專訪中國工程院院士劉文清：環境光學監測就像給大氣做CT 未來還需進一步解決探測器芯片等核心技術

2014年開始，攝影愛好者王汝春每天用相機對準天空的同一方向，留下一張“天空實錄”。斗轉星移，如今王汝春已經拍下了3000多張照片。 打開這些照片，人們很容易看到，天一年比一年透亮。湛藍的天空飄著朵朵白云，這樣的好天氣正變得尋常起來。 黨的十八大以來，我國以前所未有的力度向大氣污染宣戰，先后頒布實施《大氣污染防治行動計劃》《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，明確大氣污染防治工作的總體思路、基本目標和主要任務。 環境的變化光是肉眼看還不夠，我們需要專業、嚴謹的環境監測。 十年來，我國生態環境監測技術取得了什么進展？在加強自主創新和研發方面做出了哪些努力？在國際上水平如何？ 帶著這些問題，《每日經濟新聞》（以下簡稱“NBD”）記者在黨的二十大召開前夕，專訪了中國工程院院士、中科院安徽光學精密機械研究所學術所長劉文清。 劉文清 環境監測技術步入再創新階段 NBD：在生態環境保護中，環境監測發揮著重要作用。您能否結合自身經歷，談一談我國環境監測技術的發展歷程？有哪些關鍵的時間點或者事件？ 劉文清：生態環境監測技術與儀器，是信息時代生態環境科學技術發展的源頭，是生態環境科學研究的“先行官”，也是我國綠色低碳發展的“倍增器”。我國生態環境問題的解決離不開先進的環境監測技術和儀器。 十幾年來，我國環境監測技術發展很快，已經走過引進消化吸收階段，步入了再創新階段。隨著環境監管要求的提升，中國的環境監測技術在遠程化、智能化、支撐科學決策和精準監管等方面取得很大提升，可較好地支撐以空氣、水質和污染源監測為主體的國家環境監測網絡。 我國環境自動監測工作起步較晚，以空氣質量自動監測儀器為例，2000年前我國城市空氣自動監測子站幾乎全部依賴進口。若依靠國外自動在線監測儀器，由于投資和運行費用過高，難以滿足我國環境質量自動監測的需要。 環境污染物的形成、轉化、輸送和演變過程具有極強的時空相關性，所以，多組分環境污染物的快速、實時、動態監測技術是環境監測領域科技工作者面對的重大課題。基于光譜學原理的環境監測技術，由于具有非接觸、無采樣、高靈敏度、大范圍快速監測等特點，是國際上環境監測技術的主要發展方向之一。 在中科院、科技部、生態環境部等部門的支持下，我們團隊完成了一系列科研項目，研發了空氣、煙氣、尾氣、顆粒物等幾十種大氣污染自動監測儀器，并與企業合作進行了產業化。 2000年4月，由兩院院士組成的“先進環保技術領域專題組”，向國家提交了一份《先進環保技術咨詢報告》，肯定了我們開發的多種環境監測技術，建議把“DOAS空氣質量自動監測系統”“機動車尾氣遙測系統”等列為國家重點發展項目。就這樣，我們從最早的差分光學吸收光譜（DOAS）技術，逐漸發展了可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）、光散射等一系列環境光學測量技術，實現了對大氣環境的一次、二次污染物的快速、立體、在線監測，并拓展到水體藻類、有機物和土壤重金屬等指標的高精度在線測量，基本支撐構建了以空氣環境監測、水質監測、污染源監測為主體的國家環境監測網絡。 我們深刻地體會到，我國要實現環境監測現代化，必須發展具有自主知識產權的先進監測技術和儀器設備，這樣才能解決我們自己的問題。 NBD：您當時為什么會選擇這個研究領域？經過數十年的發展，您認為最大的變化是什么？ 劉文清：我畢業于中國科技大學物理系光學與激光專業，然后在中科院安徽光機所工作,也在多國的高校和科研院所工作或學習過。我從事過大氣環境污染激光雷達探測和光學遙感應用研究、環境污染的光譜學技術研究，也從事過激光在生物醫學中的應用研究。 給我印象深刻的是，1995年國外發射了采用光譜技術的大氣環境監測衛星，可以獲得區域和全球大氣環境污染的狀況。然而，回國后我發現我國的環境監測基本上處于現場采樣、實驗室分析階段，采樣儀器以手動、半自動為主。直讀型、在線型、應急儀器基本上是國外產品。 2000年開始，國家注重空氣質量日報工作，推動全國自動監測系統建設，也促進了空氣自動監測系統設備的國產化。 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相互作用的研究，建立污染物的光譜特征數據庫，研發污染物的光譜定量解析算法，主持建立了環境光學監測技術研究平臺，開展對多種污染物的監測技術方法研究。 經過多年的發展，我認為最大的變化是形成了我國環境光學監測技術體系，自主研發了一系列大氣、水體、土壤等多要素在線監測與高分辨遙感設備，為我國環境監測技術向天空地一體、陸海統籌、上下協同、信息共享環境監測網絡發展提供了實踐經驗與技術支撐，加速了我國環境監測現代化進程，促進我國環境質量明顯改善。 工作中的劉文清 從一個芯片、一個接口開始研制 NBD：環境監測涉及諸多高精尖技術創新，在加強自主研發方面，我們做了哪些持久的努力？黨的十八大以來，取得了哪些突出成績？ 劉文清：近年來，環境光學技術的發展由地基平臺走向空基、天基平臺。 在空基平臺方面，我們研制了環境大氣成分探測系統，用于機載快速獲取區域環境大氣監測參數的環境大氣成分探測系統，2013~2019年，這套系統參加了數十架次的飛行，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，為地面監測儀器和星載儀器監測做了有效的補充。 在天基平臺方面，高分五號上天以前，我們國家沒有自己的大氣痕量氣體觀測衛星，相關數據受制于國外，比較被動。從2005年開始，我們就關注大氣痕量成分的監測，但直到五年后，國家高分計劃正式出臺，荷載光學環境監測設備的環境監測衛星研發才走向了臺前。 回想研發初期，我們通宵達旦查資料、做實驗，從一個芯片、一個接口開始研制，最終解決了太空環境下衛星載荷光譜形變、波長漂移等關鍵問題。 2018年5月9日，中國第一顆高光譜綜合觀測衛星高分五號在太原基地發射成功，并順利進入軌道。衛星上搭載了團隊研發的我國第一顆大氣痕量氣體觀測載荷——大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、高光譜觀測衛星（高分五號02星）。到2022年4月，大氣環境監測衛星（簡稱大氣一號）繼續搭載了安光所經過改進的大氣痕量氣體觀測載荷。 該設備利用光譜持續遙感成像的原理，提供全球大氣污染的分布特征和時間序列的變化。系列衛星上的被動遙感觀測，最大成像幅寬達到2600公里，能保證每日一次的巡查，可以清晰地動態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支持，還可以更加科學地制定發展規劃和產業結構政策。 NBD：環境監測有哪些具體的應用場景，在疫情防控過程中，發揮了哪些重要作用？ 劉文清：環境監測可以應用于空氣質量監測、污染源排放監測、大氣成分探測、安全生產過程監控、應急監測等，可以服務于環境、氣象、海洋、公共安全、應急管理等領域。 比如空氣質量監測方面，針對農田氨揮發多點監測、時間分辨率低、可比性差的難題，我們研制的原位高可靠性增程光學監測系統，可以實時測定氨的濃度和分布，為農田溫室氣體減排、提高耕作效率等前沿性科學問題提供技術支持。 應急管理方面，針對輸氣管線對易燃易爆、有毒有害氣體泄漏在線監測和實時預警的需求，我們利用激光吸收光譜技術，可以實現公里量級長度輸氣管線有害氣體和易燃氣體的防爆、非接觸式在線監測等?？傊h境監測的應用場景很廣泛，在國民經濟發展中發揮著重要作用。 在疫情防控中，大氣環境因素對疫情傳播和防控具有重要作用。在疫情最初暴發期間，針對疫情發生地定點醫院、方艙醫院、隔離醫院、社區周邊及武漢整體環境缺乏高時空分辨率的大氣環境要素數據。 所以2020年疫情初期，我帶領團隊前往武漢開展走航觀測，我們的實驗車配備了研究團隊自主研發的氣溶膠和臭氧探測激光雷達等7套大氣環境立體探測設備，可以實現對從近地面到5公里高度大氣氣溶膠和臭氧的實時探測，以及對230余種揮發性有機物的秒級快速監測。 通過觀測，獲得了重要場所新型冠狀病毒、大氣氣溶膠、消毒劑揮發氣體、有毒有害氣體、環境空氣質量和氣象要素等的時空分布、擴散與傳輸特征。為重要場所的病毒傳播風險評估、環境影響因素分析，以及消毒效果評價與副作用控制提供了關鍵技術設備與數據支撐。 這些研究成果，對于評估重點場所周邊的環境風險，實施更合理的消毒措施，分析經濟活動對環境空氣質量的影響，都有一定的借鑒作用。 工作中的劉文清 環境光學監測猶如給大氣做CT NBD：您曾提到，環境光學監測就像是給大氣做CT掃描，為什么這么說？我國光學監測技術在國際上處于什么樣的水平？ 劉文清：對于環境光學技術，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散射光，各種各樣的空氣組分或者污染物會在某一些頻率上對光波進行吸收，形成特征吸收光譜。就像人的指紋，通過一些儀器、設備和一定的計算方法、分析方法就能把它們檢測、測量出來，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CT掃描。 在地基遙感監測方面，通過軟硬件技術的創新，拓展了大氣痕量成分的監測組分，從以前只能監測二氧化氮、二氧化硫、甲醛和氣溶膠，到現在還能監測氣態亞硝酸、水汽和部分VOCs等成分，為大氣污染成因機理的深入研究提供了寶貴的數據支持。 我國自主研發了大氣氧化性探測系統，成功應用于外場觀測，使得我國成為國際上為數不多的能實現超痕量大氣自由基探測的國家。 在衛星遙感方面，我國完成了超光譜環境監測衛星高分五號01星和02星的自主設計、發射和數據采集?；谠撓盗行l星，開發了一系列原創性技術，克服了硬件不足的缺點。 同時，還通過融合地基遙感產品，自主研發了多種關鍵性大氣污染物的衛星反演算法，并在國家重大活動期間的大氣環境監測方面獲得了成功應用，這標志著我國此類監測技術已經處于國際先進行列。 此外，為助力實現碳達峰、碳中和目標，我國歷時兩年攻堅克難，發射了首顆溫室氣體監測衛星TanSat，解決了光譜質量低等一系列技術難題，成功反演出全球二氧化碳產品，其精度接近國際最先進水平，使我國成為繼日本、美國之后的全球第三個可以獨立自主提供全球二氧化碳反演產品的國家。 NBD：中國光學監測技術的發展經歷了哪幾個重要階段？您覺得最困難的是在什么時候？ 劉文清：總的看來，中國光學監測技術的發展主要經歷三個階段。 第一個階段，是面向國家對空氣質量、污染源在線監測技術需求，發展了二氧化硫、二氧化氮、臭氧以及顆粒物（PM10/PM2.5）等光學在線監測技術。這使得我國環境監測技術由傳統的手工采樣、實驗室分析向自動在線監測技術跨越，有力支撐了國家環境空氣質量自動監測網的建設。 第二個階段，主要是發展了區域污染的立體探測技術，采用紫外-可見-紅外全光譜探測技術，實現了區域污染的時空分布監測，以及分區域污染排放通量和跨區域污染輸送監測。彌補了常規業務監測網絡在監測手段、監測內容和監測范圍方面的不足，為揭示污染時空變化、污染排放、跨界輸送的研究和環境管理提供重要科技手段。 第三階段是發展先進環境光學監測技術。從地基平臺走向機載、星載平臺，自主研發的衛星平臺載荷（高分五號EMI）獲取了大氣痕量氣體等的全球分布狀況。實現了我國大氣環境監測從地基遙感，到機載和星載平臺區域及全球大氣環境遙感監測的重大跨越。 發展了面向環境科學研究的高端監測技術裝備，研發了大氣HOx（氫的氧化物）自由基外場實時在線探測技術系統，使我國成為國際上少數幾個掌握了自由基外場探測技術的國家之一。整個技術發展過程由追趕國外技術，到與國外技術并跑，再到部分技術領跑。同時，技術發展也由技術集成逐漸到整個設備的高度國產化、自主化。 最困難的是第一發展階段，當時國產光學監測技術設備剛起步，要不斷提升技術水平和經驗積累，通過提高國產設備的穩定性、可靠性，最終實現對進口儀器設備的替代。 需發展原創探測原理方法和技術系統 NBD：光學監測技術的突破會給環境監測領域帶來哪些新變化？未來，光學監測技術發展還需要補齊哪些“短板”？ 劉文清：光學監測技術具備光學技術的優勢。光學技術的突破將帶來很多新的變化，如多尺度立體監測技術，包括硬件、軟件，將實現全天候自適應網格化環境立體監測，形成環境信息的“智慧全球”。光學器件的微型化，將實現環境多要素的精細傳感/探測，如環境傳感耦合手機形成實時全網監測大數據。 未來光學監測技術的發展，還需要進一步解決相關光源、探測器芯片等核心技術，發展原創的探測原理方法和技術系統，發展面向多介質、多要素、多尺度的光學監測技術，引領環境光學監測技術發展。 NBD：聚焦您的專業領域，未來希望在哪些方面有進一步突破？ 劉文清：國內方面，隨著我國大氣污染治理的不斷深入，污染源結構發生顯著改變，污染的成因也發生快速變化，我國大氣污染防控還存在很多挑戰。 比如，現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，全國大氣臭氧濃度不斷增加，個別城市出現臭氧引起的污染。因此，PM2.5和臭氧協同控制成為大氣污染治理的深水區。 因此，接下來監測的重點和難點是如何有效控制PM2.5和臭氧濃度，以及最重要的相關前體物。 此外，我們一方面要繼續推動全自主國產化的溫室氣體總量觀測技術，牢牢把住數據安全大門，另一方面要開展深度國際合作，通過加入全球碳觀測網來提升我國溫室氣體監測結果和區域碳排放監測數據的公信力。 （本文圖片均由受訪者提供）