通過給大氣“拍CT”，就能捕捉到污染物的蛛絲馬跡。
環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)就像是給大氣做CT掃描，中國工程院院士、中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所學(xué)術(shù)所長(zhǎng)劉文清也被稱為“給大氣環(huán)境做CT的人”。
他率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立了包括400多種大氣污染物、100多種水體污染物、20多種土壤重金屬污染物的光譜特征數(shù)據(jù)庫，研發(fā)了污染物光譜定量解析算法和工程化應(yīng)用軟件，不僅能為大氣環(huán)境“把脈”，還能“診斷”水體、土壤的污染情況。
環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)為準(zhǔn)確、及時(shí)、有效地“說清環(huán)境質(zhì)量及變化趨勢(shì)、說清污染排放狀況、說清潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)”提供了科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。劉文清告訴新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)記者，“環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)是環(huán)境管理的基礎(chǔ)，是環(huán)境執(zhí)法的標(biāo)尺。同時(shí)，環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷創(chuàng)新可以有力推動(dòng)我國的綠色低碳發(fā)展?！?/p>
黨的二十大報(bào)告提出深入推進(jìn)環(huán)境污染防治，持續(xù)深入打好藍(lán)天、碧水、凈土保衛(wèi)戰(zhàn)。提升環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平，推進(jìn)城鄉(xiāng)人居環(huán)境整治。
對(duì)于未來，劉文清表示，我們的創(chuàng)新方向?qū)⒓性谕苿?dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新、國產(chǎn)儀器的產(chǎn)業(yè)化及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)體系的建立。
中國工程院院士、中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所學(xué)術(shù)所長(zhǎng)劉文清。受訪者供圖
談環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)：
環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)是環(huán)境管理的基礎(chǔ)，是環(huán)境執(zhí)法的標(biāo)尺
新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)：為什么說環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)是環(huán)境管理的基本手段？
劉文清：舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，影像技術(shù)的發(fā)展，無論是X射線、CT成像，到MRI成像，還是新興的分子影像，都極大地推動(dòng)著基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療診斷水平的提升。
同樣，環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)為準(zhǔn)確、及時(shí)、有效地“說清環(huán)境質(zhì)量及變化趨勢(shì)、說清污染排放狀況、說清潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)”提供了科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。所以說，環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)是環(huán)境管理的基礎(chǔ)，是環(huán)境執(zhí)法的標(biāo)尺。同時(shí)，新的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)是我國綠色低碳發(fā)展的巨大推動(dòng)力。
新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)：你一直從事環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)研究和應(yīng)用方面的工作，在你看來，這十年間，環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有什么改變？有哪些標(biāo)志性成就？
劉文清：經(jīng)過十多年的發(fā)展，我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)已達(dá)到年萬億級(jí)規(guī)模，形成覆蓋水、大氣、土壤、固廢、環(huán)境監(jiān)測(cè)等重點(diǎn)領(lǐng)域的污染治理技術(shù)裝備體系。
從環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)看，目前自主研發(fā)的技術(shù)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)了全覆蓋，技術(shù)水平基本處于與世界水平的并跑階段。比如自主研發(fā)了大氣自由基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使得我國成為國際上為數(shù)不多的能實(shí)現(xiàn)超痕量大氣自由基監(jiān)測(cè)的國家。
在衛(wèi)星遙感方面，我國完成了超光譜環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星高分五號(hào)01星和02星的自主設(shè)計(jì)、發(fā)射和數(shù)據(jù)采集?；谠撓盗行l(wèi)星，開發(fā)了一系列原創(chuàng)性技術(shù)，克服了硬件不足的缺點(diǎn)。同時(shí)，還通過融合地基遙感產(chǎn)品，自主研發(fā)了多種關(guān)鍵性大氣污染物的衛(wèi)星反演算法，成功應(yīng)用于國家環(huán)境管理，標(biāo)志著星載環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)處于國際先進(jìn)行列。
此外，為助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，我國歷時(shí)兩年攻堅(jiān)克難，發(fā)射了首顆溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星TanSat，解決了光譜質(zhì)量低等一系列技術(shù)難題，成功反演出全球二氧化碳產(chǎn)品，其精度接近國際最先進(jìn)水平，使我國成為全球第三個(gè)可以獨(dú)立自主提供全球二氧化碳反演產(chǎn)品的國家。
談大氣CT掃描：
助力于大氣污染物和氣溶膠顆粒物的垂直時(shí)空分布監(jiān)測(cè)
新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)：你多次提出，環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)就像是給大氣做 CT 掃描，能簡(jiǎn)單介紹一下大氣環(huán)境拍 CT 是什么原理嗎？如何幫助更好地發(fā)現(xiàn)問題、治理問題？
劉文清：地球大氣主要成分是氮、氧、氬、二氧化碳，及比例不到0.04%的痕量氣體構(gòu)成。而痕量氣體中，如氮氧化合物、碳?xì)浠衔?、硫化物和氯化物。它們參與大氣化學(xué)循環(huán)，在大氣中的滯留期為幾天至幾十年，甚至更長(zhǎng)。盡管目前大氣主要成分沒有發(fā)生太大變化，但是由于人類的自然進(jìn)化和人類活動(dòng)使得痕量成分變化明顯 。這些痕量成分的變化，以及其引發(fā)的大氣化學(xué)過程和物理特性的變化會(huì)引起空氣質(zhì)量和氣候的變化。
環(huán)境光學(xué)就是研究光與環(huán)境物質(zhì)的相互作用的學(xué)科，把光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，形成了環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)。通俗地講，大氣環(huán)境中有各種各樣的物質(zhì)成分，包括污染物，它們都有自己的特征吸收光譜，一束光打出去或者利用太陽散射光，各種各樣的環(huán)境組分或者污染物會(huì)在吸收、散射一定的光波長(zhǎng)，形成特征光譜。
實(shí)際上就像人的指紋一樣，通過一些儀器、設(shè)備和一定的計(jì)算方法、分析方法就能把它們檢測(cè)、測(cè)量出來，比如說50米、100米，甚至到幾公里幾十公里，在這個(gè)層面上，它的污染物是怎么樣分布的，怎么樣輸送的，就如同給大氣做一個(gè)CT掃描。
針對(duì)大氣環(huán)境污染三維問題，采用多角度掃描獲得不同角度的光譜，建立了污染物層析三維分布探測(cè)方法，就像醫(yī)學(xué)CT影像一樣，可實(shí)時(shí)獲得污染物隨時(shí)間－空間分布的變化，實(shí)現(xiàn)了大氣污染物和氣溶膠顆粒物的垂直時(shí)空分布監(jiān)測(cè)。
目前包括在衛(wèi)星平臺(tái)上對(duì)大氣環(huán)境成分的監(jiān)測(cè)基本上都是采用光譜學(xué)技術(shù)，由于具有非接觸、無采樣、高靈敏度、大范圍快速監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，是國際上環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。
新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)：當(dāng)前，我國光學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展還有哪些“短板”待突破？
劉文清：目前環(huán)境監(jiān)測(cè)自主研發(fā)的技術(shù)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)了全覆蓋，技術(shù)水平基本處于與世界水平的并跑階段。但是高檔環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備創(chuàng)新能力還需要加強(qiáng)。
一是要解決環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備的“空芯化”問題，主要是關(guān)鍵核心部件依賴進(jìn)口，比如高重頻全固態(tài)激光器、高分辨傅里葉光譜儀、超高靈敏微電流檢測(cè)計(jì)等。
二是要解決環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備的“可靠性”問題?？煽啃杂锌赡艹蔀榧夹g(shù)創(chuàng)新的一個(gè)嚴(yán)重障礙，制約了我國環(huán)境裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
所以，我們希望以技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)的突破為基礎(chǔ)，進(jìn)一步解決高技術(shù)成果到實(shí)用化產(chǎn)品之間存在的工程技術(shù)問題。研發(fā)大氣活性物質(zhì)、工業(yè)園區(qū)揮發(fā)性有機(jī)物、生態(tài)氣象要素、生物氣溶膠等高靈敏監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備，滿足國家環(huán)境監(jiān)測(cè)新需求。
中國工程院院士、中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所學(xué)術(shù)所長(zhǎng)劉文清。受訪者供圖
談機(jī)遇與挑戰(zhàn)：
繼續(xù)推動(dòng)相關(guān)技術(shù)快速進(jìn)步，牢牢把住我國溫室氣體的數(shù)據(jù)安全大門
新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)：環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)對(duì)“碳達(dá)峰、碳中和” 起到什么作用？
劉文清：從大氣環(huán)境來看，無論是污染性氣體還是溫室氣體，都是構(gòu)成地球大氣的不同成分。所以，大氣環(huán)境污染氣體和溫室氣體同根同源，溫室氣體減排和大氣污染治理措施具有顯著的協(xié)同性。
而我們現(xiàn)在的溫室氣體總量是根據(jù)排放因子和模型計(jì)算出來的，有很大的不確定性。需要對(duì)排放源的實(shí)際監(jiān)測(cè)、地面監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)、航空飛機(jī)監(jiān)測(cè)，以及碳衛(wèi)星監(jiān)測(cè)以形成不同尺度和不同層面的天地一體化的溫室氣體核算網(wǎng)絡(luò)，并將濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模型結(jié)合，反推全球不同區(qū)域的碳源/碳匯。
另外，還需要驗(yàn)證減排措施是否真有效果？對(duì)結(jié)果審查時(shí)需要提供哪些數(shù)據(jù)？目前碳監(jiān)測(cè)還存在缺乏立體監(jiān)測(cè)技術(shù)、垂直監(jiān)測(cè)能力不足，動(dòng)態(tài)、精細(xì)、不同背景下的碳監(jiān)測(cè)能力不足等缺陷。盡管污染氣體和溫室氣體同根同源，但由于所處的光譜波段不同，其監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段也大不相同。
新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)：“雙碳”目標(biāo)下環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)是什么？有哪些新需求？
劉文清：“雙碳”目標(biāo)為環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。一方面，鑒于我國目前在全球溫室氣體監(jiān)測(cè)體系中還處于弱勢(shì)地位，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)常被國外質(zhì)疑不準(zhǔn)確或低估排放，因此，我們?cè)诓渴稹半p碳”重大戰(zhàn)略目標(biāo)時(shí)，仍然需要繼續(xù)推動(dòng)我們國家全自主國產(chǎn)化的溫室氣體總量觀測(cè)技術(shù)的快速進(jìn)步，如傅里葉光譜地基遙感裝備，牢牢把住我國溫室氣體的數(shù)據(jù)安全大門。
另一方面，需要開展深度國際合作，通過加入全球總碳柱觀測(cè)網(wǎng)來提升我國溫室氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果和區(qū)域碳排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的公信力。
新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)：你兩次承擔(dān)了奧運(yùn)會(huì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的任務(wù)，在你來看，從夏奧到冬奧，我國空氣有什么改善？環(huán)境監(jiān)測(cè)和之前相比， 技術(shù)上有什么突破？
劉文清：2008年奧運(yùn)，當(dāng)時(shí)國內(nèi)的大氣污染還是較為嚴(yán)重，到了2022年冬奧會(huì)，空氣質(zhì)量已經(jīng)有了很大的改善。
和以往的監(jiān)測(cè)相比，我們現(xiàn)在的技術(shù)手段更全面，監(jiān)測(cè)精度更高，在獲取了一系列的排放、氣象、化學(xué)綜合數(shù)據(jù)后，我們可以將高分辨率高精度地基和衛(wèi)星聯(lián)合遙感手段結(jié)合起來，進(jìn)行多技術(shù)的交叉印證，為更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)排放源的識(shí)別和動(dòng)態(tài)監(jiān)控提供更多的支撐。
談發(fā)展與期望：
將重點(diǎn)構(gòu)建碳中和與生態(tài)環(huán)境協(xié)同的新一代污染防治技術(shù)體系
新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)：對(duì)未來環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)的發(fā)展有什么期望？
劉文清：當(dāng)前，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)呈現(xiàn)跨介質(zhì)、全尺度、高精度等趨勢(shì)，研究尺度向更廣更深入延展，解決全球問題與區(qū)域治理關(guān)聯(lián)；學(xué)科交叉融合明顯，技術(shù)裝備呈智能化發(fā)展。
從目前我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)展的現(xiàn)狀來看，與發(fā)達(dá)國家還存在一定差距。一方面，要充分借鑒吸納國外生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)；另一方面，由于國情不同、環(huán)境狀況與階段不同、外部環(huán)境不同，不能照搬照抄西方經(jīng)驗(yàn)，必須走出一條有中國特色的監(jiān)測(cè)改革發(fā)展新路子。這方面我們還有較長(zhǎng)的路要走。
未來，我們的創(chuàng)新方向?qū)⒓性谕苿?dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新、國產(chǎn)儀器的產(chǎn)業(yè)化及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)體系的建立。
在局域微觀精細(xì)化監(jiān)測(cè)方面，大力發(fā)展基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)污染源監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化；在宏觀區(qū)域監(jiān)測(cè)方面，創(chuàng)新地基遙感監(jiān)測(cè)手段，獲取更多的大氣成分和氣象參數(shù)，突破衛(wèi)星和機(jī)載高光譜分辨率大氣遙感關(guān)鍵技術(shù)，提升重污染天氣下的觀測(cè)能力（排放源辨識(shí)和區(qū)域傳輸直接觀測(cè)），實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境的立體化、智能化綜合關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)。
同時(shí)，作為科研工作者，我也希望我們的年輕人能以研究重大問題、服務(wù)國家和社會(huì)作為最高目標(biāo)，繼續(xù)攻克難關(guān)，在一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域突破發(fā)達(dá)國家對(duì)我國的“卡脖子”問題，開發(fā)出更多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、更加先進(jìn)的光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備。
新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)：下一步重點(diǎn)工作是什么？
劉文清：一方面是圍繞我國的大氣污染協(xié)同控制治理展開。我們知道，隨著我國大氣污染治理的不斷深入，污染源的結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著改變，污染的成因也發(fā)生快速變化，所以我們的大氣污染防控工作還面臨著很多挑戰(zhàn)。比如，現(xiàn)在主要城市群顆粒物中二次成分的占比不斷上升；與此同時(shí)，全國大氣臭氧濃度不斷增加，個(gè)別城市開始出現(xiàn)臭氧引起的污染現(xiàn)象。因此，接下來監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是如何有效控制PM2.5和臭氧濃度，以及最重要的相關(guān)前體物：VOCs、NOx、CO、SO、NH3。我們希望能盡快發(fā)射星載臭氧探測(cè)激光雷達(dá)，這方面我們?cè)趪H上是領(lǐng)先的。
另一方面，“雙碳”目標(biāo)下，我們會(huì)重點(diǎn)發(fā)展溫室氣體濃度、生態(tài)通量、碳柱及廓線監(jiān)測(cè)等技術(shù)裝備，建立性能評(píng)估技術(shù)校驗(yàn)體系，構(gòu)建碳中和與生態(tài)環(huán)境協(xié)同的新一代污染防治技術(shù)體系，支撐國家和地方降碳減污協(xié)同控制。
