司福祺：看清藍天才能看見未來

肖貞林

在距離地球表面120公里內(nèi)的大氣層中，除了氮氣、氧氣和惰性氣體外，還存在著許多痕量氣體，這些痕量氣體雖然體積濃度?。ú坏饺f分之一），但是其變化將對地球大氣及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大的影響，比如耳熟能詳?shù)臏厥倚?yīng)、臭氧空洞等。痕量氣體的變化不但影響著現(xiàn)在和未來的世界，而且一直是國際科學(xué)前沿關(guān)注的熱點，目前痕量氣體的測量離不開光學(xué)的監(jiān)測技術(shù)和手段。如何利用光學(xué)技術(shù)建立特定的光譜數(shù)據(jù)庫和算法、設(shè)計相關(guān)儀器探測這些痕量氣體的濃度、監(jiān)測空氣質(zhì)量和污染源，是中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機械研究所（以下簡稱“中科院安徽光機所”）研究員司福祺近10年來最重要的工作。

現(xiàn)階段我國一些地區(qū)出現(xiàn)的霧霾過程與痕量氣體，如氮氧化物、臭氧、揮發(fā)性有機化合物等有不可分割的關(guān)系。徹底地研究、解決與我們息息相關(guān)的空氣污染、全球氣候變化等問題，需要對大氣中的痕量氣體濃度和排放通量進行更加精確測量，司福祺正為此努力奮斗。

天氣“觀察員”

司福祺在北極黃河站

在2008年北京奧運會前，盡管我國就空氣污染問題設(shè)立了以城市為中心的空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站，每天對空氣中的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和可吸入顆粒物（PM10）等污染物進行監(jiān)測，但這些監(jiān)測數(shù)據(jù)并不能完全反映大氣污染的真實狀況，使空氣質(zhì)量評價結(jié)果與公眾的直觀感受不一致。在當(dāng)時，對近地大氣污染的監(jiān)測，還不能滿足大氣污染形成機理、演變和傳輸過程等方面的研究需要，缺乏區(qū)域、立體的監(jiān)測技術(shù)方法。

很快，一支位于合肥中國科學(xué)院安徽光機所的高科技隊伍站了出來，在國家科研項目的支持下，他們研制了一種基于太陽散射光的地基大氣痕量氣體柱濃度及其廓線在線監(jiān)測系統(tǒng)——多軸差分吸收光譜儀（MAX-DOAS），實現(xiàn)了對大氣痕量污染氣體柱濃度及其垂直分布的實時探測，這對區(qū)域大氣污染時空分布及傳播規(guī)律的研究具有重要意義，為大氣污染形成機理和污染物動態(tài)演化過程提供了數(shù)據(jù)支持。

“我們在2008年北京奧運會、2010年上海世博會、廣州亞運會、2014年青奧會、北京APEC會議等近些年的大型活動中都開展了外場的空氣質(zhì)量監(jiān)測，用科學(xué)數(shù)據(jù)評估了國家重大活動環(huán)境空氣質(zhì)量保障措施效果?！彼靖ｌ鹘榻B說，“在各種測量污染的手段中，光學(xué)遙感是其中比較有代表性的方法，它能測量的范圍廣，速度快，組分多，非接觸。”司福祺團隊獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)被環(huán)保部門所采納，不僅成為他們制定政策的相關(guān)依據(jù)，還是他們評估政策實施效果的依據(jù)，具有重大的作用。

除了為國家重大活動保駕護航，多軸差分吸收光譜儀從2010年開始，還參與了多次極地科學(xué)考察，并在北極黃河站、南極長城站開展了長期觀測，監(jiān)測極區(qū)臭氧、鹵素氧化物等。作為極地站點長期部署的設(shè)備，多軸差分吸收光譜儀準(zhǔn)確測量了極地上空的臭氧柱總量變化趨勢，為我國極地科學(xué)研究提供了技術(shù)支持。該技術(shù)于2011年獲得環(huán)境保護科學(xué)技術(shù)獎一等獎。

“我們是做監(jiān)測的，需要獲取第一手原始數(shù)據(jù)，設(shè)計研發(fā)監(jiān)測設(shè)備是我們最重要的工作?！睘榇?，司福祺所在的團隊不僅負責(zé)自主研發(fā)實驗設(shè)備監(jiān)測大氣環(huán)境的變化，還和國內(nèi)的環(huán)保企業(yè)進行了對接，讓儀器落地生產(chǎn)。他們開發(fā)的成像差分吸收光譜技術(shù)，創(chuàng)新性地成功用于區(qū)域污染氣體快速測量的機載成像差分吸收光譜儀。他們與公司合作將該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)已推廣多套機載成像差分吸收光譜儀，成功獲取了高分辨率區(qū)域污染氣體二維分布信息，填補了國內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)的空白。

在工作期間，司福祺曾到德國海德堡大學(xué)學(xué)習(xí)交流過一段時間。德國是痕量氣體觀測的先行者，無論是在設(shè)備、儀器、實驗方法和經(jīng)驗方面，德國都領(lǐng)先中國。而如今的中國科學(xué)院安徽光機所已發(fā)展出一系列適合我國國情的高靈敏度、高穩(wěn)定性的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備，為我國大氣污染的有效評估、精細溯源與防治提供關(guān)鍵技術(shù)支撐?，F(xiàn)在中國和國外已經(jīng)基本處于同一水平線上，一代代的科研人員為此付出了無數(shù)的心血，他感慨萬千。

歷史性時刻

2018年5月9日，“高分五號”衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。這是我國第一顆可有效探測大氣污染氣體的國產(chǎn)衛(wèi)星。有了它，我國將首次從衛(wèi)星平臺上掌握全球空氣污染數(shù)據(jù)。司福祺作為“高分五號”衛(wèi)星大氣痕量氣體差分吸收光譜儀載荷的主任設(shè)計師，心情激動，他為了這一天，已經(jīng)奮斗了8年。

時間倒回2010年，在那一年，發(fā)生了一件極為重要的事情，高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（以下簡稱“高分專項”）獲批啟動實施，這是《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》確定的16個重大科技專項之一。為了填補我國在高光譜分辨率對地觀測方面的空白，高分專項明確提出多部門聯(lián)動，組成國家基礎(chǔ)設(shè)施平臺，并將高分系列衛(wèi)星列入科研衛(wèi)星序列。司福祺所在的環(huán)境光學(xué)重點實驗室因為在地基、機載設(shè)備及相關(guān)算法方面有良好的積累，被國家選中，參與高分系列衛(wèi)星的科研工作。

與團隊合影

“高分五號”衛(wèi)星載荷大氣痕量氣體差分吸收光譜儀（EMI）正樣產(chǎn)品通過出所評審時的團隊合影

“我們從2010年開始做，花了8年的時間做出了一顆衛(wèi)星載荷，即大氣痕量氣體差分吸收光譜儀（簡稱EMI）?！标P(guān)于衛(wèi)星設(shè)備，司福祺沒做過，他只做過地面設(shè)備和機載設(shè)備，這其中的差別很大。衛(wèi)星設(shè)備強調(diào)的是可靠性，不可維護、不可維修，必須一次成功，工程要求非常高，這對司福祺來說是一個全新的挑戰(zhàn)，也是極其重要、必須完成的任務(wù)。

在歐洲，第一顆可以測量大氣污染氣體的衛(wèi)星于1995年成功發(fā)射，從此以后歐洲利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)就可以觀測全球的空氣污染狀況。而我國在2018年才成功發(fā)射“高分五號”衛(wèi)星，時間上相差了23年。特別是此前在國際談判中我國由于沒有自己的觀測數(shù)據(jù)，無法掌握話語權(quán)，一直飽受非議。

但有了EMI后，一切就都不一樣了。在“高分五號”衛(wèi)星發(fā)射成功一個月后，相關(guān)人員根據(jù)其傳回的數(shù)據(jù)，繪制出了全球污染狀況圖譜，中國人終于有了自己的全球大氣污染觀測系統(tǒng)。而司福祺懸著的心也終于可以放下了?！霸趫D譜傳回來之前就一直很緊張，因為你也不知道發(fā)射上去會怎么樣，雖然各種地面試驗我們都通過了，但我們畢竟是第一次做，很多東西都是未知的，壓力還是很大的?！?/p>

如今，司福祺回想起這個從無到有的過程，仍然感到十分艱難?！耙驗榈谝淮巫觯瑔栴}比較多，按倒葫蘆就起了瓢，有點手忙腳亂?！钡驗閱栴}不斷，他也在不斷地前進，不斷地發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。司福祺和團隊不僅做了硬件設(shè)備，還承擔(dān)了后期數(shù)據(jù)處理軟件研發(fā)工作，開發(fā)了0～1級數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)化處理軟件，部署在中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，實現(xiàn)了1級產(chǎn)品的實時批量生產(chǎn)，并迅速分發(fā)到環(huán)保、氣象等行業(yè)用戶。在這個基礎(chǔ)上，他們制作了一幅全球二氧化氮分布圖?！鞍凑招性拋碚f，這是國產(chǎn)自主研發(fā)設(shè)備的首幅二氧化氮全球分布圖?！彼靖ｌ髯孕诺卣f。

EMI載荷目前仍然是我國紫外、可見波段光譜分辨率最高的載荷，也是我國首顆大氣污染氣體觀測載荷。經(jīng)此一役，中國科學(xué)院安徽光機所正式成為“航天俱樂部”的成員之一。

全新未來

目前已發(fā)射的EMI載荷初步滿足了生態(tài)環(huán)境部等部門對大氣污染數(shù)據(jù)的需求，改變了此類產(chǎn)品受制于國外的局面。但司福祺并未滿足于此，他清楚知道與國外載荷以及用戶的進一步需求仍存在差異，亟須研發(fā)大氣環(huán)境監(jiān)測專用衛(wèi)星載荷，提升數(shù)據(jù)產(chǎn)品空間分辨率、時間分辨率，實現(xiàn)對揮發(fā)性有機化合物、對流層臭氧等更多大氣成分的測量，為用戶提供準(zhǔn)確的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為培育環(huán)境光學(xué)遙感儀器、衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)支撐。在這場“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”中，他們勢必不會缺席。

現(xiàn)在，司福祺所在的團隊有固定職工20余人，在讀博士、碩士20余人，45歲以下中青年科技人員占全部專業(yè)技術(shù)人員總數(shù)的90%，專業(yè)涉及大氣物理、環(huán)境科學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、精密儀器等領(lǐng)域。

近5年來，實驗室新增固定資產(chǎn)3500余萬元，主要包括真空高低溫模擬試驗系統(tǒng)、深紫外波段光譜/輻射定標(biāo)系統(tǒng)等設(shè)備，還擁有實驗室面積2000余平方米，包括近500平方米萬級光學(xué)潔凈室、50平方米千級光學(xué)潔凈室，200平方米防靜電電子學(xué)電裝、裝調(diào)實驗室等。

好的團隊更是讓科學(xué)研究的腳步停不下來。“在EMI載荷的基礎(chǔ)上，我們做了一個EMI-Ⅱ載荷，空間分辨率從之前的48公里提高到24公里，提升了一倍，該載荷搭載在‘高分五號’02星、大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星等3顆衛(wèi)星上，預(yù)計今年會發(fā)射2顆?！背酥?，團隊還做了高精度大氣污染氣體監(jiān)測載荷，它的空間分辨率可以達到7公里×7公里，同時該載荷具有臨邊觀測功能，能夠提供垂直分辨率1公里的污染氣體廓線結(jié)果，為生態(tài)環(huán)境部等用戶提供高質(zhì)量衛(wèi)星數(shù)據(jù)，促進我國環(huán)境監(jiān)測光學(xué)遙感儀器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這也是目前國際上最先進的水平，預(yù)計將在2023年發(fā)射。

為了能完成領(lǐng)跑，司福祺時刻緊盯國外的最新技術(shù)。“現(xiàn)在國際上發(fā)展了高軌技術(shù)，相對低軌載荷，高軌載荷具有更高的時間分辨率，目前世界上第一顆高軌大氣污染氣體監(jiān)測衛(wèi)星是韓國發(fā)的，叫GEMS，但它的數(shù)據(jù)還沒有完全公開，還是一些老生常談的內(nèi)容，說大氣污染是中國過來的，中國對韓國的影響很大等等?！彼怨タ烁哕壠脚_有效大氣遙感載荷研制難題，實現(xiàn)污染氣體全球和區(qū)域分布、垂直廓線的高時空分辨率、高精度遙感監(jiān)測是司福祺所在團隊在下一個五年的重點計劃?！啊奈濉陂g，如果能做好一個或兩個，讓中國擁有話語權(quán)，精確查明污染來源，這將是我們團隊的成功和對國家的貢獻?！边@是司福祺的期許，也是一代又一代科研人員的期許。