2011 年至今, 中国发生多次大范围雾霾事件。相关城市空气环境监测结果表明, 北京、西安、沈阳、重庆等都属于重度雾霾发生地区。

随着中国经济的快速发展, 城市化进程的加快, 能源消耗和大气污染物排放总量不断增加, 中国空气质量面临严峻挑战。目前, 我国空气污染已由传统的总悬浮颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物(PM₁₀)和SO₂污染转向以大气细颗粒物(PM_2.5)和污染气体(VOCs、O₃、NO_x)等组成的跨区域、复合型大气污染, 其中以PM_2.5污染问题最为突出。2011年末以来, 多次大范围灰霾天气引起了国内外广泛关注。

为探究大气中羰基化合物的质量浓度水平及变化规律, 利用滤膜系统(FP)同时采集大气中颗粒相和气相羰基化合物, FP系统由3 层47 mm 滤膜组成, 其中, 第1 层滤膜用于收集颗粒相羰基化合物, 第2 层和第3 层滤膜涂布五氟苄基羟胺(PFBHA)衍生剂, 用于收集气相羰基化合物。PFBHA 的涂布量为12 μmol、采样流速4 L/min, 每个样品采集4 h。采集后的样品用正己烷提取。利用该方法对上海市大气中的羰基化合物进行研究, 结合气相色谱/质谱仪(GC/MS), 分析大气中羰基化合物浓度的日变化、季节变化以及气相-颗粒相分配规律。研究结果表明:1)上海市大气中15 种目标化合物均能检测到, 包括13 种单羰基化合物和2 种二羰基化合物;2)上海大气中羰基化合物具有明显的日变化和季节变化, 气相羰基化合物的浓度在中午达到最大值, 颗粒相则相反;夏季羰基化合物的总质量浓度((33.8±15.9)μg/m³)显著高于冬季和春季(分别为(10.5±5.0)和(14.0±7.0)μg/m³);3)羰基化合物的气粒分配规律表现为与温度呈正相关、与相对湿度呈负相关。本研究表明, FP 系统可替代AD-FP(环形溶蚀器-滤膜系统)同时采集大气中气相和颗粒相中的羰基化合物, 易于携带, 为羰基化合物的野外观测提供便利。

以重庆市渝北区、南岸区和渝中区3 个主要城区为研究对象, 采集夏季PM_2.5样品, 应用DRI Model 2001A 热/光分析仪, 采用IMPROVE-TOR 方法测定了PM_2.5中有机碳(OC)和元素碳(EC)含量, 并对3 地的OC、EC 污染特征进行了评价, 探讨了PM_2.5中含碳物质的来源。结果表明, 南岸区OC、EC 质量浓度分别为(5.8±1.5)、(2.5±0.8)μg·m^-3, 低于渝北区((8.9±3.2)、(4.2±1.6)μg·m^-3))和渝中区((8.8±2.2)、(4.6±1.3)μg·m^-3), 与PM_2.5质量浓度的分布一致, 表明渝北区和渝中区的含碳污染物的排放可能较为严重。渝北区、南岸区和渝中区的OC 与EC 均显著正相关, 表明三大城区OC 和EC 可能分别具有相似的一次污染源。排除降雨天和O₃浓度较高的晴天, 利用m(OC)/m(EC)比值法对渝北区、南岸区、渝中区二次有机碳(SOC)进行估算, SOC 质量浓度分别为(2.0±1.8)、(1.0±0.7)、(2.3±2.0)μg·m^-3, 占OC 比例均低于30%。渝中区SOC 对OC 的贡献率最高, 这可能是因为该地区易于形成城市热岛效应, 且热量和辐射效应更加明显, 有助于SOC 的生成。通过计算PM_2.5中8 个碳组分丰度, 初步判断机动车尾气排放可能是三大城区碳质组分的主要来源。

为探讨春季沙尘(暴)期间兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)碳气溶胶的变化特征, 2012 年5 月17—26 日于SACOL 站采用石英膜收集PM₁₀样品, 利用DRI-2001A 热/光碳分析仪测量元素碳(EC)和有机碳(OC)的质量浓度。结果显示, 沙尘(暴)是导致OC、EC 质量浓度增大的主要因素。采样期间EC、OC 和总碳(TC)的平均质量浓度分别为2.71、11.26 和13.97 μg/m³。进一步分析显示, 沙尘(暴)期间兰州城区碳气溶胶污染逐渐加重主要受本地源的影响。PM₁₀中OC 和EC 的相关系数达到0.94, 揭示SACOL 站OC、EC 的来源相对一致。OC/EC 的均值为5.05, 表明春季SACOL 站PM₁₀中碳气溶胶存在二次污染。二次有机碳(SOC)的质量浓度为3.37 μg/m³, 为OC 的29.9%。结合考察周边环境, 分析表明SACOL 站春季碳气溶胶的主要来源是直接污染源, 来自周边环境中的燃煤以及机动车尾气排放。对碳气溶胶8 种组分的因子分析结果也表明, 周边环境的燃煤和机动车尾气排放是春季SACOL 站碳气溶胶的主要贡献源。

通过实验采样分析, 研究了西安市冬季不同空气质量级别(HJ 633—2012)下PM_2.5质量浓度及化学组分的变化特征和污染规律。结果表明, 西安市2008—2009 年冬季所有采样天均为轻度污染到严重污染状况, PM_2.5质量浓度100%未达标(GB3095—2012);PM_2.5质量浓度及其化学组分基本随空气质量级别恶化而增加, 除个别元素外, 其他化学组分的质量浓度在严重污染时均出现突增, 有机碳(4.5 倍)和水溶性无机离子(2.7 倍)的增加倍数较大;随大气污染程度的增加, 人为源的重金属富集因子增加剧烈(1.6~2.0 倍), 而主要来自自然源的元素富集因子变化无规律;重污染时期PM_2.5中的多环芳烃(PAHs)、正构烷烃(nalkanes)均主要来自人为源排放贡献, 其中生物质燃烧、低温燃煤排放是PAHs 剧增的主要因素。

为研究污染条件下西安市秋季大气颗粒物的散射特征及其影响因素, 于2012 年11 月监测大气颗粒物散射系数并采集PM_2.5样品。探讨了大气颗粒物的散射日变化特征, 通过实验分析PM_2.5中水溶性离子(Na⁺、NH₄⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、F^-、Cl^-、NO₃^-和SO₄^2-)和含碳物质(有机碳和元素碳)的污染水平, 并讨论它们的来源及对散射系数的影响。结果表明, 颗粒物的散射系数均值为(579±387)Mm^-1, 夜间高日间低。PM_2.5质量浓度与散射系数呈现出较强的线性关系(相关系数为0.85), 通过回归方程得到PM_2.5散射效率为3.09 m²·g^-1。在PM_2.5化学组分中, 有机物对消光系数的贡献最大, 占52.3%;其次是NH₄NO₃和(NH₄)₂SO₄, 贡献率分别为16.2%和13.7%。

以西安市冬季某研究生高层公寓为监测对象, 通过1 min 时间间隔同步监测, 研究了不同楼层室内外空气中颗粒物PM1、PM_2.5、PM₁₀以及总悬浮颗粒物TSP 的质量浓度、分布状况与变化特征。结果表明, 西安市冬季高层公寓存在严重的颗粒物污染, 室内粗颗粒物PM₁₀质量浓度为(65.5±20.0)~(142.0±16.9)μg/m³, 略低于室内空气质量标准, 但室内细颗粒物PM_2.5及超细颗粒物PM1分别为(52.2±14.3)~(111.5±12.2)μg/m³和(50.6±13.9)~(108.7±11.9)μg/m³, 其中PM_2.5质量浓度占总悬浮颗粒物TSP 的50%以上;室外以粗颗粒物PM₁₀为主, 楼层高度与颗粒物质量浓度之间无显著关联。

分析了2013 年秦俑博物馆(秦俑馆)1 号坑遗址保护展示厅的室内空气质量, 包括微气候条件、气溶胶质量浓度及化学组成的冬、夏季特征, 并通过探讨其在1989 至2013 年间的演化, 评价博物馆的旅游规划和环境改善政策对文物保存大气环境的长期影响。自20 世纪90 年代开始, 秦俑馆内一系列环境措施的实施和旅游条件的建设, 对秦俑馆室内的气溶胶及其组成产生了显著的影响。其中, 夏季室内总悬浮颗粒物(TSP)的质量浓度由1994 年的540.0 μg·m^-3降低至2004 年的172.4 μg·m^-3, 冬季TSP 的质量浓度由1994 年的380.0 μg·m^-3降低至2005 年的312.5 μg·m^-3。夏季PM_2.5的质量浓度由2004 的108.4 μg·m^-3降低至2013 的65.7 μg·m^-3, 冬季PM_2.5的质量浓度由2005 的242.3 μg·m^-3降低至2013 的98.6 μg·m^-3。尽管如此, 秦俑馆内的文物依然面临气溶胶酸性组分的长期威胁。

对2011 年11 月—2013 年1 月在砣矶岛国家大气背景站采集的75 个大流量PM_2.5样品的多环芳烃含量和组成进行分析。结果表明, 砣矶岛16 种优控多环芳烃(Σ16PAHs)的总质量浓度为4.7~41 ng/m³(平均(17±10)ng/m³), 季节上表现为冷季高、暖季低的变化趋势。综合气流轨迹分析、分子标志物、特征化合物比值、潜在源贡献指数分析等方法发现, 夏季山东半岛的生物质燃烧是主要污染源;冷季主要受京津冀及周边地区的燃煤排放和复合污染输出的共同影响。砣矶岛PAHs 的总毒性当量(BaPeq)在0.54~8.2 ng/m³之间, 平均水平为2.8 ng/m³, 39%以上的样品超过国标阈值, 说明环渤海地区PAHs 健康风险存在区域性。

为深入了解西安市机动车污染物的排放特征, 选取代表性城区隧道进行机动车污染物排放浓度及排放因子的测试实验, 获得了隧道入口和出口的PM_2.5、CO、NO_x、HC 和VOCs 等污染物的质量浓度, 并结合气象数据和交通参数, 计算了各污染物平均排放因子。结果表明:PM_2.5、CO、NO_x、HC 和VOCs 的平均排放因子分别为(0.016±0.005)、(1.097±0.398)、(0.159±0.092)、(0.179±0.089)、(0.317±0.172)g/(km·辆)。不同时段的排放因子存在一定差异, 并且PM_2.5的排放因子显著小于气态污染物。此外, 本次实验测得的排放因子小于国内先前多数研究结果, 这可能与燃料品质、发动机效率、尾气排放控制技术和城市管理水平的提高有关。

中国雾霾主要成因是包括柴油发动机在内的污染源排放导致的二次颗粒物, 本文针对柴油发动机尾气排放的颗粒物进行研究, 主要关注极大数目微纳米颗粒的综合效应导致的颗粒参数的变化, 次了解根据不同柴油含硫标准下产生的颗粒物的分布情况。通过把针对尺度谱演变问题的泰勒展开矩方法(TEMOM)和大涡模拟方法(LES)技术进行结合, 研究了排气管附近柴油二次颗粒物的演变过程, 并在相同流动工况条件下, 对加拿大、新加坡、欧盟、美国、俄罗斯、中国和日本不同国家和地区不同柴油含硫标准所导致的二次颗粒物的总颗粒数浓度、总体积浓度和颗粒大小进行了对比研究。结果显示, 颗粒物在近排气管处主要分布在射流剪切层, 颗粒数浓度和颗粒物直径的最大值在距离喷嘴0.6 m 附近产生, 在射流下游, 射流与下游空气混合稀释效应明显, 颗粒数浓度和颗粒直径趋于一稳定值。通过研究时间平均颗粒场的分布发现, 低燃硫量柴油尾气产生的颗粒数浓度比高燃硫量产生的颗粒数浓度低4 个数量级, 产生的颗粒体积浓度最大相差6 个数量级。

本文讨论优化双室四电场电除尘器(ESP)所配套的16 台中荷(ZH)三相高压电源和低压振打系统实现电除尘节能和减排。在16 台传统单相高压电源供电下, 电除尘出口PM₁₀和PM_2.5的排放分别为63 mg/m³和23.9 mg/m³, 对应的高压一次电耗为1225 kV·A。采用16 台ZH 三相高压电源改造后, 电除尘出口PM₁₀和PM_2.5的排放分别为10~16 mg/m³和2.0~2.5 mg/m³, 对应的高压一次电耗为900~1050 kV·A。在同样高电压电耗下, PM₁₀和PM_2.5分别下降了78%和92%。

凝聚核粒子计数器是一种纳米级颗粒物的检测装置, 本文对该仪器的冷凝段进行了理论分析及数值模拟。数值模拟采用四点有限差分隐式法和Crank-Nicolson 法, 使用不等间距网格。结果显示四点有限差分隐式法模拟结果的稳定性和精确性良好, 并与前人的研究结果基本一致。在数值上对剑桥大学提出的高温凝聚核粒子计数器的可行性进行验证, 模拟结果显示, 高温下工作的凝聚核粒子计数器切割粒径为4 nm, 能够去除挥发性物质的影响。研究验证, 由于工质冷凝在颗粒表面而导致的工质损失以致过饱和度降低的影响可忽略不计。

新型在线光谱测量方法, 如宽带腔增强吸收光谱及可调谐半导体激光吸收光谱技术, 由于其高灵敏度、原位实时以及较好的时间空间分辨率, 被广泛应用于环境排放监测。本文结合实际测量案例, 对腔增强吸收光谱技术在气态亚硝酸、气溶胶消光及可调谐激光在选择性催化还原脱硝中的液膜多参数测量中的应用研究做了总结回顾, 并认为两种测量技术的发展结合, 将为大气化学反应的核心活性物种测量、气溶胶消光参数的准确定量及非均相大气反应动力学测量提供有效的方法。

借助人工影响天气开展消减雾霾影响不失为一种有效的尝试。本文介绍消减雾霾可能采用的人工影响天气方法、原理、应用, 并分析其优缺点和关键问题。人工影响天气消减雾霾的主要方式包括人工增雨、人工消雾及消减干霾的物理化学方法。人工增雨和人工消过冷雾技术相对成熟, 但人工增雨作业依赖地理背景和天气条件, 不适用于消减处于发展阶段的雾霾。人工消暖雾尚未成熟, 有待研制更高效的暖云催化剂或开发新型消暖雾技术。喷水地球工程法需要进行更深入的理论分析, 结合实验寻找高效清除PM_2.5的方法。城市风道法因受地理环境和气象条件限制, 并不适用于所有城市。当然, 治理雾霾还要从社会经济发展方式、能源结构组成、节能减排和降低能耗等方面综合入手, 从根源上解决问题。

自2008 年中国首次在青藏高原祁连山冻土区钻获天然气水合物实物样品, 木里煤田三露天井田已成为研究热点地区之一, 但对于天然气水合物形成及保存的控制因素及分布规律的研究尚浅, 阻碍了资源的勘探与开发。通过对三露天井田天然气水合物钻孔实际资料的统计, 分析了井田构造格局, 提出了研究区天然气水合物的形成过程, 综述了构造对其成藏的控制作用。结果表明:1)天然气水合物是由烃类气体聚集成藏后随着青藏高原的快速隆起而抬升进入温压稳定带后形成水合物藏;2)研究区的构造分区分带性控制了天然气水合物在平面上的展布规律, 构造运动决定了中侏罗煤系的沉降-生烃史和温压稳定带的形成, 构造形态则可以为烃类气体的聚集提供通道、盖层及储存空间, 而后期构造作用又会对前期形成的气藏及天然气水合物藏造成破坏。

为研究配置HRB500 高强钢筋的混凝土桥墩的滞回性能, 进行了4 个混凝土桥墩试件的低周往复加载试验, 分析剪跨比、纵筋强度和箍筋强度对混凝土桥墩受力破坏形态的影响, 对比配置高强钢筋桥墩与普通钢筋桥墩, 两者滞回性能的异同。结果表明, 随着箍筋的有效约束下桥墩试件剪跨比的增加, 试件的变形能力增加, 滞回曲线更饱满, 刚度退化减缓。配置高强纵筋及高强箍筋桥墩试件的刚度退化、滞回曲线等滞回特性均优于配置普通钢筋桥墩试件, 同时提高了试件的承载能力及变形能力。

应用聚合酶链式反应(PCR)-琼脂糖凝胶电泳技术, 检测99 例(男性38 例, 女性61 例)无血缘关系的维吾尔族健康人群的内皮型—氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)基因第4 内含子数目可变性串联重复序列(4a/b VNTR)多态性, 探讨eNOS 基因4a/b VNTR 多态性在中国维吾尔族健康人群中的分布特征。结果发现, 99 例健康维吾尔族人群中, aa 基因型频率为2.02%(4 例), ab 基因型频率为22.22%(22 例), bb 基因型频率为75.76%(75 例)。男女两组基因型和等位基因的分布差异不显著(P=0.194, P=0.382, P>0.05)。aa、ab、bb、ab+bb 基因型的各种生理生化指标用单因素方差分析进行比较, 不同基因型的生理生化指标之间的差异无统计学意义(P>0.05)。维吾尔族eNOS 基因4a/b VNTR 多态性与国内外各民族群体进行比较, 维吾尔族人群eNOS 基因aa+ab 基因型频率显著低于河南汉族、中国台湾汉族、北方汉族和巴西黑人(P<0.05, P< 0.01), 明显高于广东汉族(P=0.050)。a、b、c 3 种等位基因进行比较, 维吾尔族与河南汉族、中国台湾汉族、广东汉族、法国人和巴西黑人有显著性差异(P<0.05, P< 0.01)。结果显示, eNOS 基因4a/b VNTR 多态性符合Hardy-Weinbery 遗传平衡规律(χ²=0.017, P=0.991, P>0.05), 群体具有代表性。由此得出, 维吾尔族eNOS 基因4a/b VNTR 多态性与国内外的一些民族间存在显著性差异。

磁流体是具有磁性和流动性的新型功能材料, 以其独特的性能在传感器领域具有巨大的应用潜力。本文综述了利用磁流体的多种特殊性质实现体积、流速、角度、温度、电流和磁场等物理量传感的研究进展, 并分析各类磁流体传感器的工作原理。基于几何光学理论, 推导和模拟了两套利用磁流体可调谐折射率的磁场传感系统。

新加坡地少人多, 人口密度已接近10000 人/km², 土地资源严重不足。为此, 新加坡政府对其城市地下空间的开发给予了高度重视。从20 世纪80 年代开始, 新加坡先后开发建设了一系列适应其发展水平的地下空间工程, 如地铁、地下商业街、地下停车场、地下管网系统、地下储存库、大型地下公共空间等。其地下空间工程的开发, 无论是在理论知识还是技术实践方面, 都取得了令世人瞩目的成绩。本文介绍新加坡一些典型地下空间工程案例, 探讨其在工程建设过程中所遇到的主要技术难题和所取得的科技攻关成果, 从而汲取其宝贵的工程实践经验。结合中国当前一些大中城市地下空间开发利用的现状, 提出几点建设性意见。

“穿越”是时下流行词汇之一。各种“穿越神剧”纷纷上映, 在引发收视热潮的同时, 也伴随着很多争议。如果我们分析“神剧”走红的原因, 人们希望回到过去、置身历史的心态肯定是其中之一。娱乐化的“神剧”并不能带着我们回到真实的历史中, 但是科学却可以带领我们穿越历史的隧道, 去了解几百万年甚至几亿年前世界的模样。

2015年2月28日, 央视原知名记者柴静发布自费拍摄的题为《穹顶之下》的雾霾调查视频。这部103分钟的纪录片, 引入大量权威机构及科学家的数据和观点, 记者奔赴污染现场探寻雾霾根源并走访多个国家寻求治理经验, 向公众展示了“雾霾是什么?从哪儿来?该怎么办?”3个核心问题, 随即引发强烈的舆论关注, 发布不足3日, 在国内各大视频网站的总播放量就近2亿次, 再次引爆雾霾这一热点话题。

2013 年1 月, 中国东部地区雾霾围城, 一时间各种舆论和声音充斥着各种新闻媒介, 也冲击着大家的生活, 有对大气污染来源的科学争辩, 也有对政府该如何作为的讨论, 使得无论政府官员还是百姓每天都盯着头顶这片天。

2015 年3 月18 日, 英国皇家学会官网发布, 由英国皇家学会理事会投票决定, 诺贝尔奖得主文卡特拉曼·拉马克里希南(Venkatraman Ramakrishnan)爵士(图1)当选为英国皇家学会新一任会长, 将于2015 年12 月1 日代替现任会长保罗·纳斯爵士, 开始他的任期。

试图对人类认知能力的全面、深入理解, 构成了我们揭示心智(mind)本性工作的重要组成部分。以认知主义的计算模型为核心的标准认知科学曾长时间独霸认知科学经验研究领域, 并且也确实在对认知过程进行合理解释中取得了许多瞩目的成就。

膜缘干细胞的缺乏使角膜上皮失去再生和修复能力, 引起角膜结膜上皮化、新生血管长入、慢性炎症、反复上皮缺损、基质瘢痕化以及角膜自溶和溃疡, 若不进行治疗, 该病最终可导致失明。

公元1979 年, 正是北京的金秋时节, 我同几位同学乘中国民航转泛美飞机经卡拉奇、巴黎、华盛顿, 颠簸数日, 最后到达美国西岸城市圣巴巴拉。加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)就坐落在这座城市的海滨一隅, 作为改革开放后第一批公派留学生中的一员, 我将在这里学习工作数年, 直到取得博士学位。

我2010 年6 月从吉林大学博士毕业后, 成为中国石油大学(华东)石油工程专业的一名专业课教师, 并兼任石油工程专业2010 级3 个班级的班主任。以下我谈谈从事班主任工作的体会。

2015 年1 月7—10 日, 我有幸参加2014 年度国家科学技术奖励大会及其相关活动。闲暇时将所历所思记述如下, 以饗对国家奖励申请、评审、颁发有兴趣的朋友。