通過給大氣“拍CT”,就能捕捉到污染物的蛛絲馬跡。


環境光學監測就像是給大氣做CT掃描,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也被稱為“給大氣環境做CT的人”。


他率領團隊建立了包括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據庫,研發了污染物光譜定量解析算法和工程化應用軟件,不僅能為大氣環境“把脈”,還能“診斷”水體、土壤的污染情況。


環境監測技術為準確、及時、有效地“說清環境質量及變化趨勢、說清污染排放狀況、說清潛在的環境風險”提供了科學的基礎數據。劉文清告訴新京報貝殼財經記者,“環境監測技術是環境管理的基礎,是環境執法的標尺。同時,環境監測技術的不斷創新可以有力推動我國的綠色低碳發展?!?/p>


黨的二十大報告提出深入推進環境污染防治,持續深入打好藍天、碧水、凈土保衛戰。提升環境基礎設施建設水平,推進城鄉人居環境整治。


對于未來,劉文清表示,我們的創新方向將集中在推動監測技術的創新、國產儀器的產業化及環境監測技術體系的建立。


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。受訪者供圖


談環境監測技術:


環境監測技術是環境管理的基礎,是環境執法的標尺


新京報貝殼財經:為什么說環境監測技術是環境管理的基本手段?


劉文清:舉個簡單例子,影像技術的發展,無論是X射線、CT成像,到MRI成像,還是新興的分子影像,都極大地推動著基礎醫學研究和醫療診斷水平的提升。


同樣,環境監測技術為準確、及時、有效地“說清環境質量及變化趨勢、說清污染排放狀況、說清潛在的環境風險”提供了科學的基礎數據。所以說,環境監測技術是環境管理的基礎,是環境執法的標尺。同時,新的環境監測技術是我國綠色低碳發展的巨大推動力。


新京報貝殼財經:你一直從事環境監測技術研究和應用方面的工作,在你看來,這十年間,環境監測領域有什么改變?有哪些標志性成就?


劉文清:經過十多年的發展,我國環保產業已達到年萬億級規模,形成覆蓋水、大氣、土壤、固廢、環境監測等重點領域的污染治理技術裝備體系。


從環境監測技術看,目前自主研發的技術和設備實現了全覆蓋,技術水平基本處于與世界水平的并跑階段。比如自主研發了大氣自由基現場監測系統,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監測的國家。


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,成功應用于國家環境管理,標志著星載環境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。


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空分布監測


新京報貝殼財經:你多次提出,環境光學監測就像是給大氣做 CT 掃描,能簡單介紹一下大氣環境拍 CT 是什么原理嗎?如何幫助更好地發現問題、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%的痕量氣體構成。而痕量氣體中,如氮氧化合物、碳氫化合物、硫化物和氯化物。它們參與大氣化學循環,在大氣中的滯留期為幾天至幾十年,甚至更長。盡管目前大氣主要成分沒有發生太大變化,但是由于人類的自然進化和人類活動使得痕量成分變化明顯 。這些痕量成分的變化,以及其引發的大氣化學過程和物理特性的變化會引起空氣質量和氣候的變化。


環境光學就是研究光與環境物質的相互作用的學科,把光學技術應用于環境監測,形成了環境光學監測技術。通俗地講,大氣環境中有各種各樣的物質成分,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,各種各樣的環境組分或者污染物會在吸收、散射一定的光波長,形成特征光譜。


實際上就像人的指紋一樣,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,比如說50米、100米,甚至到幾公里幾十公里,在這個層面上,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CT掃描。


針對大氣環境污染三維問題,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方法,就像醫學CT影像一樣,可實時獲得污染物隨時間-空間分布的變化,實現了大氣污染物和氣溶膠顆粒物的垂直時空分布監測。


目前包括在衛星平臺上對大氣環境成分的監測基本上都是采用光譜學技術,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。


新京報貝殼財經:當前,我國光學環境監測技術的發展還有哪些“短板”待突破?


劉文清:目前環境監測自主研發的技術和設備實現了全覆蓋,技術水平基本處于與世界水平的并跑階段。但是高檔環境監測裝備創新能力還需要加強。


一是要解決環境監測裝備的“空芯化”問題,主要是關鍵核心部件依賴進口,比如高重頻全固態激光器、高分辨傅里葉光譜儀、超高靈敏微電流檢測計等。


二是要解決環境監測裝備的“可靠性”問題??煽啃杂锌赡艹蔀榧夹g創新的一個嚴重障礙,制約了我國環境裝備產業發展。


所以,我們希望以技術創新和關鍵技術的突破為基礎,進一步解決高技術成果到實用化產品之間存在的工程技術問題。研發大氣活性物質、工業園區揮發性有機物、生態氣象要素、生物氣溶膠等高靈敏監測技術裝備,滿足國家環境監測新需求。


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。受訪者供圖


談機遇與挑戰:


繼續推動相關技術快速進步,牢牢把住我國溫室氣體的數據安全大門


新京報貝殼財經:環境光學監測對“碳達峰、碳中和” 起到什么作用?


劉文清:從大氣環境來看,無論是污染性氣體還是溫室氣體,都是構成地球大氣的不同成分。所以,大氣環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同性。


而我們現在的溫室氣體總量是根據排放因子和模型計算出來的,有很大的不確定性。需要對排放源的實際監測、地面監測站監測、航空飛機監測,以及碳衛星監測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絡,并將濃度監測結果與數值模型結合,反推全球不同區域的碳源/碳匯。


另外,還需要驗證減排措施是否真有效果?對結果審查時需要提供哪些數據?目前碳監測還存在缺乏立體監測技術、垂直監測能力不足,動態、精細、不同背景下的碳監測能力不足等缺陷。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,其監測技術和手段也大不相同。


新京報貝殼財經:“雙碳”目標下環境光學監測發展機遇與挑戰是什么?有哪些新需求?


劉文清:“雙碳”目標為環境光學監測發展帶來了新的機遇和挑戰。一方面,鑒于我國目前在全球溫室氣體監測體系中還處于弱勢地位,監測數據經常被國外質疑不準確或低估排放,因此,我們在部署“雙碳”重大戰略目標時,仍然需要繼續推動我們國家全自主國產化的溫室氣體總量觀測技術的快速進步,如傅里葉光譜地基遙感裝備,牢牢把住我國溫室氣體的數據安全大門。


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。


新京報貝殼財經:你兩次承擔了奧運會環境監測的任務,在你來看,從夏奧到冬奧,我國空氣有什么改善?環境監測和之前相比, 技術上有什么突破?


劉文清:2008年奧運,當時國內的大氣污染還是較為嚴重,到了2022年冬奧會,空氣質量已經有了很大的改善。


和以往的監測相比,我們現在的技術手段更全面,監測精度更高,在獲取了一系列的排放、氣象、化學綜合數據后,我們可以將高分辨率高精度地基和衛星聯合遙感手段結合起來,進行多技術的交叉印證,為更準確地實現重點排放源的識別和動態監控提供更多的支撐。


談發展與期望:


將重點構建碳中和與生態環境協同的新一代污染防治技術體系


新京報貝殼財經:對未來環境光學監測的發展有什么期望?


劉文清:當前,大氣環境監測呈現跨介質、全尺度、高精度等趨勢,研究尺度向更廣更深入延展,解決全球問題與區域治理關聯;學科交叉融合明顯,技術裝備呈智能化發展。


從目前我國生態環境監測發展的現狀來看,與發達國家還存在一定差距。一方面,要充分借鑒吸納國外生態環境監測發展經驗;另一方面,由于國情不同、環境狀況與階段不同、外部環境不同,不能照搬照抄西方經驗,必須走出一條有中國特色的監測改革發展新路子。這方面我們還有較長的路要走。


未來,我們的創新方向將集中在推動監測技術的創新、國產儀器的產業化及環境監測技術體系的建立。


在局域微觀精細化監測方面,大力發展基于物聯網應用的大氣環境監測傳感器,實現污染源監測網絡化;在宏觀區域監測方面,創新地基遙感監測手段,獲取更多的大氣成分和氣象參數,突破衛星和機載高光譜分辨率大氣遙感關鍵技術,提升重污染天氣下的觀測能力(排放源辨識和區域傳輸直接觀測),實現大氣環境的立體化、智能化綜合關聯監測。


同時,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、服務國家和社會作為最高目標,繼續攻克難關,在一些關鍵技術領域突破發達國家對我國的“卡脖子”問題,開發出更多具有自主知識產權、更加先進的光學監測技術和設備。


新京報貝殼財經:下一步重點工作是什么?


劉文清:一方面是圍繞我國的大氣污染協同控制治理展開。我們知道,隨著我國大氣污染治理的不斷深入,污染源的結構發生了顯著改變,污染的成因也發生快速變化,所以我們的大氣污染防控工作還面臨著很多挑戰。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,個別城市開始出現臭氧引起的污染現象。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:VOCs、NOx、CO、SO?、NH3。我們希望能盡快發射星載臭氧探測激光雷達,這方面我們在國際上是領先的。


另一方面,“雙碳”目標下,我們會重點發展溫室氣體濃度、生態通量、碳柱及廓線監測等技術裝備,建立性能評估技術校驗體系,構建碳中和與生態環境協同的新一代污染防治技術體系,支撐國家和地方降碳減污協同控制。


新京報貝殼財經記者 趙方園 編輯 陳莉 校對 盧茜