(biāo)區(qū)域污染的貢獻率及所產(chǎn)生效益和控制的代價,妙就妙在這里面的算法。現(xiàn)在大家有錯覺,治霾是不是用噴霧劑之類的把霾消了,我們不是這個概念。比如北京市為了空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo),對污染有貢獻的源你就減排限排,沒貢獻的就不用管它。精準(zhǔn)治霾,就是找準(zhǔn)源頭,精準(zhǔn)發(fā)力。

記者：如果減限排企業(yè)影響到本地經(jīng)濟發(fā)展，這個時候就需要優(yōu)化控制來解決了。

黃：對。動態(tài)優(yōu)化控制方程如何描述,雖然我只用了半小時就把核心方程寫出來了,但對這個問題我思考了很久。這個方程里要把自然、經(jīng)濟、社會和人文等因素都統(tǒng)一在一起,并給出定量計算方法。

記者：如何把人文因素放在方程里？

黃：我們可以這樣去理解。比如今天天氣很好,你的工作效率會高一些,因為心情很好,這是人文因素。

記者：但如何用數(shù)字表達(dá)？

黃：目前國內(nèi)外有一些公開結(jié)果可以引用,部分參數(shù)我們進行了估算。但這些結(jié)果是不是和現(xiàn)實一一對應(yīng),有待于進一步統(tǒng)計完善。但是方程本身是嚴(yán)格的,整個優(yōu)化控制關(guān)鍵要素是全的,而且是量化的,有各項參數(shù)。參數(shù)的取值本身是一件非常復(fù)雜的事情,這個需要做專門的研究,取值要結(jié)合當(dāng)時的社會背景、經(jīng)濟條件和相關(guān)政策。

吶思超級計算集群

瓶頸與前景

記者：NARS現(xiàn)在應(yīng)用情況如何？

黃：目前實現(xiàn)了全國9km、區(qū)域3km、局地1km的分辨率預(yù)報未來一周的空氣質(zhì)量,京津冀地區(qū)的預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到80%到90%。2015年,我主持了貴陽市空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)項目,目前在貴陽地區(qū)實現(xiàn)了分辨率達(dá)1km的空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警,并初步實現(xiàn)了精準(zhǔn)溯源和動態(tài)優(yōu)化控制的業(yè)務(wù)化,主要是許多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要進一步補充完善。

記者：這套系統(tǒng)的主要用戶是政府？

黃：動態(tài)優(yōu)化控制這項功能的用戶主要是政府,因為只有政府才可以去實施減排限排,只有它具有這個職能。

記者：所以NARS實現(xiàn)精準(zhǔn)治霾必須依靠政府？

黃：現(xiàn)在就是需要管理部門應(yīng)用它,要不它的優(yōu)化控制的功能是實現(xiàn)不了的。我們相當(dāng)于給管理部門提供了一個決策手段。

記者：所以NARS的有效性有待于政府利用之后才能驗證？

黃：從驗證的角度上,只要政府去做肯定有效,因為里面所有的方法都是通過嚴(yán)格的理論證明的,通過嚴(yán)格推理來的。就像直角三角形勾股定理,不需要實驗,是證明得出的。

記者：這個系統(tǒng)完全就是有待用？

黃：用就可以了,但要在使用過程中補充完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

記者：這么自信？

黃：對！說實話,我擔(dān)心的是這個系統(tǒng)的落地問題,政府用起來有難度。因為它涉及制定一些新的政策,這對政府來說是壓力也是阻力。但是你沒有新的政策是落實不了的。不過我相信,雖然吶思系統(tǒng)不會很快落地,但遲早要落地,因為大氣污染防治的客觀需求形成了這種趨勢。

記者：這個系統(tǒng)落地后，制定的政策會影響到很多人，系統(tǒng)一旦有任何瑕疵，都會引起風(fēng)浪。

黃：肯定有瑕疵,只是說我們抓住了主要矛盾。我們是假設(shè)氣象預(yù)報是準(zhǔn)的,源是準(zhǔn)的,化學(xué)模式是準(zhǔn)的,那么精準(zhǔn)溯源肯定是準(zhǔn)的。但是現(xiàn)在的問題是這三個都不準(zhǔn),都有一定的誤差。就是方法是精準(zhǔn)的,但條件不一定準(zhǔn)確。但這三個誤差最終導(dǎo)致的誤差不一定是加和,它可能還相互抵消,所以溯源的精準(zhǔn)性也會在一定的誤差范圍內(nèi)。

記者：NARS發(fā)布以后，下一步攻關(guān)方向是什么？

黃：目前,我們正在發(fā)展顆粒物的毒性監(jiān)測傳感器?，F(xiàn)在所有的傳感器監(jiān)測的都只是濃度,不監(jiān)測污染物的毒性。因為顆粒物是一個混合物,常常有幾百種物質(zhì),它們到底有多大毒性,過去都沒有監(jiān)測。我們現(xiàn)在和北京大學(xué)、北京眾藍(lán)科技有限公司聯(lián)合研究一款大氣顆粒污染物毒性監(jiān)測傳感器,這些前沿技術(shù)也會成為NARS的組成部分。

第二是非常規(guī)污染源的反演。我們現(xiàn)在使用的源清單都是常規(guī)污染源,企業(yè)偷排在這個清單里是沒有體現(xiàn)的,還有一些突發(fā)事故的污染源。通過監(jiān)測結(jié)果與預(yù)測結(jié)果關(guān)聯(lián)矩陣的異常,從而識別和反演這些非常規(guī)污染源。

記者：現(xiàn)在進行得怎么樣？

黃：基本原理都搞清楚了。把基本理論變成一項成熟的技術(shù)還有很多路要走。

記者：作為領(lǐng)軍人物，這個團隊是怎么組建起來的？

黃：這個研究團隊最核心的是選準(zhǔn)人。因為屬于跨學(xué)科的交叉領(lǐng)域,人員構(gòu)成非常重要,必須是各學(xué)科方向掌握前沿理論和技術(shù)的人才。我的學(xué)習(xí)和工作背景決定,在中國科學(xué)院、北京大學(xué)、國家氣象局、中國地質(zhì)大學(xué)、防化學(xué)院等單位有很多優(yōu)秀的師兄弟姐妹,很快就組織起了這個隊伍。

記者：這個系統(tǒng)引起媒體關(guān)注的還有一點，就是軍民融合這個概念。

黃：對,吶思系統(tǒng)團隊由防化學(xué)院牽頭,中國科學(xué)院大氣物理研究所、北京大學(xué)、國家氣象中心和北京眾藍(lán)科技有限公司等單位聯(lián)合組建。從我們防化學(xué)院職能上講,一是為軍隊核生化防護服務(wù),二是為國家核生化安全服務(wù),職能上本身就是軍民融合。第二,前面講了霧霾防控的常規(guī)技術(shù)主要是地方研究成果,技術(shù)自身就會融合。★

責(zé)任編輯：曹舒雅