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发布时间:2024/12/25
来源:科技创新与品牌杂志
闻之色变的酸雨,遮天蔽日的雾霾,愈演愈烈的温室效应……说起大气污染,人们并不陌生,甚至深受其害。但大气污染并非无解,通过有效的监测手段,就可以像拍CT一样,找准“病灶”,完成对主要污染源的精准排查,从根源解决大气污染问题。中国工程院院士刘文清,就是这样一个“给大气环境做CT的人”。
40多年来,刘文清瞄准环境科技前沿趋势和环境问题重大需求,通过一系列环境光学监测技术创新,带领科研团队构建了我国大气环境综合立体监测技术体系;研发的一系列先进环境监测设备,为环保和气象部门开展大气细颗粒物、臭氧和挥发性有机物监测,提供了技术设备支撑;突破了天空地一体化多源异构监测数据的人工智能融合技术。
海外游学 开拓环境光学研究领域
1954年,刘文清出生于安徽蚌埠的一个普通家庭。高中毕业后,他先是在一家小型国企当了五年钳工,后来经过不懈努力考入中国科学技术大学物理系,通过三年系统学习,对科学研究有了初步的了解,并在国家需求、教学氛围熏陶下,立志成为一名科学家,为国家科技发展贡献一份力量。
大学毕业后,刘文清被分配到中国科学院安徽光学精密机械研究所(以下简称“安光所”)。为了更好地了解国际前沿科研进展,他苦学英语,勤读文献。夏天,安光所所在的董铺岛蚊蝇泛滥,刘文清就买了一双长靴套住双脚和小腿,躲进蚊帐将几册英语书背得滚瓜烂熟,还以借工资分期付款的方式买来录音机练习口语。英语能力的提高,使他顺利拿到了出国留学的通行证。
从20世纪80年代中期,刘文清开始了四处游学的生涯:1986年至1989年,在意大利米兰工业大学、日本国立公害研究所进修;1993年至1995年,在希腊克里特大学获得博士学位;1996年至1998年,又在日本千叶大学环境遥感中心做博士后研究。随着眼界、知识和见解的逐步提升,刘文清愈发清醒地意识到,当时中国与发达国家在技术水平和经济实力上存在巨大差距。
1998年,学有所成的刘文清回到安光所,牵头成立环境光学监测研究室,带领团队开拓我国环境光学研究的新领域;并在第二年获得20万元启动经费支持,用于研制监测二氧化硫浓度的空气监测仪。
此后大半年,环境光学监测研究室的灯光经常通宵亮着,从画图纸到一个个螺丝钉、接口焊接,都需要研究人员亲力亲为。刘文清将研究团队分成两个小组,一组研发电路板,一组攻克软件算法。在他的指导下,电路设计图不断精简优化,密密麻麻的电极管被安置在特定位置,图纸从A4纸大小,逐渐浓缩到A4纸的一半大小;算法小组攻破点式环境空气二氧化硫监测仪的反演算法,并通过循环验证,达到较为满意的效果。
经过不断试验、失败、再试验,科研团队终于在2000年春天制造出中国第一台点式环境空气二氧化硫监测仪。以此为开端,刘文清带领环境光学监测研究团队,针对国家需求又研发了多款监测设备,并逐步投入实际应用。
其时,恰逢两院院士组成的“先进环保技术领域专题组”向国家提交《先进环保技术咨询报告》,报告对刘文清团队的中国环境监测技术给予了高度评价,并建议将部分项目列入国家重点发展计划。就此,刘文清团队逐步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,实现对大气环境一次、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,构建起以空气环境、水质、污染源为监测主体的国家环境监测网络。
两度北上 承担奥运大气监测任务
刘文清多次提到,环境光学监测就像是“给大气做CT”。
他解释说,地球大气主要由氮、氧、氩、二氧化碳以及比例不到0.04%的痕量气体构成。其中,痕量成分变化以及其引发的大气化学过程和物理特性的变化,会引起空气质量和气候的变化。环境光学监测技术,就是利用光学技术进行环境痕量气体监测的技术。具体地讲,大气环境中的各种物质成分,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,各种各样的环境组分或者污染物会吸收、散射一定的光波长,形成特征光谱。
气候的变化。环境光学监测技术,就是利用光学技术进行环境痕量气体监测的技术。具体地讲,大气环境中的各种物质成分,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,各种各样的环境组分或者污染物会吸收、散射一定的光波长,形成特征光谱。
“就像人的指纹一样,通过仪器、设备和计算、分析,就能把它们检测、测量出来。”刘文清说,“比如在50米、100 米甚至几公里、几十公里的层面上,可以发现污染物是怎样分布、怎样输送的,如同给大气做了一个CT扫描。”
刘文清在环境光学监测领域取得的成绩,很快引起国家重视。2008年,北京欲燃奥运圣火,刘文清接到通知,率领环境光学监测团队承担起奥运会大气监测任务。
在刘文清的带领下,安光所作为参与“北京及周边地区奥运大气环境监测和预警联合行动计划”项目的唯一一家京外单位,建立了以北京为中心、覆盖三大污染源地区及周边污染输送通道的京津冀大气环境立体综合监测网,为奥运会期间空气污染预警和减排措施制定提供了强有力的数据支撑。刘文清也因此获得奥运会科技贡献奖,其成果获得奥运科技成果奖。
14年后,当第二十四届冬奥会在北京举行,刘文清科研团队再次被选中,依托经过特殊改装的监测车日夜走航监测赛场。这一次,他们已经底气十足:经过十多年的磨砺创新,团队携带的设备更科学、更先进,而且全部具有自主知识产权;技术手段也更全面,监测精度更高;监测所得的数据也更及时、高效、权威。
“2008年北京奥运期间,国内的大气污染还比较严重;到2022年冬奥会,空气质量已经有了很大改善。”刘文清说,“获取一系列排放、气象、化学综合数据后,我们可以将高分辨率高精度地基和卫星联合遥感手段结合起来,进行多技术的交叉印证,为更准确地实现重点排放源识别和动态监控提供更多支撑。”
此外,刘文清科研团队还先后为上海世博会、南京青奥会、广州亚运会、北京九三阅兵式、G20杭州峰会、金砖国家领导人会议等一系列国际盛会保驾护航,提供大气环境质量监测保障。
攻坚克难 始终做国家最需要的事
2018年5月,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升空,顺利进入轨道。得到这个消息,作为卫星环境载荷的总设计师,刘文清长长地舒了一口气,他梦想中的中国环境光学监测天、地、空一体化体系终于建成。
高分五号卫星搭载了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和高光谱观测卫星(高分五号02 星)。回想研发之初,刘文清团队面对的是各种接踵而至的问题:技术封锁、芯片断供、接口不稳定、科研人员不足……但刘文清清楚,国之重器不能依靠进口,必须为高分五号提供自主仪器设备。为此,他带领团队通宵达旦查资料、磨技术,直至顺利完成项目交付。
高分五号卫星的升空,使我国首次具备了获取全球污染气体分布数据的能力,不仅增强了我国在大气污染控制决策方面的技术支持,也为我国在全球环境外交领域提供了坚实的数据支撑。从此,我国开启了大气环境的精准“把脉”时代。
2022年发射升空的大气环境监测卫星(又称“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。
当前,人工智能无疑是最热门的领域之一。刘文清以开放的心态和积极的行动不断探索利用人工智能技术突破传统大气环境监测的瓶颈。高光谱卫星遥感受云层遮蔽等因素的影响,难免出现数据缺失,造成监测“盲区”。刘文清带领团队,以卫星遥感观测为基础,结合气象因素、地理信息等多信息源,通过人工智能模型学习卫星监测数据的时空分布特征,实现对缺失数据的填补,重建了全球全覆盖的污染气体监测数据;针对高光谱卫星受过境时间影响每天仅能观测1次的瓶颈,通过卫星光谱分析与人工智能模型相结合,获得了包括夜间在内的全天24小时监测。同时,通过天空地一体化多源异构监测数据融合技术,实现了城市大气污染物的百米级空间分辨率、小时级时间分辨率的重构,助力设施级尺度的大气污染精准湖源。
新冠肺炎疫情爆发后,刘文清更是率团队一路“逆行”到达已经封城的武汉。为改装适合疫区的大气环境立体探测试验车,刘文清团队紧急调试设备,使一台小小的实验车,配备了自主研发的气溶胶和臭氧层探测激光雷达、高分辨便携式质子转移反应质谱仪、气溶胶可粒径谱仪等七套大气环境立体探测设备,不仅实现了从近地面到5000米高度大气气溶胶和臭氧的实时探测,而且完成了230余种挥发性有机物的秒级快速监测。其中,测量挥发性有机污染物的仪器PTR-MS,只要人呼吸一下,就可以把呼吸气体成分分析出来。
在刘文清带领下,这支大气环境立体探测实验队每日在定点医院、方舱医院、隔离点、社区开展走航观测实验,捕捉大气环境差异,判析污染物的变化,获取第一手大气环境要素时空分布数据,为病毒传播风险评估、环境影响因素分析提供科学依据。
通过实时监测,刘文清团队初步掌握了武汉重点场所周边空气中的气溶胶、消毒剂挥发气体时空分布特征,有效评估了武汉整体环境空气质量状况,为判断和评估病毒在空气中通过气溶胶传播引起的暴露风险、大气环境质量与病毒之间的响应关系、消毒效果评价与副作用控制提供了科学数据。
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。
面向未来 环境监测助力双碳发展
低碳绿色作为我国未来经济的主要发展方向,开展碳达峰、碳中和势在必行。
刘文清认为,监测技术是达成“双碳”目标的重要技术支撑;与此同时,“双碳”目标也为环境光学监测发展带来新的机遇和挑战。一方面,我国目前在全球温室气体监测体系中还处于弱势地位,监测数据经常被国外质疑不准确或低估排放,因此在部署“双碳”战略目标时,仍需继续推动国家全自主国产化的温室气体总量观测技术快速进步,牢牢把住我国温室气体的数据安全大门;另一方面,需要开展深度国际合作,通过加入全球总碳柱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。
“未来,我们的创新方向将集中于推动监测技术的创新国产仪器的产业化、环境监测技术体系的建立以及天空地一体化监测数据的人工智能融合与解析。”刘文清说,在局域微观精细化监测方面,大力发展基于物联网应用的大气环境监测传感器,实现污染源监测网络化;在宏观区域监测方面,创新地基遥感监测手段,获取更多的大气成分和气象参数,突破卫星和机载高光谱分辨率大气遥感关键技术,提升重污染天气下的观测能力(排放源辨识和区域传输直接观测),实现大气环境的立体化、智能化综合关联监测,推动人工智能与大数据技术在大气环境监测和精细化污染防治等方面的应用。
作为科研工作者,要有科学家的社会责任,以研究重大问题、服务国家和社会作为最高目标。”刘文清说,“面对双碳目标,环境监测工程科学有很多的路要走,国家环境监测技术发展需要我们做的事情还有很多。"
原文发表于《科技创新与品牌》2024年第12期,欢迎订阅查看。
记者:冯昭、于宝源
编辑:邱惠颖
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