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观气象万千 测天地风云——记陆军防化学院核生化应急 技术支持中心副主任黄顺祥教授

2017年黄顺祥作为共同执行主席主持香山第600次会议“生物气溶胶与人类健康、国家生物安全及大气污染”.jpg

黄顺祥

Huang shunxiang

   中国人民解放军陆军防化学院教授,理学博士,博士生导师,国家重点研发计划青年项目负责人,中国环境科学学会常务理事,军队高层次科技创新人才工程学科拔尖人才,百千万人才工程国家级人选,授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号,享受国务院政府特殊津贴专家,党的十九大代表。2016年获国家技术发明二等奖1项,是迄今全军最年轻的国家技术发明奖首要完成人;获军队科技进步一等奖4项、军队科技进步二等奖2项、国家环境保护科学进步二等奖1项;国家发明授权专利21项;荣立个人二等功3次、三等功2次;是总参学习成才标兵,2016年被评为全军优秀共产党员,2016年获中国科协求是杰出青年实用工程奖。

敢为人先,是大家提到黄顺祥用得最多的评价词。

同事张爱红说:“他敢想、敢钻、敢拼,天不怕地不怕,风险评估领域的活儿,没有他不敢接的。”

“他所要做的都是领域内亟需解决的,他敢于挑战一些对数理基础要求高、技术门槛高、又较少经验的核心难题。”中科院大气物理所吴琳副研究员如此回忆。

兄弟、学生周佳音吐槽:“他是一个死板、爱较真儿的人,一个在专业上正直到让人难以接受的人……”

导师陈海平教授说:“他有创新精神,不断向新的科学领域探索,以争分夺秒的工作精神完成了大量的任务……”

正是因为“敢”,因为“爱较真儿”,因为争分夺秒、不言放弃,才有了今天的黄顺祥——年轻的项目首席、求是奖获得者、国家技术发明二等奖第一完成人、军队高层次科技创新人才工程拔尖人才……

而这些成绩的取得,对于在困苦中长大的黄顺祥来说,更加难得。黄顺祥出生在重庆云阳的大山里,环境闭塞,家境贫寒,投亲靠友艰难求学。他从小就懂得,学习才能改变命运。

幸运的是,生活的艰涩没有湮没他自小就显露出的数学和物理天赋,而这天赋,在1995年黄顺祥考入中国人民解放军防化学院军事指挥专业之后更加闪耀。

勤奋、专注与热爱,让他的天赋更有价值——第一个在北京市高等数学和大学物理竞赛获奖,并因此荣立三等功的指挥系学员;第一个破例免试从指挥系跨专业到工程系读研的学员;第一个被破例公派到清华、北大等高等院校进行联合培养的硕士研究生……

头顶“光环”的年轻人并未骄傲,反而以更加谦虚受纳的姿态,从身边的师长身上汲取知识与营养,蓬勃生长。2002年,黄顺祥如愿留校工作,成为防化学院履约技术部的一员新兵。

在这里,他完成了一个科研人员的不断修炼与成长,完成了一个军人从新兵到尖兵的跨越。

肩膀上永远有责任,胸膛里永远有激情,心心念念的永远是一线科研难题,黄顺祥用实际行动,写就了一个杰出军事科技工作者的不凡人生。

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2016年获国家技术发明二等奖


战斗!在日遗化武处置一线

黄顺祥有很多外号,其中一个是“黄大仙儿”,因为他主攻的化学风险评估方向,要以精确的气象场预报为基础。气象场预报的越准确,对化学危险品的扩散模拟,及后续的危害评估就越有帮助。

然而风云变幻,气象万千,每一个区域的大气运动都是区域特点和全球环流相互影响的结果,要想准确预测,绝非易事。

这一切,来源于实践,升华于实践,又验证于实践。

中国东北,位于吉林省敦化市的哈尔巴岭,山高林密,人迹罕至。这个有点神秘的小地方,近年却因为处理侵华日军遗弃化学武器工作的逐步展开,曝光在公众视野。

作为目前中国境内最大的日遗化武埋藏点,哈尔巴岭的总埋藏量为约34万枚。这些“化学毒弹”或深埋地下,或没于水中,经过70多年的岁月侵蚀,多数生锈腐蚀,极不稳定,挖掘、处置、运输过程中稍有不慎,就有可能泄漏,风险极高。

黄顺祥所开展的风险评估工作就是以技术的力量,最大限度降低化武处置过程中的风险,保证人员与生态安全。高毒、高爆、高风险,干这个活儿,要拼命。

但当任务摆在眼前,黄顺祥和他的老师、战友们并没有退缩。“绝不能让日本人留下的这些毒瘤再有机会祸害我们的老百姓!我是一名军人,祖国和人民的需要,就是我的战场!”

还处于研究生阶段的黄顺祥,就参加了哈尔巴岭日遗化武埋藏点中日联合调查,从此奋战在日遗化武的处置一线,并以一系列的扎实成果为祖国和人民护航。

为适应哈尔巴岭山区复杂的气象、地形情况,建立三维数值扩散模式,黄顺祥在短时间内人工突击获取、输入16万个数据,完成了矢量电子地图的制作。以矢量地图为基础,根据污染气象学和流体力学原理,设计了复杂条件下化学危害评估模式(CDM)。

为确保销毁化学武器时人员和生态环境的安全,获取风险评估和预测预警所需要的关键环境参数,2006年,黄顺祥负责筹划建立了日遗化武处理区的102米气象综合观测塔。并在2007年冬、夏成功实施两次野外大气边界层观测联合实验,顺利完成塔上风温湿平均场和湍流的梯度观测,实施了系留汽艇探空和风温廓线雷达观测,收集了大量一线数据。

2010年,为了科学、有效地评估日遗化武挖掘回收过程中存在的殉爆风险,黄顺祥独创了蜂窝坐标系,建立了混合炮弹殉爆模型(SDM),巧妙解决了日遗化武密集埋藏点挖掘工程危害评估的源强问题。

2012年,面对日遗化武远距离运输存在的巨大风险,以及当下风险评估技术无法实施运输过程实时风险评估的困境,黄顺祥顶着运输任务急迫、技术难度高的重重压力,带领风险评估团队提出了边界层嵌套方法,解决了小尺度化学风险评估难题,作出了科学有效地运输风险评估,并提出有针对性、可行性的防范措施,最大限度保证了运输沿途人民的生命和财产安全。

他们最终建立的处理日遗化武危害评估与风险预报理论和技术体系,实现了对日遗化武挖掘回收、运输和销毁全过程的危害评估和风险预报,不仅赢得了日方合作专家的认可与尊重,更为处理日军遗留在我国18个省市90多个地区的几千吨毒剂、数百万枚化学炮弹提供了技术支撑。

同时,以此为基础形成的“化学危害预测预警与控制系统”,还在“天津8.12特大火灾爆炸事故”应急,北京奥运会、深圳世界大学生运动会、广州亚运会等重大活动安全保卫应急力量的部署中提供了实时技术支持;更为我国执行叙利亚化学武器护航提供了具有自主知识产权的化学风险评估系统;在国家反核生化恐怖演习任务中得到实际应用。


阻击!成功预测甲型H1N1流感疫情

黄顺祥喜欢琢磨,尤其是跟现实问题密切相关的东西。

SARS期间,疫情暴发恐慌笼罩了整个中国,影响着全世界。黄顺祥和几个喜欢钻研的同事、同学搞出了一套新的疫情预测动力学模型。他们希望能够找到影响疫情发展的关键因子,预测疫情发展,从而找到最优防控方案。

2009年,这个模型作为“国家应急平台关键技术体系—生化危害预测预警”建设项目的一部分,在国家应急管理办公室进行成果汇报。

当时,恰逢甲型H1N1流感在墨西哥和美国暴发,国务院应急办启动了甲型H1N1流感防控研究专项。应急办的领导提出:能不能利用这个模型,对甲型H1N1流感进行预测?

疫情当头,时间紧迫,又牵涉到国家重大问题应急决策,面对这个“不情之请”,黄顺祥没有犹豫。“使命任务需要什么,我就做什么。国家哪里最急需,军人就应该冲锋到哪里。”

凭借对模型的透彻了解,他坚信“这个模型是反映普遍规律的,不仅适用于SARS,也应该可以预测新的疫情”。

稳妥起见,他们决定先对美国和墨西哥甲型H1N1流感疫情发展进行预测,如果预报结果和疫情的实际发展符合得好,再作进一步的预测和建议。

他们先利用世界卫生组织实时提供的墨西哥和美国疫情数据,通过反演技术确定模型参数取值,然后再利用模型预测疫情未来的发展趋势。

结果发现,1周以后的预测预报结果与实际发生疫情的统计数据,相对误差均在1%左右。这是一个令人振奋的数字。最终,黄顺祥针对重大传染病疫情发展既受自然规律的约束又受人类对疫情控制影响的特点,发明了具有控制变量的传染病疫情预测方法,揭示了控制措施、环境因素对疫情发展影响的机理。

基于此,他们预测,我国甲型H1N1流感的基本传染率为0.6,根据该科学结论提出我国甲型H1N1流感防控不需要采取关闭海关、控制流动人口和集体隔离等严格控制措施的具体建议,并被国务院应急管理办公室采纳,避免了社会恐慌和巨大的经济代价,避免经济损失近千亿元。

“研究如何以最小的经济代价,达到有效控制疫情的目的”,黄顺祥的传染病疫情最优防控研究,一直在持续进行。

2007年1月哈尔巴岭冬季观测实验(前排左二为黄顺祥).jpg

2007年1月哈尔巴岭冬季观测实验(前排左二为黄顺祥)


冲锋!在大气污染防控最前沿

用现代科学技术武装起来的“黄大仙儿”,最关注的还是气象问题。雾霾刚露头,黄顺祥就敏锐地感知到这一民生问题的紧迫性。

2013年,由防化学院牵头,联合中国科学院大气物理研究所、北京大学、国家气象中心和北京众蓝科技等单位的研究人员组成研发团队,开始对雾霾防控进行技术攻关,黄顺祥任技术总师。

防化兵做大气污染防治?靠谱吗?

当然!吴琳至今记得黄顺祥在介绍项目背景时说的话:“防化兵所从事的核生化污染扩散、防治与应急,正是大气污染防治的起源,将其中一些关键方法和技术应用于大气污染防治,是顺理成章的扩展应用。”

作为技术总师,在国家重点研发计划“大气重污染综合溯源与动态优化控制研究(青年项目)”的支持下,黄顺祥带领合作团队一起,将以往所取得的核生化危害预测与控制系统的通用性理论、方法和技术进行了军转民探索。“全国空气质量高分率预报与污染控制决策支持系统(NARS,呐思系统)”的建设和应用,便是军民融合结出的硕果。

这是一个专门针对雾霾预报与控制研发的技术体系,从酝酿到诞生用了4年。黄顺祥介绍,精准,是NARS的创新精髓所在,即“精准定位源,控制治理源,应急优化控制源”。其中最难的地方在于污染源受各种条件影响,有静态和动态变化,随时发生,难以琢磨。“大气是一个开放系统,改变气象条件非常困难,最有效的方法就是控制排放源。”

如何控制?

黄顺祥提出了大气污染的“二八定律”,即20%的排放源导致了80%的大气污染。遏制住关键的20%,是根本。“只要找准污染源头,实现靶向治理,就能以较小的代价较快的时间改善空气质量。”

最终,他们研发了大气污染伴随溯源模式,并直指难度巨大的细颗粒物PM2.5和O3伴随模式,解决了网格化的定量溯源和优化控制;采用站点和卫星等多源资料同化反演大气污染排放源,以得到动态的排放清单,解决排放源不确定的问题,进而有效提高预报精度;发展大气污染优化控制理论和实现方法,基于“自然控制论”形成一体化“闭环”的大气污染优化控制,将大气污染预报与控制耦合,真正实现有效调控。

这一系统,摒弃了“一刀切”的粗放式管理手段,积极在控制成本、经济损失和环境效益三方面寻求最优解,现实意义重大。

NARS系统于2016年9月发布,如今已在贵州、成都等地大气污染防治中进行了业务应用,污染过程预报准确率100%,污染程度预报准确率85%以上。同时,根据所承担的总理基金“大气重污染成因与治理攻关项目”研究任务,正在京津冀及周边2+26城市的应急来源解析中进行业务应用,为找准污染源头、实现靶向治理提供核心理论和关键技术支撑。

如今,相关研究仍在继续,黄顺祥和他的战友们仍在为了“常态蓝”的实现而战斗。


高山仰止,景行行止

用现在的流行语来说,黄顺祥是妥妥的斜杠青年,名副其实的跨界者、融合者。

求学,他完成了从军事学到工学,再到理学的转换,三门学科背景帮助他做任何研究都能够触类旁通。

搞科研,他跨越核生化三大领域,身为化学风险评估方向的专家,却在核生化安全防控、日遗化武处理、大气污染防治等多方面都干出了令人瞩目的成绩。

作为师长,他同样在以自身的力量影响着年轻一代,言传身教,无声润物。

他告诉学生,“研究课题一定要奔着解决实际问题去”,他不仅将自己打造成了这句话的最佳代言人,更将这一理念渗透到课堂中。

“黄教授从不完全按照课本的章节讲授课程内容,而是注重把最新的科研成果引入课堂……通过专题讲授阐述最新的研究热点、成果进展、关键环节和困难瓶颈。”博士生李静觉得这样另类的上课方式让人受益匪浅。

他教导学生,学术研究不是自己闷头造车,个人刻苦钻研是基本,大课题还需要依靠团队合作。于是,每周一次的课题组讨论会便成为集思广益的大课堂。

他用20年在科研一线夜以继日与时间赛跑的态度,告诉学生,做科研就是要争分夺秒,容不得半分拖沓。

高山仰止,景行行止。年轻的黄顺祥正在接过老一辈科学家手中的旗帜,为核生化危害防控研究培养后继,为国家核生化安全技术持续走在国际前列积蓄能量。

“我要将还很浅薄的理学、工学和军事学知识,有机融入到无限未知的核生化安全领域,而现在,只是我长远奋进的起点。”面对未来的种种挑战,黄顺祥厉兵秣马,枕戈待旦!