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专访中国工程院院士刘文清:环境光学监测就像给大气做CT 未来还需进一步解决探测器芯片等核心技术

每日经济新闻 2022-10-13 11:33:37

◎在卫星遥感方面,我国完成了超光谱环境监测卫星高分五号01星和02星的自主设计、发射和数据采集。

◎未来光学监测技术的发展,还需要进一步解决相关光源、探测器芯片等核心技术,发展原创的探测原理方法和技术系统。

每经记者 张怀水    每经编辑 陈星    

2014年开始,摄影爱好者王汝春每天用相机对准天空的同一方向,留下一张“天空实录”。斗转星移,如今王汝春已经拍下了3000多张照片。

打开这些照片,人们很容易看到,天一年比一年透亮。湛蓝的天空飘着朵朵白云,这样的好天气正变得寻常起来。

党的十八大以来,我国以前所未有的力度向大气污染宣战,先后颁布实施《大气污染防治行动计划》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,明确大气污染防治工作的总体思路、基本目标和主要任务。

环境的变化光是肉眼看还不够,我们需要专业、严谨的环境监测。

十年来,我国生态环境监测技术取得了什么进展?在加强自主创新和研发方面做出了哪些努力?在国际上水平如何?

带着这些问题,《每日经济新闻》(以下简称“NBD”)记者在党的二十大召开前夕,专访了中国工程院院士、中科院安徽光学精密机械研究所学术所长刘文清。

刘文清

环境监测技术步入再创新阶段

NBD:在生态环境保护中,环境监测发挥着重要作用。您能否结合自身经历,谈一谈我国环境监测技术的发展历程?有哪些关键的时间点或者事件?

刘文清:生态环境监测技术与仪器,是信息时代生态环境科学技术发展的源头,是生态环境科学研究的“先行官”,也是我国绿色低碳发展的“倍增器”。我国生态环境问题的解决离不开先进的环境监测技术和仪器。

十几年来,我国环境监测技术发展很快,已经走过引进消化吸收阶段,步入了再创新阶段。随着环境监管要求的提升,中国的环境监测技术在远程化、智能化、支撑科学决策和精准监管等方面取得很大提升,可较好地支撑以空气、水质和污染源监测为主体的国家环境监测网络。

我国环境自动监测工作起步较晚,以空气质量自动监测仪器为例,2000年前我国城市空气自动监测子站几乎全部依赖进口。若依靠国外自动在线监测仪器,由于投资和运行费用过高,难以满足我国环境质量自动监测的需要。

环境污染物的形成、转化、输送和演变过程具有极强的时空相关性,所以,多组分环境污染物的快速、实时、动态监测技术是环境监测领域科技工作者面对的重大课题。基于光谱学原理的环境监测技术,由于具有非接触、无采样、高灵敏度、大范围快速监测等特点,是国际上环境监测技术的主要发展方向之一。

在中科院、科技部、生态环境部等部门的支持下,我们团队完成了一系列科研项目,研发了空气、烟气、尾气、颗粒物等几十种大气污染自动监测仪器,并与企业合作进行了产业化。

2000年4月,由两院院士组成的“先进环保技术领域专题组”,向国家提交了一份《先进环保技术咨询报告》,肯定了我们开发的多种环境监测技术,建议把“DOAS空气质量自动监测系统”“机动车尾气遥测系统”等列为国家重点发展项目。就这样,我们从最早的差分光学吸收光谱(DOAS)技术,逐渐发展了可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)、光散射等一系列环境光学测量技术,实现了对大气环境的一次、二次污染物的快速、立体、在线监测,并拓展到水体藻类、有机物和土壤重金属等指标的高精度在线测量,基本支撑构建了以空气环境监测、水质监测、污染源监测为主体的国家环境监测网络。

我们深刻地体会到,我国要实现环境监测现代化,必须发展具有自主知识产权的先进监测技术和仪器设备,这样才能解决我们自己的问题。

NBD:您当时为什么会选择这个研究领域?经过数十年的发展,您认为最大的变化是什么?

刘文清:我毕业于中国科技大学物理系光学与激光专业,然后在中科院安徽光机所工作,也在多国的高校和科研院所工作或学习过。我从事过大气环境污染激光雷达探测和光学遥感应用研究、环境污染的光谱学技术研究,也从事过激光在生物医学中的应用研究。

给我印象深刻的是,1995年国外发射了采用光谱技术的大气环境监测卫星,可以获得区域和全球大气环境污染的状况。然而,回国后我发现我国的环境监测基本上处于现场采样、实验室分析阶段,采样仪器以手动、半自动为主。直读型、在线型、应急仪器基本上是国外产品。

2000年开始,国家注重空气质量日报工作,推动全国自动监测系统建设,也促进了空气自动监测系统设备的国产化。

每种大气污染物都有自己的光谱特征,就像人的指纹一样。我们围绕光与大气污染物质相互作用的研究,建立污染物的光谱特征数据库,研发污染物的光谱定量解析算法,主持建立了环境光学监测技术研究平台,开展对多种污染物的监测技术方法研究。

经过多年的发展,我认为最大的变化是形成了我国环境光学监测技术体系,自主研发了一系列大气、水体、土壤等多要素在线监测与高分辨遥感设备,为我国环境监测技术向天空地一体、陆海统筹、上下协同、信息共享环境监测网络发展提供了实践经验与技术支撑,加速了我国环境监测现代化进程,促进我国环境质量明显改善。

工作中的刘文清

从一个芯片、一个接口开始研制

NBD:环境监测涉及诸多高精尖技术创新,在加强自主研发方面,我们做了哪些持久的努力?党的十八大以来,取得了哪些突出成绩?

刘文清:近年来,环境光学技术的发展由地基平台走向空基、天基平台。

在空基平台方面,我们研制了环境大气成分探测系统,用于机载快速获取区域环境大气监测参数的环境大气成分探测系统,2013~2019年,这套系统参加了数十架次的飞行,获取了飞行路径上的大气二氧化硫、二氧化氮、臭氧等污染气体的浓度,为地面监测仪器和星载仪器监测做了有效的补充。

在天基平台方面,高分五号上天以前,我们国家没有自己的大气痕量气体观测卫星,相关数据受制于国外,比较被动。从2005年开始,我们就关注大气痕量成分的监测,但直到五年后,国家高分计划正式出台,荷载光学环境监测设备的环境监测卫星研发才走向了台前。

回想研发初期,我们通宵达旦查资料、做实验,从一个芯片、一个接口开始研制,最终解决了太空环境下卫星载荷光谱形变、波长漂移等关键问题。

2018年5月9日,中国第一颗高光谱综合观测卫星高分五号在太原基地发射成功,并顺利进入轨道。卫星上搭载了团队研发的我国第一颗大气痕量气体观测载荷——大气痕量气体差分吸收光谱仪、高光谱观测卫星(高分五号02星)。到2022年4月,大气环境监测卫星(简称大气一号)继续搭载了安光所经过改进的大气痕量气体观测载荷。

该设备利用光谱持续遥感成像的原理,提供全球大气污染的分布特征和时间序列的变化。系列卫星上的被动遥感观测,最大成像幅宽达到2600公里,能保证每日一次的巡查,可以清晰地动态地掌握全球污染信息,不仅宏观上为我们控制大气污染提供技术支持,还可以更加科学地制定发展规划和产业结构政策。

NBD:环境监测有哪些具体的应用场景,在疫情防控过程中,发挥了哪些重要作用?

刘文清:环境监测可以应用于空气质量监测、污染源排放监测、大气成分探测、安全生产过程监控、应急监测等,可以服务于环境、气象、海洋、公共安全、应急管理等领域。

比如空气质量监测方面,针对农田氨挥发多点监测、时间分辨率低、可比性差的难题,我们研制的原位高可靠性增程光学监测系统,可以实时测定氨的浓度和分布,为农田温室气体减排、提高耕作效率等前沿性科学问题提供技术支持。

应急管理方面,针对输气管线对易燃易爆、有毒有害气体泄漏在线监测和实时预警的需求,我们利用激光吸收光谱技术,可以实现公里量级长度输气管线有害气体和易燃气体的防爆、非接触式在线监测等。总之,环境监测的应用场景很广泛,在国民经济发展中发挥着重要作用。

在疫情防控中,大气环境因素对疫情传播和防控具有重要作用。在疫情最初暴发期间,针对疫情发生地定点医院、方舱医院、隔离医院、社区周边及武汉整体环境缺乏高时空分辨率的大气环境要素数据。

所以2020年疫情初期,我带领团队前往武汉开展走航观测,我们的实验车配备了研究团队自主研发的气溶胶和臭氧探测激光雷达等7套大气环境立体探测设备,可以实现对从近地面到5公里高度大气气溶胶和臭氧的实时探测,以及对230余种挥发性有机物的秒级快速监测。

通过观测,获得了重要场所新型冠状病毒、大气气溶胶、消毒剂挥发气体、有毒有害气体、环境空气质量和气象要素等的时空分布、扩散与传输特征。为重要场所的病毒传播风险评估、环境影响因素分析,以及消毒效果评价与副作用控制提供了关键技术设备与数据支撑。

这些研究成果,对于评估重点场所周边的环境风险,实施更合理的消毒措施,分析经济活动对环境空气质量的影响,都有一定的借鉴作用。

工作中的刘文清

环境光学监测犹如给大气做CT

NBD:您曾提到,环境光学监测就像是给大气做CT扫描,为什么这么说?我国光学监测技术在国际上处于什么样的水平?

刘文清:对于环境光学技术,通俗地讲,空气中有各种各样的成分,包括污染物,它们都有自己的特征吸收光谱,一束光打出去或者利用太阳散射光,各种各样的空气组分或者污染物会在某一些频率上对光波进行吸收,形成特征吸收光谱。就像人的指纹,通过一些仪器、设备和一定的计算方法、分析方法就能把它们检测、测量出来,这样就可以知道光路上不同高度的污染物成分和含量,犹如给大气做一个CT扫描。

在地基遥感监测方面,通过软硬件技术的创新,拓展了大气痕量成分的监测组分,从以前只能监测二氧化氮、二氧化硫、甲醛和气溶胶,到现在还能监测气态亚硝酸、水汽和部分VOCs等成分,为大气污染成因机理的深入研究提供了宝贵的数据支持。

我国自主研发了大气氧化性探测系统,成功应用于外场观测,使得我国成为国际上为数不多的能实现超痕量大气自由基探测的国家。

在卫星遥感方面,我国完成了超光谱环境监测卫星高分五号01星和02星的自主设计、发射和数据采集。基于该系列卫星,开发了一系列原创性技术,克服了硬件不足的缺点。

同时,还通过融合地基遥感产品,自主研发了多种关键性大气污染物的卫星反演算法,并在国家重大活动期间的大气环境监测方面获得了成功应用,这标志着我国此类监测技术已经处于国际先进行列。

此外,为助力实现碳达峰、碳中和目标,我国历时两年攻坚克难,发射了首颗温室气体监测卫星TanSat,解决了光谱质量低等一系列技术难题,成功反演出全球二氧化碳产品,其精度接近国际最先进水平,使我国成为继日本、美国之后的全球第三个可以独立自主提供全球二氧化碳反演产品的国家。

NBD:中国光学监测技术的发展经历了哪几个重要阶段?您觉得最困难的是在什么时候?

刘文清:总的看来,中国光学监测技术的发展主要经历三个阶段。

第一个阶段,是面向国家对空气质量、污染源在线监测技术需求,发展了二氧化硫、二氧化氮、臭氧以及颗粒物(PM10/PM2.5)等光学在线监测技术。这使得我国环境监测技术由传统的手工采样、实验室分析向自动在线监测技术跨越,有力支撑了国家环境空气质量自动监测网的建设。

第二个阶段,主要是发展了区域污染的立体探测技术,采用紫外-可见-红外全光谱探测技术,实现了区域污染的时空分布监测,以及分区域污染排放通量和跨区域污染输送监测。弥补了常规业务监测网络在监测手段、监测内容和监测范围方面的不足,为揭示污染时空变化、污染排放、跨界输送的研究和环境管理提供重要科技手段。

第三阶段是发展先进环境光学监测技术。从地基平台走向机载、星载平台,自主研发的卫星平台载荷(高分五号EMI)获取了大气痕量气体等的全球分布状况。实现了我国大气环境监测从地基遥感,到机载和星载平台区域及全球大气环境遥感监测的重大跨越。

发展了面向环境科学研究的高端监测技术装备,研发了大气HOx(氢的氧化物)自由基外场实时在线探测技术系统,使我国成为国际上少数几个掌握了自由基外场探测技术的国家之一。整个技术发展过程由追赶国外技术,到与国外技术并跑,再到部分技术领跑。同时,技术发展也由技术集成逐渐到整个设备的高度国产化、自主化。

最困难的是第一发展阶段,当时国产光学监测技术设备刚起步,要不断提升技术水平和经验积累,通过提高国产设备的稳定性、可靠性,最终实现对进口仪器设备的替代。

需发展原创探测原理方法和技术系统

NBD:光学监测技术的突破会给环境监测领域带来哪些新变化?未来,光学监测技术发展还需要补齐哪些“短板”?

刘文清:光学监测技术具备光学技术的优势。光学技术的突破将带来很多新的变化,如多尺度立体监测技术,包括硬件、软件,将实现全天候自适应网格化环境立体监测,形成环境信息的“智慧全球”。光学器件的微型化,将实现环境多要素的精细传感/探测,如环境传感耦合手机形成实时全网监测大数据。

未来光学监测技术的发展,还需要进一步解决相关光源、探测器芯片等核心技术,发展原创的探测原理方法和技术系统,发展面向多介质、多要素、多尺度的光学监测技术,引领环境光学监测技术发展。

NBD:聚焦您的专业领域,未来希望在哪些方面有进一步突破?

刘文清:国内方面,随着我国大气污染治理的不断深入,污染源结构发生显著改变,污染的成因也发生快速变化,我国大气污染防控还存在很多挑战。

比如,现在主要城市群颗粒物中二次成分的占比不断上升,与此同时,全国大气臭氧浓度不断增加,个别城市出现臭氧引起的污染。因此,PM2.5和臭氧协同控制成为大气污染治理的深水区。

因此,接下来监测的重点和难点是如何有效控制PM2.5和臭氧浓度,以及最重要的相关前体物。

此外,我们一方面要继续推动全自主国产化的温室气体总量观测技术,牢牢把住数据安全大门,另一方面要开展深度国际合作,通过加入全球碳观测网来提升我国温室气体监测结果和区域碳排放监测数据的公信力。

(本文图片均由受访者提供)

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2014年开始,摄影爱好者王汝春每天用相机对准天空的同一方向,留下一张“天空实录”。斗转星移,如今王汝春已经拍下了3000多张照片。 打开这些照片,人们很容易看到,天一年比一年透亮。湛蓝的天空飘着朵朵白云,这样的好天气正变得寻常起来。 党的十八大以来,我国以前所未有的力度向大气污染宣战,先后颁布实施《大气污染防治行动计划》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,明确大气污染防治工作的总体思路、基本目标和主要任务。 环境的变化光是肉眼看还不够,我们需要专业、严谨的环境监测。 十年来,我国生态环境监测技术取得了什么进展?在加强自主创新和研发方面做出了哪些努力?在国际上水平如何? 带着这些问题,《每日经济新闻》(以下简称“NBD”)记者在党的二十大召开前夕,专访了中国工程院院士、中科院安徽光学精密机械研究所学术所长刘文清。 刘文清 环境监测技术步入再创新阶段 NBD:在生态环境保护中,环境监测发挥着重要作用。您能否结合自身经历,谈一谈我国环境监测技术的发展历程?有哪些关键的时间点或者事件? 刘文清:生态环境监测技术与仪器,是信息时代生态环境科学技术发展的源头,是生态环境科学研究的“先行官”,也是我国绿色低碳发展的“倍增器”。我国生态环境问题的解决离不开先进的环境监测技术和仪器。 十几年来,我国环境监测技术发展很快,已经走过引进消化吸收阶段,步入了再创新阶段。随着环境监管要求的提升,中国的环境监测技术在远程化、智能化、支撑科学决策和精准监管等方面取得很大提升,可较好地支撑以空气、水质和污染源监测为主体的国家环境监测网络。 我国环境自动监测工作起步较晚,以空气质量自动监测仪器为例,2000年前我国城市空气自动监测子站几乎全部依赖进口。若依靠国外自动在线监测仪器,由于投资和运行费用过高,难以满足我国环境质量自动监测的需要。 环境污染物的形成、转化、输送和演变过程具有极强的时空相关性,所以,多组分环境污染物的快速、实时、动态监测技术是环境监测领域科技工作者面对的重大课题。基于光谱学原理的环境监测技术,由于具有非接触、无采样、高灵敏度、大范围快速监测等特点,是国际上环境监测技术的主要发展方向之一。 在中科院、科技部、生态环境部等部门的支持下,我们团队完成了一系列科研项目,研发了空气、烟气、尾气、颗粒物等几十种大气污染自动监测仪器,并与企业合作进行了产业化。 2000年4月,由两院院士组成的“先进环保技术领域专题组”,向国家提交了一份《先进环保技术咨询报告》,肯定了我们开发的多种环境监测技术,建议把“DOAS空气质量自动监测系统”“机动车尾气遥测系统”等列为国家重点发展项目。就这样,我们从最早的差分光学吸收光谱(DOAS)技术,逐渐发展了可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)、光散射等一系列环境光学测量技术,实现了对大气环境的一次、二次污染物的快速、立体、在线监测,并拓展到水体藻类、有机物和土壤重金属等指标的高精度在线测量,基本支撑构建了以空气环境监测、水质监测、污染源监测为主体的国家环境监测网络。 我们深刻地体会到,我国要实现环境监测现代化,必须发展具有自主知识产权的先进监测技术和仪器设备,这样才能解决我们自己的问题。 NBD:您当时为什么会选择这个研究领域?经过数十年的发展,您认为最大的变化是什么? 刘文清:我毕业于中国科技大学物理系光学与激光专业,然后在中科院安徽光机所工作,也在多国的高校和科研院所工作或学习过。我从事过大气环境污染激光雷达探测和光学遥感应用研究、环境污染的光谱学技术研究,也从事过激光在生物医学中的应用研究。 给我印象深刻的是,1995年国外发射了采用光谱技术的大气环境监测卫星,可以获得区域和全球大气环境污染的状况。然而,回国后我发现我国的环境监测基本上处于现场采样、实验室分析阶段,采样仪器以手动、半自动为主。直读型、在线型、应急仪器基本上是国外产品。 2000年开始,国家注重空气质量日报工作,推动全国自动监测系统建设,也促进了空气自动监测系统设备的国产化。 每种大气污染物都有自己的光谱特征,就像人的指纹一样。我们围绕光与大气污染物质相互作用的研究,建立污染物的光谱特征数据库,研发污染物的光谱定量解析算法,主持建立了环境光学监测技术研究平台,开展对多种污染物的监测技术方法研究。 经过多年的发展,我认为最大的变化是形成了我国环境光学监测技术体系,自主研发了一系列大气、水体、土壤等多要素在线监测与高分辨遥感设备,为我国环境监测技术向天空地一体、陆海统筹、上下协同、信息共享环境监测网络发展提供了实践经验与技术支撑,加速了我国环境监测现代化进程,促进我国环境质量明显改善。 工作中的刘文清 从一个芯片、一个接口开始研制 NBD:环境监测涉及诸多高精尖技术创新,在加强自主研发方面,我们做了哪些持久的努力?党的十八大以来,取得了哪些突出成绩? 刘文清:近年来,环境光学技术的发展由地基平台走向空基、天基平台。 在空基平台方面,我们研制了环境大气成分探测系统,用于机载快速获取区域环境大气监测参数的环境大气成分探测系统,2013~2019年,这套系统参加了数十架次的飞行,获取了飞行路径上的大气二氧化硫、二氧化氮、臭氧等污染气体的浓度,为地面监测仪器和星载仪器监测做了有效的补充。 在天基平台方面,高分五号上天以前,我们国家没有自己的大气痕量气体观测卫星,相关数据受制于国外,比较被动。从2005年开始,我们就关注大气痕量成分的监测,但直到五年后,国家高分计划正式出台,荷载光学环境监测设备的环境监测卫星研发才走向了台前。 回想研发初期,我们通宵达旦查资料、做实验,从一个芯片、一个接口开始研制,最终解决了太空环境下卫星载荷光谱形变、波长漂移等关键问题。 2018年5月9日,中国第一颗高光谱综合观测卫星高分五号在太原基地发射成功,并顺利进入轨道。卫星上搭载了团队研发的我国第一颗大气痕量气体观测载荷——大气痕量气体差分吸收光谱仪、高光谱观测卫星(高分五号02星)。到2022年4月,大气环境监测卫星(简称大气一号)继续搭载了安光所经过改进的大气痕量气体观测载荷。 该设备利用光谱持续遥感成像的原理,提供全球大气污染的分布特征和时间序列的变化。系列卫星上的被动遥感观测,最大成像幅宽达到2600公里,能保证每日一次的巡查,可以清晰地动态地掌握全球污染信息,不仅宏观上为我们控制大气污染提供技术支持,还可以更加科学地制定发展规划和产业结构政策。 NBD:环境监测有哪些具体的应用场景,在疫情防控过程中,发挥了哪些重要作用? 刘文清:环境监测可以应用于空气质量监测、污染源排放监测、大气成分探测、安全生产过程监控、应急监测等,可以服务于环境、气象、海洋、公共安全、应急管理等领域。 比如空气质量监测方面,针对农田氨挥发多点监测、时间分辨率低、可比性差的难题,我们研制的原位高可靠性增程光学监测系统,可以实时测定氨的浓度和分布,为农田温室气体减排、提高耕作效率等前沿性科学问题提供技术支持。 应急管理方面,针对输气管线对易燃易爆、有毒有害气体泄漏在线监测和实时预警的需求,我们利用激光吸收光谱技术,可以实现公里量级长度输气管线有害气体和易燃气体的防爆、非接触式在线监测等。总之,环境监测的应用场景很广泛,在国民经济发展中发挥着重要作用。 在疫情防控中,大气环境因素对疫情传播和防控具有重要作用。在疫情最初暴发期间,针对疫情发生地定点医院、方舱医院、隔离医院、社区周边及武汉整体环境缺乏高时空分辨率的大气环境要素数据。 所以2020年疫情初期,我带领团队前往武汉开展走航观测,我们的实验车配备了研究团队自主研发的气溶胶和臭氧探测激光雷达等7套大气环境立体探测设备,可以实现对从近地面到5公里高度大气气溶胶和臭氧的实时探测,以及对230余种挥发性有机物的秒级快速监测。 通过观测,获得了重要场所新型冠状病毒、大气气溶胶、消毒剂挥发气体、有毒有害气体、环境空气质量和气象要素等的时空分布、扩散与传输特征。为重要场所的病毒传播风险评估、环境影响因素分析,以及消毒效果评价与副作用控制提供了关键技术设备与数据支撑。 这些研究成果,对于评估重点场所周边的环境风险,实施更合理的消毒措施,分析经济活动对环境空气质量的影响,都有一定的借鉴作用。 工作中的刘文清 环境光学监测犹如给大气做CT NBD:您曾提到,环境光学监测就像是给大气做CT扫描,为什么这么说?我国光学监测技术在国际上处于什么样的水平? 刘文清:对于环境光学技术,通俗地讲,空气中有各种各样的成分,包括污染物,它们都有自己的特征吸收光谱,一束光打出去或者利用太阳散射光,各种各样的空气组分或者污染物会在某一些频率上对光波进行吸收,形成特征吸收光谱。就像人的指纹,通过一些仪器、设备和一定的计算方法、分析方法就能把它们检测、测量出来,这样就可以知道光路上不同高度的污染物成分和含量,犹如给大气做一个CT扫描。 在地基遥感监测方面,通过软硬件技术的创新,拓展了大气痕量成分的监测组分,从以前只能监测二氧化氮、二氧化硫、甲醛和气溶胶,到现在还能监测气态亚硝酸、水汽和部分VOCs等成分,为大气污染成因机理的深入研究提供了宝贵的数据支持。 我国自主研发了大气氧化性探测系统,成功应用于外场观测,使得我国成为国际上为数不多的能实现超痕量大气自由基探测的国家。 在卫星遥感方面,我国完成了超光谱环境监测卫星高分五号01星和02星的自主设计、发射和数据采集。基于该系列卫星,开发了一系列原创性技术,克服了硬件不足的缺点。 同时,还通过融合地基遥感产品,自主研发了多种关键性大气污染物的卫星反演算法,并在国家重大活动期间的大气环境监测方面获得了成功应用,这标志着我国此类监测技术已经处于国际先进行列。 此外,为助力实现碳达峰、碳中和目标,我国历时两年攻坚克难,发射了首颗温室气体监测卫星TanSat,解决了光谱质量低等一系列技术难题,成功反演出全球二氧化碳产品,其精度接近国际最先进水平,使我国成为继日本、美国之后的全球第三个可以独立自主提供全球二氧化碳反演产品的国家。 NBD:中国光学监测技术的发展经历了哪几个重要阶段?您觉得最困难的是在什么时候? 刘文清:总的看来,中国光学监测技术的发展主要经历三个阶段。 第一个阶段,是面向国家对空气质量、污染源在线监测技术需求,发展了二氧化硫、二氧化氮、臭氧以及颗粒物(PM10/PM2.5)等光学在线监测技术。这使得我国环境监测技术由传统的手工采样、实验室分析向自动在线监测技术跨越,有力支撑了国家环境空气质量自动监测网的建设。 第二个阶段,主要是发展了区域污染的立体探测技术,采用紫外-可见-红外全光谱探测技术,实现了区域污染的时空分布监测,以及分区域污染排放通量和跨区域污染输送监测。弥补了常规业务监测网络在监测手段、监测内容和监测范围方面的不足,为揭示污染时空变化、污染排放、跨界输送的研究和环境管理提供重要科技手段。 第三阶段是发展先进环境光学监测技术。从地基平台走向机载、星载平台,自主研发的卫星平台载荷(高分五号EMI)获取了大气痕量气体等的全球分布状况。实现了我国大气环境监测从地基遥感,到机载和星载平台区域及全球大气环境遥感监测的重大跨越。 发展了面向环境科学研究的高端监测技术装备,研发了大气HOx(氢的氧化物)自由基外场实时在线探测技术系统,使我国成为国际上少数几个掌握了自由基外场探测技术的国家之一。整个技术发展过程由追赶国外技术,到与国外技术并跑,再到部分技术领跑。同时,技术发展也由技术集成逐渐到整个设备的高度国产化、自主化。 最困难的是第一发展阶段,当时国产光学监测技术设备刚起步,要不断提升技术水平和经验积累,通过提高国产设备的稳定性、可靠性,最终实现对进口仪器设备的替代。 需发展原创探测原理方法和技术系统 NBD:光学监测技术的突破会给环境监测领域带来哪些新变化?未来,光学监测技术发展还需要补齐哪些“短板”? 刘文清:光学监测技术具备光学技术的优势。光学技术的突破将带来很多新的变化,如多尺度立体监测技术,包括硬件、软件,将实现全天候自适应网格化环境立体监测,形成环境信息的“智慧全球”。光学器件的微型化,将实现环境多要素的精细传感/探测,如环境传感耦合手机形成实时全网监测大数据。 未来光学监测技术的发展,还需要进一步解决相关光源、探测器芯片等核心技术,发展原创的探测原理方法和技术系统,发展面向多介质、多要素、多尺度的光学监测技术,引领环境光学监测技术发展。 NBD:聚焦您的专业领域,未来希望在哪些方面有进一步突破? 刘文清:国内方面,随着我国大气污染治理的不断深入,污染源结构发生显著改变,污染的成因也发生快速变化,我国大气污染防控还存在很多挑战。 比如,现在主要城市群颗粒物中二次成分的占比不断上升,与此同时,全国大气臭氧浓度不断增加,个别城市出现臭氧引起的污染。因此,PM2.5和臭氧协同控制成为大气污染治理的深水区。 因此,接下来监测的重点和难点是如何有效控制PM2.5和臭氧浓度,以及最重要的相关前体物。 此外,我们一方面要继续推动全自主国产化的温室气体总量观测技术,牢牢把住数据安全大门,另一方面要开展深度国际合作,通过加入全球碳观测网来提升我国温室气体监测结果和区域碳排放监测数据的公信力。 (本文图片均由受访者提供)
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