劉文清：為大氣環(huán)境“精準(zhǔn)把脈”

聞之色變的酸雨，遮天蔽日的霧霾，愈演愈烈的溫室效應(yīng)……說起大氣污染，人們并不陌生，甚至深受其害。但大氣污染并非無(wú)解，通過有效的監(jiān)測(cè)手段，就可以像拍CT一樣，找準(zhǔn)“病灶”，完成對(duì)主要污染源的精準(zhǔn)排查，從根源解決大氣污染問題。中國(guó)工程院院士劉文清，就是這樣一個(gè)“給大氣環(huán)境做CT的人”。

40多年來，劉文清瞄準(zhǔn)環(huán)境科技前沿趨勢(shì)和環(huán)境問題重大需求，通過一系列環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新，帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了我國(guó)大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測(cè)技術(shù)體系；研發(fā)的一系列先進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，為環(huán)保和氣象部門開展大氣細(xì)顆粒物、臭氧和揮發(fā)性有機(jī)物監(jiān)測(cè)，提供了技術(shù)設(shè)備支撐；突破了天空地一體化多源異構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的人工智能融合技術(shù)。

海外游學(xué) 開拓環(huán)境光學(xué)研究領(lǐng)域

1954年，劉文清出生于安徽蚌埠的一個(gè)普通家庭。高中畢業(yè)后，他先是在一家小型國(guó)企當(dāng)了五年鉗工，后來經(jīng)過不懈努力考入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系，通過三年系統(tǒng)學(xué)習(xí)，對(duì)科學(xué)研究有了初步的了解，并在國(guó)家需求、教學(xué)氛圍熏陶下，立志成為一名科學(xué)家，為國(guó)家科技發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

大學(xué)畢業(yè)后，劉文清被分配到中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱“安光所”）。為了更好地了解國(guó)際前沿科研進(jìn)展，他苦學(xué)英語(yǔ)，勤讀文獻(xiàn)。夏天，安光所所在的董鋪島蚊蠅泛濫，劉文清就買了一雙長(zhǎng)靴套住雙腳和小腿，躲進(jìn)蚊帳將幾冊(cè)英語(yǔ)書背得滾瓜爛熟，還以借工資分期付款的方式買來錄音機(jī)練習(xí)口語(yǔ)。英語(yǔ)能力的提高，使他順利拿到了出國(guó)留學(xué)的通行證。

從20世紀(jì)80年代中期，劉文清開始了四處游學(xué)的生涯：1986年至1989年，在意大利米蘭工業(yè)大學(xué)、日本國(guó)立公害研究所進(jìn)修；1993年至1995年，在希臘克里特大學(xué)獲得博士學(xué)位；1996年至1998年，又在日本千葉大學(xué)環(huán)境遙感中心做博士后研究。隨著眼界、知識(shí)和見解的逐步提升，劉文清愈發(fā)清醒地意識(shí)到，當(dāng)時(shí)中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家在技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力上存在巨大差距。

1998年，學(xué)有所成的劉文清回到安光所，牽頭成立環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)研究室，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開拓我國(guó)環(huán)境光學(xué)研究的新領(lǐng)域；并在第二年獲得20萬(wàn)元啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)支持，用于研制監(jiān)測(cè)二氧化硫濃度的空氣監(jiān)測(cè)儀。

此后大半年，環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)研究室的燈光經(jīng)常通宵亮著，從畫圖紙到一個(gè)個(gè)螺絲釘、接口焊接，都需要研究人員親力親為。劉文清將研究團(tuán)隊(duì)分成兩個(gè)小組，一組研發(fā)電路板，一組攻克軟件算法。在他的指導(dǎo)下，電路設(shè)計(jì)圖不斷精簡(jiǎn)優(yōu)化，密密麻麻的電極管被安置在特定位置，圖紙從A4紙大小，逐漸濃縮到A4紙的一半大?。凰惴ㄐ〗M攻破點(diǎn)式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測(cè)儀的反演算法，并通過循環(huán)驗(yàn)證，達(dá)到較為滿意的效果。

經(jīng)過不斷試驗(yàn)、失敗、再試驗(yàn)，科研團(tuán)隊(duì)終于在2000年春天制造出中國(guó)第一臺(tái)點(diǎn)式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測(cè)儀。以此為開端，劉文清帶領(lǐng)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)國(guó)家需求又研發(fā)了多款監(jiān)測(cè)設(shè)備，并逐步投入實(shí)際應(yīng)用。

其時(shí)，恰逢兩院院士組成的“先進(jìn)環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域?qū)ｎ}組”向國(guó)家提交《先進(jìn)環(huán)保技術(shù)咨詢報(bào)告》，報(bào)告對(duì)劉文清團(tuán)隊(duì)的中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)給予了高度評(píng)價(jià)，并建議將部分項(xiàng)目列入國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃。就此，劉文清團(tuán)隊(duì)逐步發(fā)展了可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）、光散射等一系列環(huán)境光學(xué)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境一次、二次污染物的快速、立體、在線監(jiān)測(cè)，并拓展到水體藻類、有機(jī)物和土壤重金屬等指標(biāo)的高精度在線測(cè)量，構(gòu)建起以空氣環(huán)境、水質(zhì)、污染源為監(jiān)測(cè)主體的國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

兩度北上 承擔(dān)奧運(yùn)大氣監(jiān)測(cè)任務(wù)

劉文清多次提到，環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)就像是“給大氣做CT”。

他解釋說，地球大氣主要由氮、氧、氬、二氧化碳以及比例不到0.04%的痕量氣體構(gòu)成。其中，痕量成分變化以及其引發(fā)的大氣化學(xué)過程和物理特性的變化，會(huì)引起空氣質(zhì)量和氣候的變化。環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)，就是利用光學(xué)技術(shù)進(jìn)行環(huán)境痕量氣體監(jiān)測(cè)的技術(shù)。具體地講，大氣環(huán)境中的各種物質(zhì)成分，都有自己的特征吸收光譜，一束光打出去或者利用太陽(yáng)散射光，各種各樣的環(huán)境組分或者污染物會(huì)吸收、散射一定的光波長(zhǎng)，形成特征光譜。

“就像人的指紋一樣，通過儀器、設(shè)備和計(jì)算、分析，就能把它們檢測(cè)、測(cè)量出來?！眲⑽那逭f，“比如在50米、100米甚至幾公里、幾十公里的層面上，可以發(fā)現(xiàn)污染物是怎樣分布、怎樣輸送的，如同給大氣做了一個(gè)CT掃描。”

劉文清在環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得的成績(jī)，很快引起國(guó)家重視。2008年，北京欲燃奧運(yùn)圣火，劉文清接到通知，率領(lǐng)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)起奧運(yùn)會(huì)大氣監(jiān)測(cè)任務(wù)。

在劉文清的帶領(lǐng)下，安光所作為參與“北京及周邊地區(qū)奧運(yùn)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)警聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃”項(xiàng)目的唯一一家京外單位，建立了以北京為中心、覆蓋三大污染源地區(qū)及周邊污染輸送通道的京津冀大氣環(huán)境立體綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)，為奧運(yùn)會(huì)期間空氣污染預(yù)警和減排措施制定提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。劉文清也因此獲得奧運(yùn)會(huì)科技貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，其成果獲得奧運(yùn)科技成果獎(jiǎng)。

14年后，當(dāng)?shù)诙膶枚瑠W會(huì)在北京舉行，劉文清科研團(tuán)隊(duì)再次被選中，依托經(jīng)過特殊改裝的監(jiān)測(cè)車日夜走航監(jiān)測(cè)賽場(chǎng)。這一次，他們已經(jīng)底氣十足：經(jīng)過十多年的磨礪創(chuàng)新，團(tuán)隊(duì)攜帶的設(shè)備更科學(xué)、更先進(jìn)，而且全部具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；技術(shù)手段也更全面，監(jiān)測(cè)精度更高；監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)也更及時(shí)、高效、權(quán)威。

“2008年北京奧運(yùn)期間，國(guó)內(nèi)的大氣污染還比較嚴(yán)重；到2022年冬奧會(huì)，空氣質(zhì)量已經(jīng)有了很大改善?！眲⑽那逭f，“獲取一系列排放、氣象、化學(xué)綜合數(shù)據(jù)后，我們可以將高分辨率高精度地基和衛(wèi)星聯(lián)合遙感手段結(jié)合起來，進(jìn)行多技術(shù)的交叉印證，為更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)排放源識(shí)別和動(dòng)態(tài)監(jiān)控提供更多支撐?！?/p>

此外，劉文清科研團(tuán)隊(duì)還先后為上海世博會(huì)、南京青奧會(huì)、廣州亞運(yùn)會(huì)、北京九三閱兵式、G20杭州峰會(huì)、金磚國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人會(huì)議等一系列國(guó)際盛會(huì)保駕護(hù)航，提供大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)保障。

攻堅(jiān)克難 始終做國(guó)家最需要的事

2018年5月，中國(guó)第一顆高光譜綜合觀測(cè)衛(wèi)星——高分五號(hào)在太原基地發(fā)射升空，順利進(jìn)入軌道。得到這個(gè)消息，作為衛(wèi)星環(huán)境載荷的總設(shè)計(jì)師，劉文清長(zhǎng)長(zhǎng)地舒了一口氣，他夢(mèng)想中的中國(guó)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)天、地、空一體化體系終于建成。

高分五號(hào)衛(wèi)星搭載了我國(guó)第一顆大氣痕量氣體觀測(cè)載荷—大氣痕量氣體差分吸收光譜儀和高光譜觀測(cè)衛(wèi)星（高分五號(hào)02星）?；叵胙邪l(fā)之初，劉文清團(tuán)隊(duì)面對(duì)的是各種接踵而至的問題：技術(shù)封鎖、芯片斷供、接口不穩(wěn)定、科研人員不足……但劉文清清楚，國(guó)之重器不能依靠進(jìn)口，必須為高分五號(hào)提供自主儀器設(shè)備。為此，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通宵達(dá)旦查資料、磨技術(shù)，直至順利完成項(xiàng)目交付。

高分五號(hào)衛(wèi)星的升空，使我國(guó)首次具備了獲取全球污染氣體分布數(shù)據(jù)的能力，不僅增強(qiáng)了我國(guó)在大氣污染控制決策方面的技術(shù)支持，也為我國(guó)在全球環(huán)境外交領(lǐng)域提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。從此，我國(guó)開啟了大氣環(huán)境的精準(zhǔn)“把脈”時(shí)代。

2022年發(fā)射升空的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（又稱“大氣一號(hào)”），繼續(xù)搭載了安光所經(jīng)過改進(jìn)的大氣痕量氣體觀測(cè)載荷。該設(shè)備利用光譜持續(xù)遙感成像的原理，提供全球大氣污染的分布特征和時(shí)間序列的變化。系列衛(wèi)星上的被動(dòng)遙感觀測(cè)，最大成像幅寬達(dá)到2600公里，能保證每日一次的巡查，可以清晰地、動(dòng)態(tài)地掌握全球污染信息。

當(dāng)前，人工智能無(wú)疑是最熱門的領(lǐng)域之一。劉文清以開放的心態(tài)和積極的行動(dòng)不斷探索利用人工智能技術(shù)突破傳統(tǒng)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的瓶頸。高光譜衛(wèi)星遙感受云層遮蔽等因素的影響，難免出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，造成監(jiān)測(cè)“盲區(qū)”。劉文清帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，以衛(wèi)星遙感觀測(cè)為基礎(chǔ)，結(jié)合氣象因素、地理信息等多信息源，通過人工智能模型學(xué)習(xí)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空分布特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺失數(shù)據(jù)的填補(bǔ)，重建了全球全覆蓋的污染氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；針對(duì)高光譜衛(wèi)星受過境時(shí)間影響每天僅能觀測(cè)1次的瓶頸，通過衛(wèi)星光譜分析與人工智能模型相結(jié)合，獲得了包括夜間在內(nèi)的全天24小時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，通過天空地一體化多源異構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了城市大氣污染物的百米級(jí)空間分辨率、小時(shí)級(jí)時(shí)間分辨率的重構(gòu)，助力設(shè)施級(jí)尺度的大氣污染精準(zhǔn)溯源。

新冠肺炎疫情爆發(fā)后，劉文清更是率團(tuán)隊(duì)一路“逆行”，到達(dá)已經(jīng)封城的武漢。為改裝適合疫區(qū)的大氣環(huán)境立體探測(cè)試驗(yàn)車，劉文清團(tuán)隊(duì)緊急調(diào)試設(shè)備，使一臺(tái)小小的實(shí)驗(yàn)車，配備了自主研發(fā)的氣溶膠和臭氧層探測(cè)激光雷達(dá)、高分辨便攜式質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀、氣溶膠可粒徑譜儀等七套大氣環(huán)境立體探測(cè)設(shè)備，不僅實(shí)現(xiàn)了從近地面到5000米高度大氣氣溶膠和臭氧的實(shí)時(shí)探測(cè)，而且完成了230余種揮發(fā)性有機(jī)物的秒級(jí)快速監(jiān)測(cè)。其中，測(cè)量揮發(fā)性有機(jī)污染物的儀器PTR-MS，只要人呼吸一下，就可以把呼吸氣體成分分析出來。

在劉文清帶領(lǐng)下，這支大氣環(huán)境立體探測(cè)實(shí)驗(yàn)隊(duì)每日在定點(diǎn)醫(yī)院、方艙醫(yī)院、隔離點(diǎn)、社區(qū)開展走航觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，捕捉大氣環(huán)境差異，判斷污染物的變化，獲取第一手大氣環(huán)境要素時(shí)空分布數(shù)據(jù)，為病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、環(huán)境影響因素分析提供科學(xué)依據(jù)。

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，劉文清團(tuán)隊(duì)初步掌握了武漢重點(diǎn)場(chǎng)所周邊空氣中的氣溶膠、消毒劑揮發(fā)氣體時(shí)空分布特征，有效評(píng)估了武漢整體環(huán)境空氣質(zhì)量狀況，為判斷和評(píng)估病毒在空氣中通過氣溶膠傳播引起的暴露風(fēng)險(xiǎn)、大氣環(huán)境質(zhì)量與病毒之間的響應(yīng)關(guān)系、消毒效果評(píng)價(jià)與副作用控制提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。

這些研究成果，對(duì)于評(píng)估重點(diǎn)場(chǎng)所周邊的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)施更合理的消毒措施，分析經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，都有一定的借鑒作用。

面向未來 環(huán)境監(jiān)測(cè)助力雙碳發(fā)展

低碳綠色作為我國(guó)未來經(jīng)濟(jì)的主要發(fā)展方向，開展碳達(dá)峰、碳中和勢(shì)在必行。

劉文清認(rèn)為，監(jiān)測(cè)技術(shù)是達(dá)成“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)支撐；與此同時(shí)，“雙碳”目標(biāo)也為環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。一方面，我國(guó)目前在全球溫室氣體監(jiān)測(cè)體系中還處于弱勢(shì)地位，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)常被國(guó)外質(zhì)疑不準(zhǔn)確或低估排放，因此在部署“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)時(shí)，仍需繼續(xù)推動(dòng)國(guó)家全自主國(guó)產(chǎn)化的溫室氣體總量觀測(cè)技術(shù)快速進(jìn)步，牢牢把住我國(guó)溫室氣體的數(shù)據(jù)安全大門；另一方面，需要開展深度國(guó)際合作，通過加入全球總碳柱觀測(cè)網(wǎng)來提升我國(guó)溫室氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果和區(qū)域碳排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的公信力。

“未來，我們的創(chuàng)新方向?qū)⒓杏谕苿?dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新、國(guó)產(chǎn)儀器的產(chǎn)業(yè)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)體系的建立以及天空地一體化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的人工智能融合與解析。”劉文清說，在局域微觀精細(xì)化監(jiān)測(cè)方面，大力發(fā)展基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)污染源監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化；在宏觀區(qū)域監(jiān)測(cè)方面，創(chuàng)新地基遙感監(jiān)測(cè)手段，獲取更多的大氣成分和氣象參數(shù)，突破衛(wèi)星和機(jī)載高光譜分辨率大氣遙感關(guān)鍵技術(shù)，提升重污染天氣下的觀測(cè)能力（排放源辨識(shí)和區(qū)域傳輸直接觀測(cè)），實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境的立體化、智能化綜合關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)，推動(dòng)人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和精細(xì)化污染防治等方面的應(yīng)用。

“作為科研工作者，要有科學(xué)家的社會(huì)責(zé)任，以研究重大問題、服務(wù)國(guó)家和社會(huì)作為最高目標(biāo)?！眲⑽那逭f，“面對(duì)雙碳目標(biāo)，環(huán)境監(jiān)測(cè)工程科學(xué)有很多的路要走，國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展需要我們做的事情還有很多?！?/p>