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專訪中國(guó)工程院院士劉文清:環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)就像給大氣做CT 未來(lái)還需進(jìn)一步解決探測(cè)器芯片等核心技術(shù)

每日經(jīng)濟(jì)新聞 2022-10-13 11:33:37

◎在衛(wèi)星遙感方面,我國(guó)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。

◎未來(lái)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展,還需要進(jìn)一步解決相關(guān)光源、探測(cè)器芯片等核心技術(shù),發(fā)展原創(chuàng)的探測(cè)原理方法和技術(shù)系統(tǒng)。

每經(jīng)記者 張懷水    每經(jīng)編輯 陳星    

2014年開(kāi)始,攝影愛(ài)好者王汝春每天用相機(jī)對(duì)準(zhǔn)天空的同一方向,留下一張“天空實(shí)錄”。斗轉(zhuǎn)星移,如今王汝春已經(jīng)拍下了3000多張照片。

打開(kāi)這些照片,人們很容易看到,天一年比一年透亮。湛藍(lán)的天空飄著朵朵白云,這樣的好天氣正變得尋常起來(lái)。

黨的十八大以來(lái),我國(guó)以前所未有的力度向大氣污染宣戰(zhàn),先后頒布實(shí)施《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》,明確大氣污染防治工作的總體思路、基本目標(biāo)和主要任務(wù)。

環(huán)境的變化光是肉眼看還不夠,我們需要專業(yè)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)沫h(huán)境監(jiān)測(cè)。

十年來(lái),我國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了什么進(jìn)展?在加強(qiáng)自主創(chuàng)新和研發(fā)方面做出了哪些努力?在國(guó)際上水平如何?

帶著這些問(wèn)題,《每日經(jīng)濟(jì)新聞》(以下簡(jiǎn)稱“NBD”)記者在黨的二十大召開(kāi)前夕,專訪了中國(guó)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。

劉文清

環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)步入再創(chuàng)新階段

NBD:在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中,環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)揮著重要作用。您能否結(jié)合自身經(jīng)歷,談一談我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程?有哪些關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)或者事件?

劉文清:生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)與儀器,是信息時(shí)代生態(tài)環(huán)境科學(xué)技術(shù)發(fā)展的源頭,是生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究的“先行官”,也是我國(guó)綠色低碳發(fā)展的“倍增器”。我國(guó)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的解決離不開(kāi)先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器。

十幾年來(lái),我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展很快,已經(jīng)走過(guò)引進(jìn)消化吸收階段,步入了再創(chuàng)新階段。隨著環(huán)境監(jiān)管要求的提升,中國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)在遠(yuǎn)程化、智能化、支撐科學(xué)決策和精準(zhǔn)監(jiān)管等方面取得很大提升,可較好地支撐以空氣、水質(zhì)和污染源監(jiān)測(cè)為主體的國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

我國(guó)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作起步較晚,以空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器為例,2000年前我國(guó)城市空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站幾乎全部依賴進(jìn)口。若依靠國(guó)外自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)儀器,由于投資和運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高,難以滿足我國(guó)環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)的需要。

環(huán)境污染物的形成、轉(zhuǎn)化、輸送和演變過(guò)程具有極強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)性,所以,多組分環(huán)境污染物的快速、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域科技工作者面對(duì)的重大課題。基于光譜學(xué)原理的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù),由于具有非接觸、無(wú)采樣、高靈敏度、大范圍快速監(jiān)測(cè)等特點(diǎn),是國(guó)際上環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

在中科院、科技部、生態(tài)環(huán)境部等部門(mén)的支持下,我們團(tuán)隊(duì)完成了一系列科研項(xiàng)目,研發(fā)了空氣、煙氣、尾氣、顆粒物等幾十種大氣污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器,并與企業(yè)合作進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化。

2000年4月,由兩院院士組成的“先進(jìn)環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域?qū)n}組”,向國(guó)家提交了一份《先進(jìn)環(huán)保技術(shù)咨詢報(bào)告》,肯定了我們開(kāi)發(fā)的多種環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù),建議把“DOAS空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”“機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙測(cè)系統(tǒng)”等列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。就這樣,我們從最早的差分光學(xué)吸收光譜(DOAS)技術(shù),逐漸發(fā)展了可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)、光散射等一系列環(huán)境光學(xué)測(cè)量技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣環(huán)境的一次、二次污染物的快速、立體、在線監(jiān)測(cè),并拓展到水體藻類、有機(jī)物和土壤重金屬等指標(biāo)的高精度在線測(cè)量,基本支撐構(gòu)建了以空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、污染源監(jiān)測(cè)為主體的國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

我們深刻地體會(huì)到,我國(guó)要實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化,必須發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器設(shè)備,這樣才能解決我們自己的問(wèn)題。

NBD:您當(dāng)時(shí)為什么會(huì)選擇這個(gè)研究領(lǐng)域?經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,您認(rèn)為最大的變化是什么?

劉文清:我畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)物理系光學(xué)與激光專業(yè),然后在中科院安徽光機(jī)所工作,也在多國(guó)的高校和科研院所工作或?qū)W習(xí)過(guò)。我從事過(guò)大氣環(huán)境污染激光雷達(dá)探測(cè)和光學(xué)遙感應(yīng)用研究、環(huán)境污染的光譜學(xué)技術(shù)研究,也從事過(guò)激光在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究。

給我印象深刻的是,1995年國(guó)外發(fā)射了采用光譜技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星,可以獲得區(qū)域和全球大氣環(huán)境污染的狀況。然而,回國(guó)后我發(fā)現(xiàn)我國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)基本上處于現(xiàn)場(chǎng)采樣、實(shí)驗(yàn)室分析階段,采樣儀器以手動(dòng)、半自動(dòng)為主。直讀型、在線型、應(yīng)急儀器基本上是國(guó)外產(chǎn)品。

2000年開(kāi)始,國(guó)家注重空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)工作,推動(dòng)全國(guó)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè),也促進(jìn)了空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。

每種大氣污染物都有自己的光譜特征,就像人的指紋一樣。我們圍繞光與大氣污染物質(zhì)相互作用的研究,建立污染物的光譜特征數(shù)據(jù)庫(kù),研發(fā)污染物的光譜定量解析算法,主持建立了環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究平臺(tái),開(kāi)展對(duì)多種污染物的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法研究。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,我認(rèn)為最大的變化是形成了我國(guó)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)體系,自主研發(fā)了一系列大氣、水體、土壤等多要素在線監(jiān)測(cè)與高分辨遙感設(shè)備,為我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)向天空地一體、陸海統(tǒng)籌、上下協(xié)同、信息共享環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)支撐,加速了我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化進(jìn)程,促進(jìn)我國(guó)環(huán)境質(zhì)量明顯改善。

工作中的劉文清

從一個(gè)芯片、一個(gè)接口開(kāi)始研制

NBD:環(huán)境監(jiān)測(cè)涉及諸多高精尖技術(shù)創(chuàng)新,在加強(qiáng)自主研發(fā)方面,我們做了哪些持久的努力?黨的十八大以來(lái),取得了哪些突出成績(jī)?

劉文清:近年來(lái),環(huán)境光學(xué)技術(shù)的發(fā)展由地基平臺(tái)走向空基、天基平臺(tái)。

在空基平臺(tái)方面,我們研制了環(huán)境大氣成分探測(cè)系統(tǒng),用于機(jī)載快速獲取區(qū)域環(huán)境大氣監(jiān)測(cè)參數(shù)的環(huán)境大氣成分探測(cè)系統(tǒng),2013~2019年,這套系統(tǒng)參加了數(shù)十架次的飛行,獲取了飛行路徑上的大氣二氧化硫、二氧化氮、臭氧等污染氣體的濃度,為地面監(jiān)測(cè)儀器和星載儀器監(jiān)測(cè)做了有效的補(bǔ)充。

在天基平臺(tái)方面,高分五號(hào)上天以前,我們國(guó)家沒(méi)有自己的大氣痕量氣體觀測(cè)衛(wèi)星,相關(guān)數(shù)據(jù)受制于國(guó)外,比較被動(dòng)。從2005年開(kāi)始,我們就關(guān)注大氣痕量成分的監(jiān)測(cè),但直到五年后,國(guó)家高分計(jì)劃正式出臺(tái),荷載光學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星研發(fā)才走向了臺(tái)前。

回想研發(fā)初期,我們通宵達(dá)旦查資料、做實(shí)驗(yàn),從一個(gè)芯片、一個(gè)接口開(kāi)始研制,最終解決了太空環(huán)境下衛(wèi)星載荷光譜形變、波長(zhǎng)漂移等關(guān)鍵問(wèn)題。

2018年5月9日,中國(guó)第一顆高光譜綜合觀測(cè)衛(wèi)星高分五號(hào)在太原基地發(fā)射成功,并順利進(jìn)入軌道。衛(wèi)星上搭載了團(tuán)隊(duì)研發(fā)的我國(guó)第一顆大氣痕量氣體觀測(cè)載荷——大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、高光譜觀測(cè)衛(wèi)星(高分五號(hào)02星)。到2022年4月,大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星(簡(jiǎn)稱大氣一號(hào))繼續(xù)搭載了安光所經(jīng)過(guò)改進(jìn)的大氣痕量氣體觀測(cè)載荷。

該設(shè)備利用光譜持續(xù)遙感成像的原理,提供全球大氣污染的分布特征和時(shí)間序列的變化。系列衛(wèi)星上的被動(dòng)遙感觀測(cè),最大成像幅寬達(dá)到2600公里,能保證每日一次的巡查,可以清晰地動(dòng)態(tài)地掌握全球污染信息,不僅宏觀上為我們控制大氣污染提供技術(shù)支持,還可以更加科學(xué)地制定發(fā)展規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)政策。

NBD:環(huán)境監(jiān)測(cè)有哪些具體的應(yīng)用場(chǎng)景,在疫情防控過(guò)程中,發(fā)揮了哪些重要作用?

劉文清:環(huán)境監(jiān)測(cè)可以應(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、污染源排放監(jiān)測(cè)、大氣成分探測(cè)、安全生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、應(yīng)急監(jiān)測(cè)等,可以服務(wù)于環(huán)境、氣象、海洋、公共安全、應(yīng)急管理等領(lǐng)域。

比如空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面,針對(duì)農(nóng)田氨揮發(fā)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)、時(shí)間分辨率低、可比性差的難題,我們研制的原位高可靠性增程光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)測(cè)定氨的濃度和分布,為農(nóng)田溫室氣體減排、提高耕作效率等前沿性科學(xué)問(wèn)題提供技術(shù)支持。

應(yīng)急管理方面,針對(duì)輸氣管線對(duì)易燃易爆、有毒有害氣體泄漏在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警的需求,我們利用激光吸收光譜技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)公里量級(jí)長(zhǎng)度輸氣管線有害氣體和易燃?xì)怏w的防爆、非接觸式在線監(jiān)測(cè)等。總之,環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景很廣泛,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

在疫情防控中,大氣環(huán)境因素對(duì)疫情傳播和防控具有重要作用。在疫情最初暴發(fā)期間,針對(duì)疫情發(fā)生地定點(diǎn)醫(yī)院、方艙醫(yī)院、隔離醫(yī)院、社區(qū)周邊及武漢整體環(huán)境缺乏高時(shí)空分辨率的大氣環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)。

所以2020年疫情初期,我?guī)ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)前往武漢開(kāi)展走航觀測(cè),我們的實(shí)驗(yàn)車(chē)配備了研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的氣溶膠和臭氧探測(cè)激光雷達(dá)等7套大氣環(huán)境立體探測(cè)設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)從近地面到5公里高度大氣氣溶膠和臭氧的實(shí)時(shí)探測(cè),以及對(duì)230余種揮發(fā)性有機(jī)物的秒級(jí)快速監(jiān)測(cè)。

通過(guò)觀測(cè),獲得了重要場(chǎng)所新型冠狀病毒、大氣氣溶膠、消毒劑揮發(fā)氣體、有毒有害氣體、環(huán)境空氣質(zhì)量和氣象要素等的時(shí)空分布、擴(kuò)散與傳輸特征。為重要場(chǎng)所的病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、環(huán)境影響因素分析,以及消毒效果評(píng)價(jià)與副作用控制提供了關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備與數(shù)據(jù)支撐。

這些研究成果,對(duì)于評(píng)估重點(diǎn)場(chǎng)所周邊的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),實(shí)施更合理的消毒措施,分析經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響,都有一定的借鑒作用。

工作中的劉文清

環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)猶如給大氣做CT

NBD:您曾提到,環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)就像是給大氣做CT掃描,為什么這么說(shuō)?我國(guó)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)際上處于什么樣的水平?

劉文清:對(duì)于環(huán)境光學(xué)技術(shù),通俗地講,空氣中有各種各樣的成分,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(yáng)散射光,各種各樣的空氣組分或者污染物會(huì)在某一些頻率上對(duì)光波進(jìn)行吸收,形成特征吸收光譜。就像人的指紋,通過(guò)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(lái),這樣就可以知道光路上不同高度的污染物成分和含量,猶如給大氣做一個(gè)CT掃描。

在地基遙感監(jiān)測(cè)方面,通過(guò)軟硬件技術(shù)的創(chuàng)新,拓展了大氣痕量成分的監(jiān)測(cè)組分,從以前只能監(jiān)測(cè)二氧化氮、二氧化硫、甲醛和氣溶膠,到現(xiàn)在還能監(jiān)測(cè)氣態(tài)亞硝酸、水汽和部分VOCs等成分,為大氣污染成因機(jī)理的深入研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。

我國(guó)自主研發(fā)了大氣氧化性探測(cè)系統(tǒng),成功應(yīng)用于外場(chǎng)觀測(cè),使得我國(guó)成為國(guó)際上為數(shù)不多的能實(shí)現(xiàn)超痕量大氣自由基探測(cè)的國(guó)家。

在衛(wèi)星遙感方面,我國(guó)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。基于該系列衛(wèi)星,開(kāi)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(guò)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,并在國(guó)家重大活動(dòng)期間的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方面獲得了成功應(yīng)用,這標(biāo)志著我國(guó)此類監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)處于國(guó)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(guó)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(guó)際最先進(jìn)水平,使我國(guó)成為繼日本、美國(guó)之后的全球第三個(gè)可以獨(dú)立自主提供全球二氧化碳反演產(chǎn)品的國(guó)家。

NBD:中國(guó)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個(gè)重要階段?您覺(jué)得最困難的是在什么時(shí)候?

劉文清:總的看來(lái),中國(guó)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷三個(gè)階段。

第一個(gè)階段,是面向國(guó)家對(duì)空氣質(zhì)量、污染源在線監(jiān)測(cè)技術(shù)需求,發(fā)展了二氧化硫、二氧化氮、臭氧以及顆粒物(PM10/PM2.5)等光學(xué)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。這使得我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)由傳統(tǒng)的手工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析向自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)跨越,有力支撐了國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)。

第二個(gè)階段,主要是發(fā)展了區(qū)域污染的立體探測(cè)技術(shù),采用紫外-可見(jiàn)-紅外全光譜探測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了區(qū)域污染的時(shí)空分布監(jiān)測(cè),以及分區(qū)域污染排放通量和跨區(qū)域污染輸送監(jiān)測(cè)。彌補(bǔ)了常規(guī)業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測(cè)手段、監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)范圍方面的不足,為揭示污染時(shí)空變化、污染排放、跨界輸送的研究和環(huán)境管理提供重要科技手段。

第三階段是發(fā)展先進(jìn)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)。從地基平臺(tái)走向機(jī)載、星載平臺(tái),自主研發(fā)的衛(wèi)星平臺(tái)載荷(高分五號(hào)EMI)獲取了大氣痕量氣體等的全球分布狀況。實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)從地基遙感,到機(jī)載和星載平臺(tái)區(qū)域及全球大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的重大跨越。

發(fā)展了面向環(huán)境科學(xué)研究的高端監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備,研發(fā)了大氣HOx(氫的氧化物)自由基外場(chǎng)實(shí)時(shí)在線探測(cè)技術(shù)系統(tǒng),使我國(guó)成為國(guó)際上少數(shù)幾個(gè)掌握了自由基外場(chǎng)探測(cè)技術(shù)的國(guó)家之一。整個(gè)技術(shù)發(fā)展過(guò)程由追趕國(guó)外技術(shù),到與國(guó)外技術(shù)并跑,再到部分技術(shù)領(lǐng)跑。同時(shí),技術(shù)發(fā)展也由技術(shù)集成逐漸到整個(gè)設(shè)備的高度國(guó)產(chǎn)化、自主化。

最困難的是第一發(fā)展階段,當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備剛起步,要不斷提升技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)積累,通過(guò)提高國(guó)產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口儀器設(shè)備的替代。

需發(fā)展原創(chuàng)探測(cè)原理方法和技術(shù)系統(tǒng)

NBD:光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的突破會(huì)給環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)哪些新變化?未來(lái),光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展還需要補(bǔ)齊哪些“短板”?

劉文清:光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)具備光學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。光學(xué)技術(shù)的突破將帶來(lái)很多新的變化,如多尺度立體監(jiān)測(cè)技術(shù),包括硬件、軟件,將實(shí)現(xiàn)全天候自適應(yīng)網(wǎng)格化環(huán)境立體監(jiān)測(cè),形成環(huán)境信息的“智慧全球”。光學(xué)器件的微型化,將實(shí)現(xiàn)環(huán)境多要素的精細(xì)傳感/探測(cè),如環(huán)境傳感耦合手機(jī)形成實(shí)時(shí)全網(wǎng)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)。

未來(lái)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展,還需要進(jìn)一步解決相關(guān)光源、探測(cè)器芯片等核心技術(shù),發(fā)展原創(chuàng)的探測(cè)原理方法和技術(shù)系統(tǒng),發(fā)展面向多介質(zhì)、多要素、多尺度的光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù),引領(lǐng)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展。

NBD:聚焦您的專業(yè)領(lǐng)域,未來(lái)希望在哪些方面有進(jìn)一步突破?

劉文清:國(guó)內(nèi)方面,隨著我國(guó)大氣污染治理的不斷深入,污染源結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變,污染的成因也發(fā)生快速變化,我國(guó)大氣污染防控還存在很多挑戰(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(guó)大氣臭氧濃度不斷增加,個(gè)別城市出現(xiàn)臭氧引起的污染。因此,PM2.5和臭氧協(xié)同控制成為大氣污染治理的深水區(qū)。

因此,接下來(lái)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。

此外,我們一方面要繼續(xù)推動(dòng)全自主國(guó)產(chǎn)化的溫室氣體總量觀測(cè)技術(shù),牢牢把住數(shù)據(jù)安全大門(mén),另一方面要開(kāi)展深度國(guó)際合作,通過(guò)加入全球碳觀測(cè)網(wǎng)來(lái)提升我國(guó)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。

(本文圖片均由受訪者提供)

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2014年開(kāi)始,攝影愛(ài)好者王汝春每天用相機(jī)對(duì)準(zhǔn)天空的同一方向,留下一張“天空實(shí)錄”。斗轉(zhuǎn)星移,如今王汝春已經(jīng)拍下了3000多張照片。 打開(kāi)這些照片,人們很容易看到,天一年比一年透亮。湛藍(lán)的天空飄著朵朵白云,這樣的好天氣正變得尋常起來(lái)。 黨的十八大以來(lái),我國(guó)以前所未有的力度向大氣污染宣戰(zhàn),先后頒布實(shí)施《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》,明確大氣污染防治工作的總體思路、基本目標(biāo)和主要任務(wù)。 環(huán)境的變化光是肉眼看還不夠,我們需要專業(yè)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)沫h(huán)境監(jiān)測(cè)。 十年來(lái),我國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了什么進(jìn)展?在加強(qiáng)自主創(chuàng)新和研發(fā)方面做出了哪些努力?在國(guó)際上水平如何? 帶著這些問(wèn)題,《每日經(jīng)濟(jì)新聞》(以下簡(jiǎn)稱“NBD”)記者在黨的二十大召開(kāi)前夕,專訪了中國(guó)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。 劉文清 環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)步入再創(chuàng)新階段 NBD:在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中,環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)揮著重要作用。您能否結(jié)合自身經(jīng)歷,談一談我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程?有哪些關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)或者事件? 劉文清:生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)與儀器,是信息時(shí)代生態(tài)環(huán)境科學(xué)技術(shù)發(fā)展的源頭,是生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究的“先行官”,也是我國(guó)綠色低碳發(fā)展的“倍增器”。我國(guó)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的解決離不開(kāi)先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器。 十幾年來(lái),我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展很快,已經(jīng)走過(guò)引進(jìn)消化吸收階段,步入了再創(chuàng)新階段。隨著環(huán)境監(jiān)管要求的提升,中國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)在遠(yuǎn)程化、智能化、支撐科學(xué)決策和精準(zhǔn)監(jiān)管等方面取得很大提升,可較好地支撐以空氣、水質(zhì)和污染源監(jiān)測(cè)為主體的國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。 我國(guó)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作起步較晚,以空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器為例,2000年前我國(guó)城市空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站幾乎全部依賴進(jìn)口。若依靠國(guó)外自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)儀器,由于投資和運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高,難以滿足我國(guó)環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)的需要。 環(huán)境污染物的形成、轉(zhuǎn)化、輸送和演變過(guò)程具有極強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)性,所以,多組分環(huán)境污染物的快速、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域科技工作者面對(duì)的重大課題。基于光譜學(xué)原理的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù),由于具有非接觸、無(wú)采樣、高靈敏度、大范圍快速監(jiān)測(cè)等特點(diǎn),是國(guó)際上環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。 在中科院、科技部、生態(tài)環(huán)境部等部門(mén)的支持下,我們團(tuán)隊(duì)完成了一系列科研項(xiàng)目,研發(fā)了空氣、煙氣、尾氣、顆粒物等幾十種大氣污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器,并與企業(yè)合作進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化。 2000年4月,由兩院院士組成的“先進(jìn)環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域?qū)n}組”,向國(guó)家提交了一份《先進(jìn)環(huán)保技術(shù)咨詢報(bào)告》,肯定了我們開(kāi)發(fā)的多種環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù),建議把“DOAS空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”“機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙測(cè)系統(tǒng)”等列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。就這樣,我們從最早的差分光學(xué)吸收光譜(DOAS)技術(shù),逐漸發(fā)展了可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)、光散射等一系列環(huán)境光學(xué)測(cè)量技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣環(huán)境的一次、二次污染物的快速、立體、在線監(jiān)測(cè),并拓展到水體藻類、有機(jī)物和土壤重金屬等指標(biāo)的高精度在線測(cè)量,基本支撐構(gòu)建了以空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、污染源監(jiān)測(cè)為主體的國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。 我們深刻地體會(huì)到,我國(guó)要實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化,必須發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器設(shè)備,這樣才能解決我們自己的問(wèn)題。 NBD:您當(dāng)時(shí)為什么會(huì)選擇這個(gè)研究領(lǐng)域?經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,您認(rèn)為最大的變化是什么? 劉文清:我畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)物理系光學(xué)與激光專業(yè),然后在中科院安徽光機(jī)所工作,也在多國(guó)的高校和科研院所工作或?qū)W習(xí)過(guò)。我從事過(guò)大氣環(huán)境污染激光雷達(dá)探測(cè)和光學(xué)遙感應(yīng)用研究、環(huán)境污染的光譜學(xué)技術(shù)研究,也從事過(guò)激光在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究。 給我印象深刻的是,1995年國(guó)外發(fā)射了采用光譜技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星,可以獲得區(qū)域和全球大氣環(huán)境污染的狀況。然而,回國(guó)后我發(fā)現(xiàn)我國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)基本上處于現(xiàn)場(chǎng)采樣、實(shí)驗(yàn)室分析階段,采樣儀器以手動(dòng)、半自動(dòng)為主。直讀型、在線型、應(yīng)急儀器基本上是國(guó)外產(chǎn)品。 2000年開(kāi)始,國(guó)家注重空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)工作,推動(dòng)全國(guó)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè),也促進(jìn)了空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。 每種大氣污染物都有自己的光譜特征,就像人的指紋一樣。我們圍繞光與大氣污染物質(zhì)相互作用的研究,建立污染物的光譜特征數(shù)據(jù)庫(kù),研發(fā)污染物的光譜定量解析算法,主持建立了環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究平臺(tái),開(kāi)展對(duì)多種污染物的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法研究。 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,我認(rèn)為最大的變化是形成了我國(guó)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)體系,自主研發(fā)了一系列大氣、水體、土壤等多要素在線監(jiān)測(cè)與高分辨遙感設(shè)備,為我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)向天空地一體、陸海統(tǒng)籌、上下協(xié)同、信息共享環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)支撐,加速了我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化進(jìn)程,促進(jìn)我國(guó)環(huán)境質(zhì)量明顯改善。 工作中的劉文清 從一個(gè)芯片、一個(gè)接口開(kāi)始研制 NBD:環(huán)境監(jiān)測(cè)涉及諸多高精尖技術(shù)創(chuàng)新,在加強(qiáng)自主研發(fā)方面,我們做了哪些持久的努力?黨的十八大以來(lái),取得了哪些突出成績(jī)? 劉文清:近年來(lái),環(huán)境光學(xué)技術(shù)的發(fā)展由地基平臺(tái)走向空基、天基平臺(tái)。 在空基平臺(tái)方面,我們研制了環(huán)境大氣成分探測(cè)系統(tǒng),用于機(jī)載快速獲取區(qū)域環(huán)境大氣監(jiān)測(cè)參數(shù)的環(huán)境大氣成分探測(cè)系統(tǒng),2013~2019年,這套系統(tǒng)參加了數(shù)十架次的飛行,獲取了飛行路徑上的大氣二氧化硫、二氧化氮、臭氧等污染氣體的濃度,為地面監(jiān)測(cè)儀器和星載儀器監(jiān)測(cè)做了有效的補(bǔ)充。 在天基平臺(tái)方面,高分五號(hào)上天以前,我們國(guó)家沒(méi)有自己的大氣痕量氣體觀測(cè)衛(wèi)星,相關(guān)數(shù)據(jù)受制于國(guó)外,比較被動(dòng)。從2005年開(kāi)始,我們就關(guān)注大氣痕量成分的監(jiān)測(cè),但直到五年后,國(guó)家高分計(jì)劃正式出臺(tái),荷載光學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星研發(fā)才走向了臺(tái)前。 回想研發(fā)初期,我們通宵達(dá)旦查資料、做實(shí)驗(yàn),從一個(gè)芯片、一個(gè)接口開(kāi)始研制,最終解決了太空環(huán)境下衛(wèi)星載荷光譜形變、波長(zhǎng)漂移等關(guān)鍵問(wèn)題。 2018年5月9日,中國(guó)第一顆高光譜綜合觀測(cè)衛(wèi)星高分五號(hào)在太原基地發(fā)射成功,并順利進(jìn)入軌道。衛(wèi)星上搭載了團(tuán)隊(duì)研發(fā)的我國(guó)第一顆大氣痕量氣體觀測(cè)載荷——大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、高光譜觀測(cè)衛(wèi)星(高分五號(hào)02星)。到2022年4月,大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星(簡(jiǎn)稱大氣一號(hào))繼續(xù)搭載了安光所經(jīng)過(guò)改進(jìn)的大氣痕量氣體觀測(cè)載荷。 該設(shè)備利用光譜持續(xù)遙感成像的原理,提供全球大氣污染的分布特征和時(shí)間序列的變化。系列衛(wèi)星上的被動(dòng)遙感觀測(cè),最大成像幅寬達(dá)到2600公里,能保證每日一次的巡查,可以清晰地動(dòng)態(tài)地掌握全球污染信息,不僅宏觀上為我們控制大氣污染提供技術(shù)支持,還可以更加科學(xué)地制定發(fā)展規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)政策。 NBD:環(huán)境監(jiān)測(cè)有哪些具體的應(yīng)用場(chǎng)景,在疫情防控過(guò)程中,發(fā)揮了哪些重要作用? 劉文清:環(huán)境監(jiān)測(cè)可以應(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、污染源排放監(jiān)測(cè)、大氣成分探測(cè)、安全生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、應(yīng)急監(jiān)測(cè)等,可以服務(wù)于環(huán)境、氣象、海洋、公共安全、應(yīng)急管理等領(lǐng)域。 比如空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面,針對(duì)農(nóng)田氨揮發(fā)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)、時(shí)間分辨率低、可比性差的難題,我們研制的原位高可靠性增程光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)測(cè)定氨的濃度和分布,為農(nóng)田溫室氣體減排、提高耕作效率等前沿性科學(xué)問(wèn)題提供技術(shù)支持。 應(yīng)急管理方面,針對(duì)輸氣管線對(duì)易燃易爆、有毒有害氣體泄漏在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警的需求,我們利用激光吸收光譜技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)公里量級(jí)長(zhǎng)度輸氣管線有害氣體和易燃?xì)怏w的防爆、非接觸式在線監(jiān)測(cè)等。總之,環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景很廣泛,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。 在疫情防控中,大氣環(huán)境因素對(duì)疫情傳播和防控具有重要作用。在疫情最初暴發(fā)期間,針對(duì)疫情發(fā)生地定點(diǎn)醫(yī)院、方艙醫(yī)院、隔離醫(yī)院、社區(qū)周邊及武漢整體環(huán)境缺乏高時(shí)空分辨率的大氣環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)。 所以2020年疫情初期,我?guī)ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)前往武漢開(kāi)展走航觀測(cè),我們的實(shí)驗(yàn)車(chē)配備了研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的氣溶膠和臭氧探測(cè)激光雷達(dá)等7套大氣環(huán)境立體探測(cè)設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)從近地面到5公里高度大氣氣溶膠和臭氧的實(shí)時(shí)探測(cè),以及對(duì)230余種揮發(fā)性有機(jī)物的秒級(jí)快速監(jiān)測(cè)。 通過(guò)觀測(cè),獲得了重要場(chǎng)所新型冠狀病毒、大氣氣溶膠、消毒劑揮發(fā)氣體、有毒有害氣體、環(huán)境空氣質(zhì)量和氣象要素等的時(shí)空分布、擴(kuò)散與傳輸特征。為重要場(chǎng)所的病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、環(huán)境影響因素分析,以及消毒效果評(píng)價(jià)與副作用控制提供了關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備與數(shù)據(jù)支撐。 這些研究成果,對(duì)于評(píng)估重點(diǎn)場(chǎng)所周邊的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),實(shí)施更合理的消毒措施,分析經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響,都有一定的借鑒作用。 工作中的劉文清 環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)猶如給大氣做CT NBD:您曾提到,環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)就像是給大氣做CT掃描,為什么這么說(shuō)?我國(guó)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)際上處于什么樣的水平? 劉文清:對(duì)于環(huán)境光學(xué)技術(shù),通俗地講,空氣中有各種各樣的成分,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(yáng)散射光,各種各樣的空氣組分或者污染物會(huì)在某一些頻率上對(duì)光波進(jìn)行吸收,形成特征吸收光譜。就像人的指紋,通過(guò)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(lái),這樣就可以知道光路上不同高度的污染物成分和含量,猶如給大氣做一個(gè)CT掃描。 在地基遙感監(jiān)測(cè)方面,通過(guò)軟硬件技術(shù)的創(chuàng)新,拓展了大氣痕量成分的監(jiān)測(cè)組分,從以前只能監(jiān)測(cè)二氧化氮、二氧化硫、甲醛和氣溶膠,到現(xiàn)在還能監(jiān)測(cè)氣態(tài)亞硝酸、水汽和部分VOCs等成分,為大氣污染成因機(jī)理的深入研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。 我國(guó)自主研發(fā)了大氣氧化性探測(cè)系統(tǒng),成功應(yīng)用于外場(chǎng)觀測(cè),使得我國(guó)成為國(guó)際上為數(shù)不多的能實(shí)現(xiàn)超痕量大氣自由基探測(cè)的國(guó)家。 在衛(wèi)星遙感方面,我國(guó)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。基于該系列衛(wèi)星,開(kāi)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(guò)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,并在國(guó)家重大活動(dòng)期間的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方面獲得了成功應(yīng)用,這標(biāo)志著我國(guó)此類監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)處于國(guó)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(guó)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(guó)際最先進(jìn)水平,使我國(guó)成為繼日本、美國(guó)之后的全球第三個(gè)可以獨(dú)立自主提供全球二氧化碳反演產(chǎn)品的國(guó)家。 NBD:中國(guó)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個(gè)重要階段?您覺(jué)得最困難的是在什么時(shí)候? 劉文清:總的看來(lái),中國(guó)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷三個(gè)階段。 第一個(gè)階段,是面向國(guó)家對(duì)空氣質(zhì)量、污染源在線監(jiān)測(cè)技術(shù)需求,發(fā)展了二氧化硫、二氧化氮、臭氧以及顆粒物(PM10/PM2.5)等光學(xué)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。這使得我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)由傳統(tǒng)的手工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析向自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)跨越,有力支撐了國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)。 第二個(gè)階段,主要是發(fā)展了區(qū)域污染的立體探測(cè)技術(shù),采用紫外-可見(jiàn)-紅外全光譜探測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了區(qū)域污染的時(shí)空分布監(jiān)測(cè),以及分區(qū)域污染排放通量和跨區(qū)域污染輸送監(jiān)測(cè)。彌補(bǔ)了常規(guī)業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測(cè)手段、監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)范圍方面的不足,為揭示污染時(shí)空變化、污染排放、跨界輸送的研究和環(huán)境管理提供重要科技手段。 第三階段是發(fā)展先進(jìn)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)。從地基平臺(tái)走向機(jī)載、星載平臺(tái),自主研發(fā)的衛(wèi)星平臺(tái)載荷(高分五號(hào)EMI)獲取了大氣痕量氣體等的全球分布狀況。實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)從地基遙感,到機(jī)載和星載平臺(tái)區(qū)域及全球大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的重大跨越。 發(fā)展了面向環(huán)境科學(xué)研究的高端監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備,研發(fā)了大氣HOx(氫的氧化物)自由基外場(chǎng)實(shí)時(shí)在線探測(cè)技術(shù)系統(tǒng),使我國(guó)成為國(guó)際上少數(shù)幾個(gè)掌握了自由基外場(chǎng)探測(cè)技術(shù)的國(guó)家之一。整個(gè)技術(shù)發(fā)展過(guò)程由追趕國(guó)外技術(shù),到與國(guó)外技術(shù)并跑,再到部分技術(shù)領(lǐng)跑。同時(shí),技術(shù)發(fā)展也由技術(shù)集成逐漸到整個(gè)設(shè)備的高度國(guó)產(chǎn)化、自主化。 最困難的是第一發(fā)展階段,當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備剛起步,要不斷提升技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)積累,通過(guò)提高國(guó)產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口儀器設(shè)備的替代。 需發(fā)展原創(chuàng)探測(cè)原理方法和技術(shù)系統(tǒng) NBD:光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的突破會(huì)給環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)哪些新變化?未來(lái),光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展還需要補(bǔ)齊哪些“短板”? 劉文清:光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)具備光學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。光學(xué)技術(shù)的突破將帶來(lái)很多新的變化,如多尺度立體監(jiān)測(cè)技術(shù),包括硬件、軟件,將實(shí)現(xiàn)全天候自適應(yīng)網(wǎng)格化環(huán)境立體監(jiān)測(cè),形成環(huán)境信息的“智慧全球”。光學(xué)器件的微型化,將實(shí)現(xiàn)環(huán)境多要素的精細(xì)傳感/探測(cè),如環(huán)境傳感耦合手機(jī)形成實(shí)時(shí)全網(wǎng)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)。 未來(lái)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展,還需要進(jìn)一步解決相關(guān)光源、探測(cè)器芯片等核心技術(shù),發(fā)展原創(chuàng)的探測(cè)原理方法和技術(shù)系統(tǒng),發(fā)展面向多介質(zhì)、多要素、多尺度的光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù),引領(lǐng)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展。 NBD:聚焦您的專業(yè)領(lǐng)域,未來(lái)希望在哪些方面有進(jìn)一步突破? 劉文清:國(guó)內(nèi)方面,隨著我國(guó)大氣污染治理的不斷深入,污染源結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變,污染的成因也發(fā)生快速變化,我國(guó)大氣污染防控還存在很多挑戰(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(guó)大氣臭氧濃度不斷增加,個(gè)別城市出現(xiàn)臭氧引起的污染。因此,PM2.5和臭氧協(xié)同控制成為大氣污染治理的深水區(qū)。 因此,接下來(lái)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。 此外,我們一方面要繼續(xù)推動(dòng)全自主國(guó)產(chǎn)化的溫室氣體總量觀測(cè)技術(shù),牢牢把住數(shù)據(jù)安全大門(mén),另一方面要開(kāi)展深度國(guó)際合作,通過(guò)加入全球碳觀測(cè)網(wǎng)來(lái)提升我國(guó)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。 (本文圖片均由受訪者提供)
環(huán)境監(jiān)測(cè)

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