一場與霧霾的空戰

董理

結緣氣溶膠遙感

2008年初春，法國大氣光學實驗室的一個代表團來到了美國NASA戈達德太空飛行中心。一行人剛踏入航天飛行中心的大門，每人就得到了一張來訪卡。當代表團中的一名中國科學家把來訪卡夾在胸前時，他發現唯獨他的卡是紅色的，其余人的都是藍色和綠色。鮮紅的來訪卡配上黃色的皮膚在一群白人中顯得尤為扎眼，這位“特殊”的中國科學家就是現在中國科學院遙感與數字地球研究所的研究員李正強博士。

“當時心里就覺得怪怪的，挺不舒服，他們其他人都是綠色的、藍色的牌子，我走到哪兒都特別引人矚目，意思就是說這個人還是有些東西不能讓他看。雖然是和法國代表團一起來的，但還是屬于受限制人員。科學無國界，科學家還是有國籍的。這個事情和在美國工作的同事聊，也有這個情況。我們叫做‘玻璃天花板，職業發展到一定程度就會觸到一層看不見的頂板。”李正強談起那次美國之行，當時的情景如今還歷歷在目。

2004年李正強在獲得光學博士學位后受法國國家太空研究中心的資助前往里爾大學大氣光學實驗室進行博士后研究，并任研究助教和助理研究員。“那時法國的大氣光學實驗室發射了一顆‘太陽傘衛星，這個衛星是世界上測量氣溶膠能力最強的衛星，大氣光學實驗室圍繞這個衛星做了很多工作，我覺得這個事情很有意思。”也就是那時起，李正強與氣溶膠遙感正式結緣。

2009年我國“高分辨率對地觀測重大專項”籌備工作進入緊鑼密鼓的階段，也就是在那時，李正強入選了中科院“百人計劃”，并于當年年底回國。

當今氣溶膠研究在全球科學界屬于前沿性領域，各國都十分關注。“在國外研究氣溶膠和顆粒物主要是為了研究氣候變化，氣候變化有兩大驅動力：一個是溫室氣體——二氧化碳、甲烷等；還有一個就是大氣顆粒物，它是構成氣溶膠的一種基本物質。當太陽光照射到這些顆粒物上時會被反射回太空，從而起到讓地球降溫的作用。而溫室氣體起到的是讓地球加溫的作用，因此要掌握氣候變化的趨勢，就必須把這兩種東西弄清楚。”李正強講道，“現在在科學上，對于二氧化碳、甲烷這些溫室氣體了解得都比較清楚了，它的總量是多少，把它的總量降低多少氣溫將怎么變化基本上都已經知道。現在我們不知道的是顆粒物，不確定性太大，全球總量多少，時空分布和物理化學性質如何？它反射太陽光的同時是不是也會吸收太陽光，吸收多少太陽光，對溫度的影響如何？這些問題都有待解決。”

美國為了研究氣候變化產生的影響，曾發射過兩顆衛星。一顆叫“OCO”，是二氧化碳觀測衛星；一顆叫“APS”，是觀測氣溶膠的衛星，也叫氣溶膠偏振傳感器。然而這兩次發射都以運載火箭的發射失敗而告終。因此在中國高分計劃啟動前，天上只有一顆法國的“太陽傘”衛星能夠承擔起氣溶膠偏振觀測的任務。2013年中國發射了“高分一號”衛星，后繼還將發射多顆系列衛星，其中一顆與法國的“太陽傘”衛星同屬偏振衛星，承擔著氣溶膠遙感觀測任務。當年還在法國大氣光學實驗室圍繞“太陽傘”做研究工作的李正強，在得知中國也將會發射一顆氣溶膠偏振衛星時，就更加堅定了他回國的想法。

“回國后我便有了用武之地，一回國我就開始接觸相關研究。”與此同時，當時的中科院遙感應用研究所也更名為遙感與數字地球研究所。李正強回國后，便在遙感所籌備起了自己的研究團隊。

年輕團隊走上科學前沿

“遙感”一詞最早出現在上世紀60年代，這門新興技術簡單來講就是非接觸式的從遠處觀測，通常利用光學原理作為觀測手段。隨著1970年中國第一顆人造衛星誕生到2013年4月“高分一號”衛星的成功運行，國內遙感事業一直緊追國際潮流，并在各類遙感觀測中做出了不少獨創性的貢獻。

把遙感技術按照應用領域分類，可以分為資源遙感、農業遙感和大氣遙感等。在大氣遙感的子類中，氣溶膠遙感正隨著環境污染等問題的惡化而顯得愈加重要。對氣溶膠或許多數人會感到一頭霧水，但說起霧霾，大多數人都有切身體會，而霧霾正是一種特殊極端情況下的氣溶膠。

對霧霾的觀測手段目前主要有兩大類：一類是在位觀測，通過對霧霾的實地取樣來進行觀測；另一類就是遙感觀測，利用光學手段進行非接觸式的遠處觀測。在位觀測的方法主要是在霧霾所在地把空氣抽到儀器內或采樣膜上，然后對采集到的顆粒物進行分析。對顆粒物的分析也有不同的角度。例如我們通常關注的PM2.5數據，實際上表示的是每立方米空氣中有多少微克的顆粒物，是顆粒物的質量數據。另外一個角度，是進行化驗分析，可以得出顆粒物構成的結果，例如黑碳、硫酸鹽等。這都屬于在位觀測手段。

“我們的遙感觀測和在位觀測不太一樣，有幾個特點是不可替代的。一個是宏觀，能夠知道全國范圍的霧霾情況，這是遙感本身就具備的特點。還有一個就是遙感可以三維觀測，現在的遙感觀測可以利用激光雷達發射一束激光，空間上不同高度的顆粒物都可以反射回激光，然后根據反射回來的激光脈沖可以知道不同高度上顆粒物的狀況。”李正強說。

通過遙感得到的霧霾垂直分布信息十分重要，李正強舉例說：“我們通過得到的垂直分布信息知道，北京霧霾嚴重的時候氣溶膠經常集中分布在距地面四五百米高度以下的范圍內，如果站在一座像臺北101大廈一樣高的樓頂，也就是大概500米以上的位置，就能呼吸到干凈的空氣。”

除此之外，遙感觀測一個顯著的優點就是不破壞顆粒物的自然存在狀態。在位觀測得到的顆粒物樣本通常都是經過烘干后保存在采樣膜上的，這就使得在分析霧霾成分時會忽略顆粒物中水分的存在。“遙感觀測是通過光和輻射的形式，有時候是通過主動的光，例如發射激光打到顆粒物上來分析；還有就是被動的光，例如通過太陽輻射計接收并分析照到霧霾上的光線。”通過遙感觀測，李正強和他的團隊發現嚴重霧霾時，顆粒物中估計約有1/4到1/3的成分都是水，這也解釋了霧和霾為什么會經常聯手出現。李正強的團隊在做霧霾成分監測的同時，也要進行機理的分析，最后通過機理的分析才能給出一些霧霾治理方面的建議。“例如現在霧霾嚴重的時候就加大灑水車的灑水力度，工地停工禁止揚塵，”通過遙感觀測，李正強對當下霧霾的治理提出了一些科學建議，“我認為其實作用可能不大。因為霧霾里頭本來就有很多水，另外它分布在從地面到大概1公里～2公里高度的范圍，你在近地面的地方灑水，沒什么用處。另外，霧霾的出現主要還是和氣象條件相關，因為冬季經常出現靜穩天氣，空氣不易流通，霧霾堆積就嚴重。工地的灰塵沒有大風它一般也吹不走。所以我們需要更有效的措施。”endprint

雖然李正強和他的團隊在霧霾遙感觀測領域獲得了不少榮譽，但遙感觀測仍然處于發展階段，在霧霾治理的整個業務流程中作用還不十分明顯，目前更多的是為霧霾數據的預報分析等提供一些決策參考。但從長遠看，“遙感觀測有一個非常重要的用途，就是評價。”在2013年出臺的霧霾監測的“國十條”中，有明確的時間表，到2017年，京津冀等區域細顆粒物濃度要下降25%。“怎么檢驗這個結果？怎么確定實現了？這就需要一個比較客觀的檢測手段。現在環境監測站主要是建在城市，還有大片的空白區域覆蓋不到。”李正強講道，“如果國家需要一個統一、宏觀、全面的數據，那衛星監測就是一個可能的手段，將來可以依據衛星監測的結果來評價霧霾治理的情況怎么樣。這還涉及到各個地方的資金補貼，這可能都需要這些宏觀監測的支持。”

當“霧霾”遇到“遙感”

“我們團隊比較年輕化，我還是年齡最大的。”今年剛37歲的李正強研究員說道。李正強曾從理論模擬和反演方法兩方面，明確顯示了偏振觀測可用于改進氣溶膠遙感，被國際同行評價為“為從地面更有效的測量氣溶膠開辟了一條新的道路”以及“對于驗證多角度和偏振衛星的氣溶膠觀測極其重要”。

在2013年1月北京第一次出現大范圍霧霾天氣時，遙感地球所就利用衛星觀測到了霧霾來襲。李正強的團隊意識到事情的嚴重性后，在《遙感學報》上發表了數篇關于霧霾遙感的文章，給不少科研工作者提了醒。

在霧霾的遙感觀測中，國際上普遍使用的是三組分氣溶膠反演法，只能得到硫酸鹽、黑碳等三種成分的結果。李正強發現用這種方法來分析北京測到的數據有很大局限性，并不能滿足他們的需求。“北京有幾個特點，一個是燃煤多，國外較少，對此我們就加入了與之相關的棕色碳這一成分；還有一個就是在春季的時候北京多沙塵，國外模型中也沒有沙塵這種成分。”每加入一種成分都需要做大量的實驗和數據分析工作，當李正強的團隊把這兩種成分加入到原有模型后，就誕生了國際上最先進的模型之一。

今年，李正強的團隊還和美國、法國科學家一同合作，發現了一種亞微米氣溶膠模態是霧和霾之間的一個關鍵點。“這個模態可能是嚴重污染時霧霾形成和轉換的重要中間環節”，李正強講道，“這為我們研究和治理霧霾提供了一條可能途徑。”

在研究工作之余，李正強還多次到中學講課。他會拿一些儀器展示給學生，讓同學們了解造成大氣污染的一些原因，氣溶膠是什么以及如何使用遙感方法進行觀測。談到國內外科普差異時，李正強說：“一般我們國家的科普都是像科協這些組織推動的，這就不一定那么容易找到熱點和學生們的興趣點。我們會制作手持的太陽輻射計給學生看，但國外就會集思廣益，例如手機鏡頭都能感光，通過加裝一個小模塊就能測出來大概的氣溶膠的量有多少，并關聯到空氣質量是怎么樣的，他們也組織中學生興趣小組，連續去測，全世界好多中學都參加，但并不是簡單地說為了培養學生的科學素養，更多的是讓中學生知道這份工作能夠對環境做出貢獻。比如一些偏遠的地方，科學家沒辦法去到那里，但當所有數據都匯聚到數據中心，這時任何人都可以看到。類似這樣的項目就做得挺好。”

如果問像李正強這樣的“遙感”工作者去的最多的地方是哪里，他們的答案中山頂和樓頂一定少不了。地面遙感儀器的觀測不能有遮擋物，這就需要他們經常登高。在遙感所的頂樓就有一個不足20平方米的小屋，這就是李正強和他的團隊經常待的地方。觀測是一項枯燥和極具耐心的工作，李正強和他年輕的團隊卻在霧霾遙感這項尖端、新潮的領域里孜孜不倦地探索著。一項新興技術、一個熱點環境問題、一群年輕人，或許這正是我國遙感技術活力的代表，同時也象征著中國科技未來的希望。endprint