以堅持與對抗 守護(hù)藍(lán)天白云
——記清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師吳燁

肖貞林 王 涵

打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”已成為牽動中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和影響人民美好生活的重大攻堅戰(zhàn)之一。

隨著中國機(jī)動車保有量的快速增長，機(jī)動車污染已成為我國空氣污染的重要來源，其防治的緊迫性日益凸顯。未來，機(jī)動車排放污染的控制與分析將是中國環(huán)境控制的重點研究領(lǐng)域。

每一微克污染物濃度降低的背后，都是一個龐大的系統(tǒng)工程；每一次環(huán)保政策和標(biāo)準(zhǔn)制定變更的背后，都是一支支環(huán)?？蒲袌F(tuán)隊夜以繼日的科研攻堅。在過去20多年里，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授吳燁參與了大量國家及地方機(jī)動車排放控制標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指南的制定與實施，展現(xiàn)了自己的科研價值，并持續(xù)為打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”保駕護(hù)航。如今，他帶領(lǐng)團(tuán)隊，致力于通過大數(shù)據(jù)等交叉學(xué)科工程，建立快速高效的控制決策平臺，以盡快實現(xiàn)污染物的精準(zhǔn)減排和空氣質(zhì)量的有效改善。

吳燁（右一）參加清華-耶魯環(huán)境雙碩士學(xué)位授予儀式

顛覆觀念用“全生命周期”看待污染排放

20世紀(jì)90年代中期，汽車產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)迅猛發(fā)展，北京市機(jī)動車平均增長速度達(dá)到17%，廣州市的情況與之類似。在北、上、廣、深等一線城市，機(jī)動車的排放污染逐漸顯現(xiàn)。在這個背景下，中國工程院院士郝吉明基于世界銀行的支持，著手推動了在全國層面上首個機(jī)動車污染綜合防控規(guī)劃的研究工作（B93項目）。

1998年，吳燁從清華大學(xué)環(huán)境工程系（現(xiàn)環(huán)境學(xué)院）本科畢業(yè)后，以年級綜合排名第一的成績被免試直接推薦攻讀博士學(xué)位，師從郝吉明院士。因此，吳燁也參與到了B93項目當(dāng)中，其博士論文的主題聚焦在傳統(tǒng)的汽油車和柴油車污染控制方向。

當(dāng)時，國內(nèi)機(jī)動車污染防控領(lǐng)域的相關(guān)研究仍是一片空白。吳燁的論文致力于如何將機(jī)動車排放特征、污染特征與污染防控策略相結(jié)合。他選擇了北京和澳門兩個城市作為案例，對機(jī)動車實際道路的排放規(guī)律，以及污染物濃度在道路上的水平和垂直分布進(jìn)行了系統(tǒng)的監(jiān)測和深入的分析。

在導(dǎo)師的引領(lǐng)下，吳燁逐漸打開了機(jī)動車污染防治的科研大門，完成了從排放到控制技術(shù)再到政策分析的整個鏈條。他參與的B93項目作為全國層面對機(jī)動車污染控制的起航式、引領(lǐng)性的項目，也直接促成了“國一”排放標(biāo)準(zhǔn)在北京的率先實施及在全國的推廣。

博士期間，吳燁的研究已初步建立了包括排放因子模式、空氣質(zhì)量模式等多模式與GIS平臺耦合的機(jī)動車管理信息系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了城市機(jī)動車污染控制管理決策的信息化和動態(tài)化，其成果也陸續(xù)成功應(yīng)用于國家和地方的交通污染控制決策，并為國家和地方機(jī)動車更嚴(yán)格的排放法規(guī)和油品標(biāo)準(zhǔn)的實施提供了堅實的技術(shù)支持。

2002年年底，吳燁博士畢業(yè)后前往美國能源部阿崗國家實驗室交通研究中心從事博士后研究，由此，他在機(jī)動車污染控制研究上跨入了一條全新賽道。

吳燁與博士后導(dǎo)師王全錄合作，轉(zhuǎn)向從事交通領(lǐng)域替代燃料和先進(jìn)技術(shù)車輛的生命周期分析，成為美國能源部交通生命周期分析模型（GREET）的主要開發(fā)人之一。這個系列模型現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于歐美等發(fā)達(dá)國家及中國、巴西等發(fā)展中國家，全球注冊用戶超過10000，已成為目前世界上道路交通能源領(lǐng)域生命周期分析的首選模型。他還將隨機(jī)模擬的不確定性分析方法引入該模型，從而確保了各種車/油系統(tǒng)之間的比較更為準(zhǔn)確和科學(xué)。

雖然人的命運難以預(yù)知，但思想堅定的人卻總能沿著自己的初衷走下去。

替代燃料和先進(jìn)技術(shù)車輛的生命周期分析研究與傳統(tǒng)機(jī)動車排放研究之間跨度變化非常大，涉及學(xué)科也非常多。對吳燁來說，無異于又重新讀了一個博士。但他卻并未猶疑，而是不斷更新著自己的知識結(jié)構(gòu)，調(diào)整研究方向。

“你要思考的不僅僅是車輛運行階段的控制，還要考慮上游燃料的生產(chǎn)、車用材料的生產(chǎn)。例如，從汽油車變成電動車，電池的材料生產(chǎn)過程和傳統(tǒng)車輛部件生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染物質(zhì)和能耗是完全不一樣的?！眳菬钫f。

從傳統(tǒng)的車輛污染控制轉(zhuǎn)向到能源、燃料和材料的全新體系，從全生命周期的視角去重新看待不同車輛和不同燃料系統(tǒng)，這讓吳燁從全新的視野和角度去學(xué)習(xí)和研究，甚至徹底顛覆了以往的觀念。

比如，在新能源汽車中，氫燃料電池車是眾所周知的運行階段“零排放”車，但如果采用全生命周期的研究方法，卻可能得出截然相反的結(jié)果。在參加通用汽車公司支持的一個氫燃料電池車生命周期項目分析的時候，吳燁發(fā)現(xiàn)，如果其中的氫是來自電解水，且電力構(gòu)成以煤電為主，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳在燃料生產(chǎn)上游的增量會將其下游的零排放效益全部抹殺，甚至可能比傳統(tǒng)汽油車排放的二氧化碳還要高。

這一結(jié)論沖擊巨大，吳燁意識到，面對新能源汽車等新生交通技術(shù)，迫切需要以全生命周期的理念去分析其對環(huán)境的影響。號稱“零污染”的氫燃料電池車，如果在上游環(huán)節(jié)不加以了解和控制，一樣會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響?！八运粌H僅要求在車輛運行階段進(jìn)行控制，在上游的燃料生產(chǎn)階段也要同步推進(jìn)控制，包括提高火電的發(fā)電效率、提升超低排放的水平、增加可再生電力的比例等。”

此后近20年，吳燁一直扎根這一領(lǐng)域。在美國期間，作為美國/歐盟氫能雙邊項目專家組成員，吳燁參與了美國和歐盟的中長期氫能發(fā)展路徑的評估規(guī)劃；回到國內(nèi)，作為國際能源署先進(jìn)交通燃料技術(shù)委員會（IEA-AMF）的兩位中方委員之一，他又積極推動包括生物乙醇在內(nèi)的各種清潔替代燃料在中國及其他國家的應(yīng)用。

就這樣，吳燁一步一步通過科研創(chuàng)新和成果應(yīng)用不斷在汽車環(huán)保領(lǐng)域貢獻(xiàn)著自己的力量和智慧，與此同時，他的科研水平也節(jié)節(jié)攀高。

家國情懷環(huán)保科學(xué)家“要敢于去對抗”

盡管在國外取得了熠熠生輝的科研成績，吳燁卻始終惦記著祖國的空氣問題。2007年10月，他回到清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系任副教授，并迅速加入郝吉明院士帶領(lǐng)的清華大學(xué)奧運空氣質(zhì)量保障研究團(tuán)隊，投入到北京奧運會的保障工作中。

當(dāng)時北京空氣質(zhì)量較差，奧運會前夕時常被國際媒體拿來抨擊指責(zé)，吳燁看在眼里，難受在心里。他切身感受到了國內(nèi)外在環(huán)境空氣質(zhì)量控制上的巨大差距，也深刻認(rèn)識到自己的科研工作有著重大的現(xiàn)實意義。

吳燁的課題組承擔(dān)了“北京奧運期間控制措施實施效果評估”項目中的交通污染控制部分，針對北京奧運會期間的空氣質(zhì)量保障措施，實時監(jiān)測和核算北京市機(jī)動車污染物的減排量，重點評估奧運期間機(jī)動車停駛等措施的減排效果，提供實時動態(tài)排放數(shù)據(jù)，為2008年綠色奧運會的成功舉辦提供了關(guān)鍵的技術(shù)依據(jù)和保障。

皇天不負(fù)有心人。在吳燁和眾多環(huán)?？茖W(xué)家的努力下，北京奧運期間，北京城空氣質(zhì)量全部達(dá)標(biāo)，空氣質(zhì)量為優(yōu)的一級天10天，為良的二級天7天；各項主要污染物、可吸入顆粒物等濃度都明顯下降，空氣污染指數(shù)由2007年的平均81下降到平均56，同比下降31%。

當(dāng)北京的天空掛起了“奧運藍(lán)”時，吳燁對自己的科研價值又有了一種更清楚的認(rèn)識。他說：“機(jī)動車污染防控，可以為重現(xiàn)藍(lán)天提供助力。我們可以做到，中國的空氣能夠跟國外一樣好?！?/p>

此后多年，吳燁和團(tuán)隊一直致力于為國家和地方移動源排放標(biāo)準(zhǔn)、指南及控制措施的制訂、實施和效益評估提供技術(shù)支持。如今，中國的機(jī)動車防控標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)逐漸跳出歐洲的標(biāo)準(zhǔn)體系，走出了自己的機(jī)動車防控標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)道路。尤其是“國六”標(biāo)準(zhǔn)的實施，更是讓中國的機(jī)動車標(biāo)準(zhǔn)向前跨了一大步。

大步向前的同時，也伴隨著來自傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的壓力、抱怨和質(zhì)疑。其實，在吳燁和團(tuán)隊的推動下，國家針對天然氣重型車車型的“國六”標(biāo)準(zhǔn)提前了一年實施。原來，吳燁團(tuán)隊自2012年起就在關(guān)注天然氣重型車的污染排放水平，他和團(tuán)隊通過大規(guī)模的實際道路測試發(fā)現(xiàn)，天然氣重型車的氮氧化物排放居然比柴油車還要高。為了提前對天然氣重型車進(jìn)行技術(shù)升級，他和環(huán)保部相關(guān)單位與天然氣重型車的相關(guān)產(chǎn)業(yè)協(xié)會展開了激烈碰撞和討論。

“天然氣車必須得從稀薄燃燒技術(shù)轉(zhuǎn)向當(dāng)量燃燒技術(shù)，沒有其他的變通方式可以選擇?！痹趨菬畹膱猿窒?，如今已有數(shù)十款滿足“國六”排放標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動機(jī)進(jìn)入名錄。更新?lián)Q代后，天然氣重型車將在真正意義上成為一種低排放車，不僅僅在顆粒物、黑煙上能夠比柴油車更環(huán)保，在氮氧化物的排放上也能夠符合要求。

這一次的“沖突”讓吳燁深有感觸，“剛做環(huán)保的時候會覺得很無力，但你必須敢于沖上去，敢于去對抗，這將是環(huán)保人持續(xù)面臨的挑戰(zhàn)”。

挑戰(zhàn)是持續(xù)的，對比國內(nèi)外機(jī)動車污染防控的發(fā)展，吳燁認(rèn)為，每一個環(huán)境問題的解決，都要經(jīng)歷一個很長的時間周期。倫敦和洛杉磯從20世紀(jì)五六十年代開始防控，已經(jīng)用了60余年時間，而中國的系統(tǒng)性大氣污染控制，如今只有不到40年時間。“對比發(fā)達(dá)國家的防控，我們還有差距，但已經(jīng)沒有那么大了?！眳菬钫f，在部分場景之下，中國的環(huán)保技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)可以與發(fā)達(dá)國家并駕齊驅(qū)。

奧運藍(lán)、APEC藍(lán)、兩會藍(lán)……在人們對于美好生活的向往中，“藍(lán)天白云”正顯得越來越重要，打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”也越來越多地被放在政府施政方針的顯要位置。“十三五”時期，中國在藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)中重點對PM2.5污染物進(jìn)行控制，通過5年的發(fā)力，PM2.5污染實現(xiàn)持續(xù)下降。近些年，O3污染也備受關(guān)注。在“十四五”新征程中，藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的重要防控思路將轉(zhuǎn)向?qū)M2.5和O3污染的協(xié)同控制。

課題組討論城市機(jī)動車排放綜合控制決策平臺

“機(jī)動車污染占比仍存在不少爭議，但毋庸置疑的是，機(jī)動車是最重要的幾個污染源之一。在國際上，如著名的洛杉磯光化學(xué)煙霧，其臭氧的污染被公認(rèn)為主要來自機(jī)動車排放的兩種污染物：揮發(fā)性有機(jī)物和氮氧化物?！眳菬钫J(rèn)為，當(dāng)PM2.5和O3要進(jìn)行協(xié)同控制的時候，對機(jī)動車污染的防控壓力也將進(jìn)一步凸顯出來，國內(nèi)對機(jī)動車污染的防控標(biāo)準(zhǔn)還將進(jìn)一步加碼。

精準(zhǔn)控制智能大數(shù)據(jù)助力環(huán)保決策

由于中國快速機(jī)動化和區(qū)域發(fā)展不均衡，導(dǎo)致了京津冀、長三角、珠三角和成渝等城市群的交通污染物排放高度聚集，其排放強度也遠(yuǎn)超過全國平均和發(fā)達(dá)國家平均水平，給中國中東部區(qū)域未來的空氣質(zhì)量改善帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

吳燁認(rèn)為，在“高速增長、高頻使用、高度集中”的特點和背景下，單一測試技術(shù)無法實現(xiàn)對機(jī)動車BC、VOCs和PAHs等污染物多組分大樣本的準(zhǔn)確測量。同時，由于傳統(tǒng)清單與實際交通流脫節(jié)，忽略了區(qū)域交通一體化導(dǎo)致的城際運輸，已無法適應(yīng)區(qū)域高分辨率動態(tài)源解析的需求。

自2016年開始，在國家自然科學(xué)基金重點項目“建立基于排放-交通二維動態(tài)大數(shù)據(jù)的重點區(qū)域高分辨率機(jī)動車排放清單”的資助下，吳燁和團(tuán)隊采用大數(shù)據(jù)方法學(xué)來分析交通大數(shù)據(jù)和排放大數(shù)據(jù)，努力實現(xiàn)二者有機(jī)整合，并在北京乃至京津冀區(qū)域進(jìn)行了模擬和示范，最終構(gòu)建了京津冀路網(wǎng)級別的1km×1km高時空分辨率排放清單，這是在國內(nèi)較早采用系統(tǒng)大數(shù)據(jù)思維研究機(jī)動車排放控制的一項前沿研究。

吳燁團(tuán)隊選擇京津冀、長三角及區(qū)域內(nèi)典型城市為研究對象，建立了“車載—跟車—遙感”多種技術(shù)的道路排放測試系統(tǒng)和大樣本排放因子獲取方法，對不同技術(shù)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，深入分析微觀工況和車輛技術(shù)等因素對關(guān)鍵污染物的影響規(guī)律，相關(guān)測試成果為國五/六重型車標(biāo)準(zhǔn)及實際道路監(jiān)管提供了重要參數(shù)和技術(shù)方法。

在研究過程中，他們還構(gòu)建了“集成射頻識別—全球定位系統(tǒng)—公路監(jiān)測網(wǎng)”等最先進(jìn)的智能交通大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，解析了典型車隊出行特征，建立了典型城市高分辨率交通流數(shù)據(jù)庫?；陔S機(jī)森林等機(jī)器學(xué)習(xí)方法，吳燁團(tuán)隊又融合“區(qū)域—城市”交通流特征，建立了融合區(qū)域交通流、道路信息和土地利用信息的宏觀統(tǒng)計模型，刻畫了區(qū)域交通流時空排放特征。

在此基礎(chǔ)上，耦合“交通—排放”大數(shù)據(jù)，團(tuán)隊首次建立了區(qū)域高時空分辨率排放清單，并通過“區(qū)域—城市—熱點”等多尺度空氣質(zhì)量模型驗證清單準(zhǔn)確性，大大改進(jìn)了傳統(tǒng)清單分配方式，分析了外地車等典型車隊排放濃度影響，有效評估了典型管控措施的交通排放改善效果。

該項目獲得了一系列科研成果，在交通和排放大數(shù)據(jù)的應(yīng)用上，吳燁團(tuán)隊已經(jīng)走在國際前沿。如今，他們已經(jīng)與成都、西安、深圳等國內(nèi)大城市繼續(xù)展開合作，著力研究交通排放的“實時損害”。

“當(dāng)2000個甚至3000個道路交通監(jiān)控的實時車流量數(shù)據(jù)傳遞到信息中心后，我們就可以基于這些數(shù)據(jù)，通過研發(fā)的模型和平臺，把所有的車流和污染物排放的數(shù)據(jù)在道路網(wǎng)上實時展現(xiàn)出來，大城市在此基礎(chǔ)上去做相應(yīng)的污染控制，就可以達(dá)到精準(zhǔn)而快速?！眳菬钫f。

自2017年開始，吳燁帶領(lǐng)課題組承擔(dān)科技部的重點研發(fā)計劃——“區(qū)域機(jī)動車排放綜合控制和綠色交通管理技術(shù)研究”，集成了國內(nèi)做機(jī)動車污染控制最頂尖的研究機(jī)構(gòu)展開專項攻堅，聚焦重點區(qū)域及區(qū)域內(nèi)城市群的交通排放控制研究。

在這一研究中，吳燁和團(tuán)隊研發(fā)和集成用于機(jī)動車排放控制和決策管理的關(guān)鍵共性技術(shù)，包括揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和顆粒物多組分排放分析技術(shù)和數(shù)學(xué)模型、實際道路車流和排放大數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)、區(qū)域全路網(wǎng)高分辨率交通流模型、交通源空氣質(zhì)量模擬系統(tǒng)和機(jī)動車排放控制綜合決策系統(tǒng)等。在此基礎(chǔ)上，他們在重點區(qū)域和重點城市對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)開展了示范應(yīng)用，并形成可考核、可推廣、可復(fù)制的區(qū)域機(jī)動車排放聯(lián)防聯(lián)控方案。

3年來，吳燁與課題組系統(tǒng)調(diào)研了美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在機(jī)動車排放控制和綠色交通管理方面的先進(jìn)經(jīng)驗，構(gòu)建了多個重點區(qū)域和重點城市的高分辨率排放清單，精確識別區(qū)域和城市內(nèi)機(jī)動車排放時空分布規(guī)律和重點控制車型，建立清單準(zhǔn)確性和不確定性評價方法。

在開發(fā)排放控制措施庫、區(qū)域交通流模型、高分辨率排放模型和多尺度空氣質(zhì)量模擬系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)動態(tài)集成技術(shù)等基礎(chǔ)上，團(tuán)隊正在建立快速高效的區(qū)域交通排放綜合控制決策平臺，并提出區(qū)域機(jī)動車排放聯(lián)防聯(lián)控的政策建議與實施方案，最終達(dá)到應(yīng)用決策平臺準(zhǔn)確高效地評估控制情景對污染物減排和空氣質(zhì)量改善的效益。

“從交通排放量，到排放濃度、費用效益，最終實現(xiàn)控制決策，形成一個閉環(huán)的鏈條，從而更精準(zhǔn)地去識別機(jī)動車在實際道路上的污染規(guī)律，并更高效且有針對性的實施機(jī)動車排放管控?！眳菬钫f，通過大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)和精準(zhǔn)感知的技術(shù)，就能夠真實反映車輛在實際道路上的排放，從而對大氣環(huán)境影響和人體健康做出綜合決策。

科學(xué)家的成長從來都沒有捷徑可走。從懵懂地跟著導(dǎo)師做機(jī)動車污染控制研究，到逐漸在這一領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟，擁有自己的核心優(yōu)勢和關(guān)鍵技術(shù)成果，吳燁在漫長而枯燥的研究歷程中，始終對科研飽含興趣、堅定向前。更重要的是，在科研的道路上，他已經(jīng)找到了自身價值與國家發(fā)展、人民健康結(jié)合的重要支撐點。