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【走进实验室】蒸散发研究走出的低碳城市之路——环境与能源信息工程实验室
日期:2022-06-17 14:09:42 南燕新闻社 点击:

编者按

二十多年来,北京大学深圳研究生院科研创新平台建设稳步推进,科研创新能力持续提升,目前已建和在建的各类实验室共计30多个。回顾过去,一项项亮眼的科研成绩充分彰显了北大深圳的办学质量和办学成果;立足当下,深研院紧贴时代脉络,深耕人才培养和科研创新;展望未来,深研院将依托科研平台持续发力,在深圳、在中国发出更加坚定的“北大声音”。不同学科方向、各具专业特色的实验室充分彰显了深研院“前沿领域、交叉学科、应用学术、国际标准”的办学方针,是深研院面向深圳、服务广东、辐射华南、为地方经济发展服务的强力助推器。

说起实验室,首先映入你脑海的,是庞大的设备、精密的仪器、刺鼻的药水,还是整齐划一的工位、屏息凝神的面容、伏案疾书的身影?

作为科研产出的依托平台和成果转化的连通媒介,实验室承载的不仅仅是一个个基金重点项目、一篇篇高影响因子论文和一项项重大科研成果,更是一位位奠基者的呕心沥血、一个个科研人员的精益求精和一份份深思熟虑后的精准抉择。

透过实验室,每个学院以自己独一无二的学科特色在南国燕园大放异彩;立足实验室,北京大学深圳研究生院坚定地踏出勇毅的步伐,在深圳速度的时代幕布上画下一笔笔浓墨重彩的奇迹。

现在,让我们跟随南燕新闻社记者的脚步,揭开实验室的神秘面纱,一窥他后面的人和事吧!


在能源革命的大背景下,北京大学深圳研究生院于2009年建立了全国第一个“环境与能源学院(School of Environment and Energy)”,以培养高素质应用型专业技术人才为办学目标,围绕环境保护、能源开发利用、城市建设与社会经济发展中的热点问题,培养环境与能源学科领域具有明显竞争优势的领军人才。

北京大学环境与能源学院

北京大学环境与能源信息工程实验室(Lab of Environmental and Energy Information Engineering,实验室主页https://web.pkusz.edu.cn/qiugy)是环境与能源学院的重要实验室之一,也是深圳城市人居环境科学与技术重点实验室的重要构成部分。实验室旨在利用最新的信息检测、遥感(热红外、荧光、高光谱、雷达等)和人工智能(机器学习等)等技术和手段,以地面、无人机、航空和卫星为观测平台,检测、分析和研究从细胞到地球规模的多尺度的环境与能源信息,探索其中的物理学、生物学和环境学机理,提出相应的生态环境监测、评价和修复的方法、技术和手段,为全球变化的人类适应相关的科学研究、社会管理、环境修复和能源高效利用提供科学依据。

实验室近年作为第一完成单位承担了多项国家、省部和深圳市的重点研究项目,比如科技部国家重点研发计划“基于Warp Air Clean 技术净化机动车尾气和提升燃油效率的合作研究”,四川省科技厅九寨沟灾后重建项目“九寨沟灾后重建景观生态环境研究”和深圳市技术创新计划技术攻关项目“飞行智能环境监测机器人研究”。

实验室的研究具有多个省市校级平台支撑,包括:红树林广东省工程技术中心、深圳市新能源与能效工程学科、深圳新能源海水淡化工程实验室、北京大学水系统创新研究中心、深圳市人居环境实验室。负责人是邱国玉教授,全职教师还有李瑞利(副教授),鄢春华(助理教授),邹振东(博士),沈小雪(博士),M. Hayat (博士),王蓓(博士)等。

实验室与海内外高校展开了广泛合作,邀请了多位学界名家如大政谦次(东京大学,日本学术会议院士)、夏军(武汉大学,中国科学院院士)、Clark LIU(美国夏威夷大学荣誉教授)、黄艺(北京大学教授)、张橹(澳大利亚CSIRO高级研究员)、Pierre Gentine (哥伦比亚大学教授)作为兼职教师。

实验室师生合影

与邱国玉老师的访谈从一杯清香袅袅飘散在杯中的紫色花茶开始。邱老师首先提出一个问题,“如何将茶和水分开?”。在得到反渗透膜(RO)处理技术的回答后,邱老师表示这种方法只是将清水与浓水分开,浓水部分依然没有还原。接着邱老师引申到环境问题——更有效的环境治理就是预防,以这杯水为例就是不放茶进去。一问一答,隐隐有了“一花一世界,一叶一菩提”的哲思。


对于培养学生的理念,邱老师从招生谈起。他有些自豪地讲,“研究室学生的本科专业背景丰富多元,可能比一些专业型大学的专业设置都多。之前,还有法学专业的同学参与到实验室环境与能源法学的研究。这种跨专业的团队合作能极大促进学生综合素质和领导力的培养”。

邱老师提出构建Mission-orientedLab的概念,即在学生培养中采用目标→问题导向。他会鼓励学生进入课题组后以解决科学和社会问题为研究导向,要求学生把大量的精力分配在开展问题导向地实验、研究和讨论上来。在有竞争力和吸引力的平台与培养模式下,实验室的生源也得以保证。

实验室内景

水资源和能源都是极其贵重的紧缺资源,关注在水输送、水分配、水处理过程中的能源消耗是实现低碳发展的关键之一。长期以来,水与能源这种复杂而微妙的关系尚未引起社会的足够重视。邱老师带领团队深耕于此,为研究设立明确目标,不做跟风研究,在城市蒸散发研究领域频频产出实验成果和亮点。

这方面研究的社会价值是通过设计蒸散发结构来调控城市温度。当前城市的规划和景观建设更看重植被的功能性和美学,联结植被和城市水循环中蒸散发过程的研究还比较缺失。为此,实验室另辟蹊径,研究通过植被的蒸散发潜热来调节建筑温度,最终通过减少空调的使用而实现减排。课题组最近发表在水资源学科顶刊《Water Resources Research》的成果首次证明并量化了水温对蒸散发的影响,提出了包括水温参数的蒸散发公式丰富了相关科学内容。

直径7m的蒸发皿

蒸发皿倒映着五四塔

丰富的成果,除了巧思与对学科的始终如一的热情,也来源于一流实验设备的建造与维护。位于深研院E栋楼顶直径7m的大蒸发皿已经可以弱化蒸发的尺度效应带来的影响,而蒸发皿的内壁也被涂成黑色减少反射影响。

邱国玉教授和他主编的新能源学科前沿丛书

实验室十年磨一剑的成果还包括邱老师作为主编出版的新能源学科前沿系列丛书。该套丛书从科学、社会、法学等多学科审视,探究能源技术和成本的优化,最终提出解决方案。邱老师认为近代以来世界上出现了三次大的技术革命浪潮,前两次分别是IT革命和生物技术革命,而第三次浪潮能源革命现在已经进入“能源效率和清洁能源”阶段,未来发展潜力极其巨大。

“能源高效利用与清洁能源工程”学科是环境与能源学院的重要学科建设内容,也是国家未来发展的重要支撑学科。该学科包括新能源工程、节能工程、能效政策和能源信息工程4个研究方向。邱老师牵头组织国内外专家和学者编写了13本新能源前沿著作,涵盖了新能源政策、法律、技术等领域,完成了教材建设,为学科建设奠定了坚实基础。

新能源前沿丛书之《水与能: 陆地蒸散发热环境及其能量收支》

邱老师还亲自撰写了丛书第一册《水与能: 陆地蒸散发热环境及其能量收支》,从水与能的关系,蒸散发、水分收支和能量收支,蒸散发观测方法、原理及其应用,蒸散发、水循环和城市热环境等四个方面,详细介绍相关的理论基础、观测方法和应用实例,涉及环境、能源、城市、水资源等多个学科,成为典型的跨学科著作。

这种长周期研究,往往超过了一般项目的最长结题期限。实验室明晰了目标是长期的,但项目或考核是短期的,要求团队在达到考核要求的情况下多做战略性的长期坚持和推动。

团队制作的九寨沟高清正射影像系列图

九寨沟科研之行

邱老师的团队在无人机环境遥感与监测技术方面,也做了大量研究,拥有一批核心技术。这些成果也被应用到对比地震的灾损评估和灾后重建效果上来,并成功建模汶川地震和“8·8"九寨沟等多项实例。团队的无人机遥感监测技术包括:利用无人机自动巡航拍摄,后期通过影像匹配、自动空中三角测量、DOM的自动提取与无缝拼接等步骤生成实景真三维模型,得到标志区域的高清正射影像图。多年观测的数据积累完善了模型,也通过期刊及会议得到学界的关注。

在九寨沟建立的长期观测塔(上)和野外工作的午餐

九寨沟保护是实验室推动社会治理的典型案例。当前的九寨沟水质标准参照描述污水处理效果为主的国家标准,水质一直在最高等级,但无法有效反映九寨沟作为世界自然文化遗产的水质现状及水质变迁过程。因此,对于九寨沟这样独一无二的奇景,值得通过长期的监测和精准建模提出经得起考验的“九寨沟标准”。

作为生态环境领域的专家,邱老师早在2012年就致力于九寨沟生态环境保护的科学研究,团队多次自筹经费队前往九寨沟开展研究,先后为遗产地规划管理、生物多样性研究、生态环境保护、以及“8·8"九寨沟地震灾损评估与火花海保育等重要工作中做出了重要贡献。经过长期的监测和思考,邱老师撰写了《新形势下如何保障“九寨沟世界自然遗产”永远美丽?》专题报告,为四川省世界自然遗产和生态环境保护提供了宝贵的意见建议,并得到四川省政府省长和副省长的重要批示。

2022年4月18日,北京大学收到九寨沟世界遗产管理局发来的感谢信,信中对邱老师为四川省世界自然遗产和生态环节保护工作做出的贡献表示感谢,赞扬了北大对九寨沟世界自然遗产事业的关心和支持。

当被问及是否可参考“九寨沟标准”为人才培养打造可量身定做的个性化标准时,邱老师认为不现实。他引用了“我劝天公重抖擞,不拘一格降人才”来说明个人培养的有教无类。对于入学后迟迟未找到方向的学生,邱老师不会过多去催促。他表示作为导师会沉住气,要等未找到方向的学生开始自驱动思考,想出真正有动力驱动的方向。作为实验室负责人,需要提供科研条件,挖掘学生的长处,给学生舞台让潜力发挥出来。

南燕邱门2020级毕业欢送会

第100次“上善若水”热点话题的合影—北京大学“环境.能源.金融”产学研融合论坛

“上善若水”热点话题讲座自2015年以来每两周举办一次,已经成为实验室的品牌活动。为避免高校师生脱离一线形成信息茧房,讲座主要邀请已在相关领域深耕10年以上且目前仍在一线打拼的专业人士为学生传道解惑。

“上善若水”热点话题讲座公众号

在信息爆炸、真假知识充斥的当下,邱老师设立讲座是为了让涉世未深的北大学子在最短时间内获得真知识、认识真社会,实现从“眼底未名水”到“心中黄河月”的跨越。通过邀请活跃在社会各界一线的奋斗者,分享其行业和感悟真髓,从而提升学子们对社会的认识、视野、综合素质,帮助北大学子从“未名水”顺利走向“黄河月”。

团队毕业生的就业去向像生源专业一样丰富。邱老师认为从能源与信息实验室毕业后从事什么行业都不算改行,即便是当下热议的去基层街道工作,也是直面社会问题的一线。邱老师殷切期盼北大人做出更大的社会贡献——“作为北大毕业生,实现个人稳定安逸的生活不难,但这不是北大人追求的终点。北大人,应该是在需要的时候,有能力引领国家和人类向前的人。要实现这个目标,需要累积扎实的专业知识,养成面对惊涛骇浪的勇气,塑造振臂高呼、一呼百应的领导力,时刻牢记自己的承担与责任。”邱老师也正是将这份孜孜追求化为育人的东风桃李。

实验室同学西北沙漠开展野外观测风貌

“这里自由度比较高,不管你之前学的什么,重点只关注你现在要解决什么问题。”鄢春华老师2012年从北大化院来到邱组攻读硕士、博士,继而从事博士后研究,到助理研究员,如今已是第十年。他最近也启程中山大学,成为“百人计划”引进的助理教授一员。曾经的他早出晚归,晚上十一、二点才从办公室回去,却被邱老师提醒要做好时间规划。“如果每天预设工作时间到十二点,反而一开始就难以高效投入。与其在办公室里磨时间,不如出去走走,做点自己的事情。”邱老师认为做学术不能闭门造车,不能宅在学校当书呆子,多接触外界、接触更多的信息来源才能打开思路。

蒋先逞豪同学即将毕业离开南燕去重庆市做选调生,扎根在祖国大地,为国家发展积极贡献自己的力量。问及当初为何会来到邱老师门下,他说是邱老师温和尔雅的学者气质吸引了他。三年里,邱老师常常找学生们喝咖啡谈心,了解他们的想法;鼓励他们多运动健身,每周设有奖励;带他们走出学校,走向各地调研实验。蒋同学说令他受益终生的是邱老师的培养理念,无论是通过“上善若水”热点话题接触社会和新鲜事物的刺激,还是外出做项目时学会借助平台和人打交道并解决实际问题,其本质都是培养学生发现和解决问题的能力和领导力。这些能力与品质在任何领域任何工作中都能用得上,也在毕业季时给与了蒋同学对抗未来不确定性的信心。

环境与信息工程实验室的同学们各有才华与个性。社会责任感、实操能力和乐观精神是他们的共同品质。除了接受采访的同学,更多“幕后”有意思的团队小故事在九寨沟考察中被记录了下来。在完成科研上的任务、飞无人机、采集土壤样品之外,团队工作生活的一面和思考就流淌在两篇小短文中,分别讲述了从深圳到九寨沟一系列“烦琐”的防疫检查、特殊时期车辆进沟手续办理不易、以及由一次参观寺庙引发的所思所想。

团队同学的考察感受

以星聚火,以灯弘光——碳中和的号角已经吹响,蒸散发研究将从节能减排的角度优化城市活动中的能源消耗,有力促进可持续发展目标的实现。

路固遥迢,心愈铮亮——从课堂到田野、从书本到实践的优秀样本,环境与能源信息工程实验室的成就和风貌,是北大深研院应用学术与社会责任理念的缩影,将论文写到祖国大地。

山长予耕,欣闻回响——在毕业季凤凰花开的南燕,祝愿每一位毕业生得偿所愿,带着镜湖水与五四塔的韶华,东风桃李,继往开来。


南燕新闻社“走进实验室”专题报道组出品

策划:王琳

文字:毛俊祺郭芷吟

摄影: 王琳毛俊祺

实验室联络:胡宜华

指导老师:马曦业

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