专访中国工程院院士刘文清

　　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。到2022年4月，大气环境监测卫星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。

　　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。