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院士说 | 《环境保护》对话刘文清院士:完善卫星监测体系总体设计 助力大气环境持续好转

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2022-5-12     浏览次数:    

院士介绍




刘文清,男,汉族,1954年1月9日出生于安徽蚌埠,江苏徐州人,环境监测技术专家。1978年毕业于中国科学技术大学物理系,1995年在希腊克里特大学健康科学学院获博士学位。现任中国科学院合肥物质科学研究院学术委员会主任、安徽光学精密机械研究所学术所长,兼任中华环保联合会副主席、中国环境科学学会副理事长、中国光学学会副理事长、《大气与环境光学学报》主编等。


主要从事环境监测技术和应用研究。发展了环境光学监测新方法,研发了系列环境监测技术设备并实现产业化,集成了大气污染综合立体监测系统并进行应用示范,开拓形成了我国环境光学监测技术新领域。获国家科技进步二等奖3项(2007年、2011年、2015年),省部级科学技术一等奖5项。2012年获安徽省重大科技成就奖,2016年获何梁何利基金科学与技术进步奖,2020年获“全国先进工作者”称号。




中共中央、国务院印发的《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》指出,要建立完善现代化生态环境监测体系,并就建立健全基于现代感知技术和大数据技术的生态环境监测网络,优化监测站网布局,实现环境质量、生态质量、污染源监测全覆盖等工作提出了要求。当前,我国生态环境监测技术的发展取得了哪些显著成效?未来需要在哪些方面寻求更大的突破与创新?对此,《环境保护》杂志记者专访了中国工程院院士、中国科学院安徽光学精密机械研究所研究员、中国环境科学学会副理事长刘文清,请他对我国生态环境监测技术发展前沿有关问题谈谈自己的见解和思考。


提升监测设备及软件国产自主化程度

《环境保护》:《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》提出要深入打好蓝天保卫战,您认为此项工作的重要技术支撑是什么?

刘文清:党的十八大以来,在以习近平同志为核心的党中央坚强领导下,我国政府以“壮士断腕”的勇气和决心,为确保打赢蓝天保卫战作出了一系列重大决策部署,使得我国整体大气污染状况明显好转。可以说,当前我国的大气污染防治工作取得了令人瞩目的成就,受到了国内外的充分肯定和赞扬。但是,我们也应该清醒地看到,随着蓝天保卫战的不断深入,许多难题也凸显了出来。特别是在技术支撑方面,我认为可从以下两个方面入手。

第一,加大对环境监测设备自主设计、开发和制造工作的投入,进一步提高监测设备的国产自主化程度,摆脱对进口设备的依赖。目前,许多监测仪器设备研发的关键技术还掌握在少数几个发达国家的手中。以传感器为例,研发中最不可或缺的各类传感器达2000多种,但是我国能够自主生产的只有400多种,其余全部依赖进口,这给国产仪器的开发带来了巨大的难度。因此,加大对自主设备的研发力度是我国亟待解决的问题。

第二,加大对大气监测软件算法开发的投入,逐步减少对国外数据产品的依赖,逐渐提高我国自主监测数据的国际认可度。以天基遥感监测为例,当前我国对大气污染物NO2HCHO、SO2,温室气体CO2CO、CH4等的监测,都高度依赖国外的卫星数据,诸如哨兵5号、GOSAT、OCO2等国外卫星的二级数据产品。国外卫星研发机构对其分析算法进行了严格的封装,我们无法了解其光谱标定、气溶胶和云校正及大气成分浓度反演的具体技术细节。如果我国在缺乏自主可靠的反演算法的情况下,盲目依赖国外的监测数据发布国际认可度高的相关产品,不仅容易对我国政策造成误导,还将使我国丧失环境外交的国际话语权,极大地损害我国负责任大国的形象。

完善大气环境卫星监测体系总体设计

《环境保护》:《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》还指出要建立完善现代化生态环境监测体系,请谈谈您的理解和认识?

刘文清:尽管在过去的几年里,我国现代化环境监测体系有了长足的进步,但是依然存在如下的问题亟待完善。

地面监测站点覆盖不足,特别是在边远地区站点较为欠缺。以环境空气质量国控自动监测站为例,全国各个大中小城市都已经设置了国控站点,但是目前的环境空气质量国控自动监测网络大多集中在城市及其周边较近地区,很少涉及边远城郊、农村等地区,这些地区大气组分的浓度信息缺失,成为解析污染成因机理的阻碍。目前,全国已经安装了几十台地基大气成分超光谱遥测仪,但是相较于幅员辽阔的国土面积而言,仍旧是杯水车薪,需要进一步完善地面大气成分监测网络,特别是增加大气环境立体探测装备、扩展监测组分。

化工园区监管技术设备不健全,智能化升级存在短板。化工园区作为化工行业高质量发展的重要区域和平台,涉及的物料具有易燃易爆、有毒有害的特点,现场的危险化学品储存量大、危险源集中。2019年江苏响水“3·21”特别重大爆炸事故更是暴露出我国化工园区的安全问题突出。因此,要鼓励有条件的园区部署基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)技术、傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform infrared spectroscopy, FTIR)技术的超光谱成像技术设备及色谱质谱检测设备,并建立由空基大气成分探测系统和地基大气成分探测系统构成的空地一体化危险气体探测网络。通过在不同位置或不同方位布设不同设备,形成合理密度优势,开展多设备协同配合使用,从而实现对小范围的气体泄漏检测、中等范围的设备受损泄漏检测以及大范围的气体泄漏探测及预警。

卫星监测产品的业务化还不够成熟,数据标准化程度不高。近年来,虽然我国科技人员和应用部门在卫星产品的反演、校验、发布、应用等方面做了许多努力,攻破了一些“卡脖子”技术,一些大气成分浓度反演算法已处于国际水平,卫星产品业务化平台雏形基本打造完成,但是整个体系还有待进一步完善。鉴于此,我个人认为,我国大气环境监测卫星应该遵循数据产品能够得到实际应用的原则,要进一步完善大气环境监测卫星监测体系总体设计,加强卫星载荷设计部门与数据产品部门的沟通,促进产品发布部门与产品应用群体的交流,实现从卫星硬件设计到浓度反演软件开发,再到数据落地应用的一体化,从而为大气环境污染治理和气候变化应对提供区域和全球数据支撑和发展思路。

实现国产温室气体在线监测设备自主化研发

《环境保护》:请您谈谈我国环境监测技术的发展情况,并预测一下未来可能的创新与发展方向是什么?

刘文清:总体而言,我国环境监测技术发展比较快,与国外先进水平的差距在不断缩小,尤其在超光谱类环境监测技术与设备方面,我国自主研制的环境监测设备发挥着越来越重要的作用。我国的环境监测技术与装备,从单一依靠化学采样分析方法的环境监测方式发展到涉及物理监测、生物监测、生态监测、地基遥感监测、卫星监测的“天空地”一体化监测体系;从间断性监测逐步过渡到自动连续监测,监测范围也从一个点(或者园区)扩展到一个城市、一个区域乃至全国。我国依靠自主研发的技术业已形成了以环境空气质量国控自动监测站为骨干的环境地面监测网络体系。特别是近年来,为适应大气污染机理研究和污染防治工作的需求,我国在环境监测技术上持续积极探索,取得了突破性的进展。

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,从以前只能够监测NO2SO2HCHO和气溶胶,到现在还能够监测气态亚硝酸、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。另外,移动平台大气环境光学监测技术具有观测范围广和实时性强的特点,尤其在溯源研究中具有明显的技术优势,可在城市空气质量管理、污染暴露评估等方面发挥重要作用。目前,车载平台、船载平台和机载平台是被广泛应用的移动平台,其携带的大气环境光学监测设备包括差分吸收光谱仪(Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS)、激光雷达(Light Detection And Ranging, LIDAR)和便携式傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform infrared spectroscopy, FTIR)等,可实现对气溶胶、NO2SO2O3VOCs、CO2CH4等主要大气成分的移动监测。移动监测过程中可以对光学设备进行定量校准,同时还能够定量扣除移动平台自身排放,这对于观测结果的准确性和有效性至关重要。

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NO2HCHO、SO2O3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。

我结合自身专业,谈一下环境监测技术未来的发展和创新方向。当前,大气环境监测科技呈现跨介质、全尺度、高精度等趋势,研究尺度向更广、更深入延展,而且学科交叉融合明显,技术装备向自动化、智能化发展。另外,大气环境污染物与温室气体具有显著的协同性,二者同根同源,都涉及大气成分的变化,但是它们的监测技术原理和仪器构成千差万别,主要取决于所监测对象的浓度和来源。我个人认为,针对当前对大气中VOCs监测的迫切需求,应该基于光学监测手段的技术优势,在VOCs监测组分上进行拓宽,实现更多种类的VOCs实时在线监测,并通过遥感监测手段的优势,实现以观测为中心的污染排放空间成像监测,开展污染物的空间扩散、溯源研究。针对当前碳排放的监测需求,应该加大对碳排放监测设备自主设计、开发和制造的投入,实现国产温室气体在线监测设备的自主化研发。相信在不久的将来,我国科研人员一定能够将大气污染与碳排放的联动监测设备自主研发成功并广泛应用于实践中。
 
培养过硬的监测技术人才是当下最紧迫的任务之一

《环境保护》:您曾说“如果环境管理是一座大厦,那么环境监测就是顶梁柱,我们就是环境监测的守望者。像医生给病人做CT一样,我们就是给大气环境做CT的人”,您从事环境监测工作几十年来,最具标志性的成果有哪些?我国的环境监测管理及学科建设应该如何加强?

刘文清: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、动态监测技术是生态环境领域科研工作者必须面对的重大课题。鉴于此,我率先提出了开展光学与环境交叉科学的创新研究。从技术成果来讲,这些年来我带领团队始终围绕国家环境监测技术和产业发展的重大需求,瞄准国际先进环境监测技术发展方向,开展了光学与环境科学的交叉集成创新研究,建成了从紫外光、可见光到红外光的全光谱波段,从地基、机载到星载的多平台大气环境综合立体监测技术系统,并达到了国际先进水平。从社会贡献和经济效益来讲,我们将区域大气环境综合立体监测技术系统应用到了常规监测网络中,弥补了仅靠例行业务监测网络的监测内容、范围和手段的不足,支撑了一系列国家重大活动期间的大气环境监测工作。同时,我们还坚持走产、学、研、用相结合的产业化道路,与企业合作。研发了系列环境监测仪器设备并实现了产业化,形成了良好的产、学、研合作关系和成熟化的技术创新网络,为我国环境监测设备的产业化和技术升级做出了应有的贡献。

在学科建设上,环境与人类健康息息相关,环境监测领域已经受到越来越多的人的关注,尤其是青年群体也纷纷加入了这个伟大事业中。我国生态环境问题的彻底解决,离不开先进的环境监测技术和设备。在今天的国际环境下,技术依赖远比市场依赖更加受制于人,并且难以摆脱,前沿技术和高技术难以被引进。同时,环境监测仪器又与现有其他类仪器有所不同,虽然有交叉的共性部分,但更有其特殊性,主要体现在专用性强、使用场合复杂、背景条件多变等方面,所以很难包容在已有的某个分支学科之中。环境监测技术既是环境科学的重要组成部分,也是生态环境保护工作的基础。虽然环境科学与工程学科在我国很多高校都有开设,但基本上都是讲授环境监测技术的原理和如何使用仪器,没有涉及如何制造环境监测仪器。环境监测仪器涉及光、机、电、计算机、算法软件等,是一门理论与实践联系紧密的学科,因此建立健全理论与实践紧密联系机制,致力于培养出功夫到家、技术过硬的研究型技术人才是当下最紧迫的任务之一。因为只有技术独立,才有经济独立,才有政策独立,所以技术永远是国家的财富!

至今还没有一种单一的技术能满足痕量污染物监测的多种要求。不同的监测平台有着各自的优缺点。我国只有发展更高精度、更多成分、更大范围、更加实用的多平台环境监测技术才能满足不断变化的生态环境保护需求。

实现大气环境的立体化、智能化综合关联监测

《环境保护》:您对生态环境部近期印发的《“十四五”生态环境监测规划》文件有怎样的理解?规划的发布实施对科研工作又起到怎样的促进与推动作用?

刘文清:随着我国大气污染治理的不断深入,污染源的结构发生了显著改变,污染的成因也发生快速变化,尤其是二次颗粒物和全国大气臭氧浓度的不断增加,个别城市开始出现臭氧引起的重污染现象。规划中提出生态环境监测要全面推进生态环境监测从数量规模型向质量效能型跨越,充分表明自“大气十条”实施以来,我国在大气二次污染的防治上,总体思路是明确的,防控重点逐渐从初期的“总量控制”转向“质量为主、总量协同”,强调细颗粒物和臭氧的协同管控,在某种程度上也预示着我国环境监测行业将跨入以高质量生态监测为主的发展阶段。“质量效能型”这一目标的提出,对生态环境科研人员来讲,应该是一个很好的契机。我想,接下来我国科研人员会结合“碳监测评估”这一新任务,集中创新监测技术,进一步推动国产仪器的产业化发展及环境监测技术体系的建立。一方面,针对环境污染机理研究的监测技术和手段,我们将着力微观精细化监测,研发低干扰的多平台自由基探测、高灵敏的大气超细颗粒物传感器,以及可以运用于物联网的大气环境监测传感器,满足国家对臭氧等二次污染物的业务化监测,比如光化学前体物的立体监测。另一方面,扩展宏观区域监测尺度,创新地基遥感监测手段,突破卫星和机载平台技术瓶颈,如航空平台、无人机等高光谱分辨率大气遥感关键技术,提升大气污染与碳排放的联动监测能力,如排放源辨识、区域传输直接观测和碳监测,最终实现大气环境的立体化、智能化综合关联监测,充分支撑生态文明和美丽中国建设。

文/本刊记者 郭媛媛 于宝源

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