劉文清：為大氣環境“精準把脈”

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

40多年來，劉文清瞄準環境科技前沿趨勢和環境問題重大需求，通過一系列環境光學監測技術創新，帶領科研團隊構建了我國大氣環境綜合立體監測技術體系；研發的一系列先進環境監測設備，為環保和氣象部門開展大氣細顆粒物、臭氧和揮發性有機物監測，提供了技術設備支撐；突破了天空地一體化多源異構監測數據的人工智能融合技術。

海外游學 開拓環境光學研究領域

1954年，劉文清出生于安徽蚌埠的一個普通家庭。高中畢業后，他先是在一家小型國企當了五年鉗工，后來經過不懈努力考入中國科學技術大學物理系，通過三年系統學習，對科學研究有了初步的了解，并在國家需求、教學氛圍熏陶下，立志成為一名科學家，為國家科技發展貢獻一份力量。

大學畢業后，劉文清被分配到中國科學院安徽光學精密機械研究所（以下簡稱“安光所”）。為了更好地了解國際前沿科研進展，他苦學英語，勤讀文獻。夏天，安光所所在的董鋪島蚊蠅泛濫，劉文清就買了一雙長靴套住雙腳和小腿，躲進蚊帳將幾冊英語書背得滾瓜爛熟，還以借工資分期付款的方式買來錄音機練習口語。英語能力的提高，使他順利拿到了出國留學的通行證。

從20世紀80年代中期，劉文清開始了四處游學的生涯：1986年至1989年，在意大利米蘭工業大學、日本國立公害研究所進修；1993年至1995年，在希臘克里特大學獲得博士學位；1996年至1998年，又在日本千葉大學環境遙感中心做博士后研究。隨著眼界、知識和見解的逐步提升，劉文清愈發清醒地意識到，當時中國與發達國家在技術水平和經濟實力上存在巨大差距。

1998年，學有所成的劉文清回到安光所，牽頭成立環境光學監測研究室，帶領團隊開拓我國環境光學研究的新領域；并在第二年獲得20萬元啟動經費支持，用于研制監測二氧化硫濃度的空氣監測儀。

此后大半年，環境光學監測研究室的燈光經常通宵亮著，從畫圖紙到一個個螺絲釘、接口焊接，都需要研究人員親力親為。劉文清將研究團隊分成兩個小組，一組研發電路板，一組攻克軟件算法。在他的指導下，電路設計圖不斷精簡優化，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紙的一半大小；算法小組攻破點式環境空氣二氧化硫監測儀的反演算法，并通過循環驗證，達到較為滿意的效果。

經過不斷試驗、失敗、再試驗，科研團隊終于在2000年春天制造出中國第一臺點式環境空氣二氧化硫監測儀。以此為開端，劉文清帶領環境光學監測研究團隊，針對國家需求又研發了多款監測設備，并逐步投入實際應用。

其時，恰逢兩院院士組成的“先進環保技術領域專題組”向國家提交《先進環保技術咨詢報告》，報告對劉文清團隊的中國環境監測技術給予了高度評價，并建議將部分項目列入國家重點發展計劃。就此，劉文清團隊逐步發展了可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）、光散射等一系列環境光學測量技術，實現對大氣環境一次、二次污染物的快速、立體、在線監測，并拓展到水體藻類、有機物和土壤重金屬等指標的高精度在線測量，構建起以空氣環境、水質、污染源為監測主體的國家環境監測網絡。

兩度北上 承擔奧運大氣監測任務

劉文清多次提到，環境光學監測就像是“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%的痕量氣體構成。其中，痕量成分變化以及其引發的大氣化學過程和物理特性的變化，會引起空氣質量和氣候的變化。環境光學監測技術，就是利用光學技術進行環境痕量氣體監測的技術。具體地講，大氣環境中的各種物質成分，都有自己的特征吸收光譜，一束光打出去或者利用太陽散射光，各種各樣的環境組分或者污染物會吸收、散射一定的光波長，形成特征光譜。

“就像人的指紋一樣，通過儀器、設備和計算、分析，就能把它們檢測、測量出來。”劉文清說，“比如在50米、100米甚至幾公里、幾十公里的層面上，可以發現污染物是怎樣分布、怎樣輸送的，如同給大氣做了一個CT掃描。”

劉文清在環境光學監測領域取得的成績，很快引起國家重視。2008年，北京欲燃奧運圣火，劉文清接到通知，率領環境光學監測團隊承擔起奧運會大氣監測任務。

在劉文清的帶領下，安光所作為參與“北京及周邊地區奧運大氣環境監測和預警聯合行動計劃”項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及周邊污染輸送通道的京津冀大氣環境立體綜合監測網，為奧運會期間空氣污染預警和減排措施制定提供了強有力的數據支撐。劉文清也因此獲得奧運會科技貢獻獎，其成果獲得奧運科技成果獎。

14年后，當第二十四屆冬奧會在北京舉行，劉文清科研團隊再次被選中，依托經過特殊改裝的監測車日夜走航監測賽場。這一次，他們已經底氣十足：經過十多年的磨礪創新，團隊攜帶的設備更科學、更先進，而且全部具有自主知識產權；技術手段也更全面，監測精度更高；監測所得的數據也更及時、高效、權威。

“2008年北京奧運期間，國內的大氣污染還比較嚴重；到2022年冬奧會，空氣質量已經有了很大改善。”劉文清說，“獲取一系列排放、氣象、化學綜合數據后，我們可以將高分辨率高精度地基和衛星聯合遙感手段結合起來，進行多技術的交叉印證，為更準確地實現重點排放源識別和動態監控提供更多支撐。”

此外，劉文清科研團隊還先后為上海世博會、南京青奧會、廣州亞運會、北京九三閱兵式、G20杭州峰會、金磚國家領導人會議等一系列國際盛會保駕護航，提供大氣環境質量監測保障。

攻堅克難 始終做國家最需要的事

2018年5月，中國第一顆高光譜綜合觀測衛星——高分五號在太原基地發射升空，順利進入軌道。得到這個消息，作為衛星環境載荷的總設計師，劉文清長長地舒了一口氣，他夢想中的中國環境光學監測天、地、空一體化體系終于建成。

高分五號衛星搭載了我國第一顆大氣痕量氣體觀測載荷—大氣痕量氣體差分吸收光譜儀和高光譜觀測衛星（高分五號02星）。回想研發之初，劉文清團隊面對的是各種接踵而至的問題：技術封鎖、芯片斷供、接口不穩定、科研人員不足……但劉文清清楚，國之重器不能依靠進口，必須為高分五號提供自主儀器設備。為此，他帶領團隊通宵達旦查資料、磨技術，直至順利完成項目交付。

高分五號衛星的升空，使我國首次具備了獲取全球污染氣體分布數據的能力，不僅增強了我國在大氣污染控制決策方面的技術支持，也為我國在全球環境外交領域提供了堅實的數據支撐。從此，我國開啟了大氣環境的精準“把脈”時代。

2022年發射升空的大氣環境監測衛星（又稱“大氣一號”），繼續搭載了安光所經過改進的大氣痕量氣體觀測載荷。該設備利用光譜持續遙感成像的原理，提供全球大氣污染的分布特征和時間序列的變化。系列衛星上的被動遙感觀測，最大成像幅寬達到2600公里，能保證每日一次的巡查，可以清晰地、動態地掌握全球污染信息。

當前，人工智能無疑是最熱門的領域之一。劉文清以開放的心態和積極的行動不斷探索利用人工智能技術突破傳統大氣環境監測的瓶頸。高光譜衛星遙感受云層遮蔽等因素的影響，難免出現數據缺失，造成監測“盲區”。劉文清帶領團隊，以衛星遙感觀測為基礎，結合氣象因素、地理信息等多信息源，通過人工智能模型學習衛星監測數據的時空分布特征，實現對缺失數據的填補，重建了全球全覆蓋的污染氣體監測數據；針對高光譜衛星受過境時間影響每天僅能觀測1次的瓶頸，通過衛星光譜分析與人工智能模型相結合，獲得了包括夜間在內的全天24小時監測。同時，通過天空地一體化多源異構監測數據融合技術，實現了城市大氣污染物的百米級空間分辨率、小時級時間分辨率的重構，助力設施級尺度的大氣污染精準溯源。

新冠肺炎疫情爆發后，劉文清更是率團隊一路“逆行”，到達已經封城的武漢。為改裝適合疫區的大氣環境立體探測試驗車，劉文清團隊緊急調試設備，使一臺小小的實驗車，配備了自主研發的氣溶膠和臭氧層探測激光雷達、高分辨便攜式質子轉移反應質譜儀、氣溶膠可粒徑譜儀等七套大氣環境立體探測設備，不僅實現了從近地面到5000米高度大氣氣溶膠和臭氧的實時探測，而且完成了230余種揮發性有機物的秒級快速監測。其中，測量揮發性有機污染物的儀器PTR-MS，只要人呼吸一下，就可以把呼吸氣體成分分析出來。

在劉文清帶領下，這支大氣環境立體探測實驗隊每日在定點醫院、方艙醫院、隔離點、社區開展走航觀測實驗，捕捉大氣環境差異，判斷污染物的變化，獲取第一手大氣環境要素時空分布數據，為病毒傳播風險評估、環境影響因素分析提供科學依據。

通過實時監測，劉文清團隊初步掌握了武漢重點場所周邊空氣中的氣溶膠、消毒劑揮發氣體時空分布特征，有效評估了武漢整體環境空氣質量狀況，為判斷和評估病毒在空氣中通過氣溶膠傳播引起的暴露風險、大氣環境質量與病毒之間的響應關系、消毒效果評價與副作用控制提供了科學數據。

這些研究成果，對于評估重點場所周邊的環境風險，實施更合理的消毒措施，分析經濟活動對環境空氣質量的影響，都有一定的借鑒作用。

面向未來 環境監測助力雙碳發展

低碳綠色作為我國未來經濟的主要發展方向，開展碳達峰、碳中和勢在必行。

劉文清認為，監測技術是達成“雙碳”目標的重要技術支撐；與此同時，“雙碳”目標也為環境光學監測發展帶來新的機遇和挑戰。一方面，我國目前在全球溫室氣體監測體系中還處于弱勢地位，監測數據經常被國外質疑不準確或低估排放，因此在部署“雙碳”戰略目標時，仍需繼續推動國家全自主國產化的溫室氣體總量觀測技術快速進步，牢牢把住我國溫室氣體的數據安全大門；另一方面，需要開展深度國際合作，通過加入全球總碳柱觀測網來提升我國溫室氣體監測結果和區域碳排放監測數據的公信力。

“未來，我們的創新方向將集中于推動監測技術的創新、國產儀器的產業化、環境監測技術體系的建立以及天空地一體化監測數據的人工智能融合與解析。”劉文清說，在局域微觀精細化監測方面，大力發展基于物聯網應用的大氣環境監測傳感器，實現污染源監測網絡化；在宏觀區域監測方面，創新地基遙感監測手段，獲取更多的大氣成分和氣象參數，突破衛星和機載高光譜分辨率大氣遙感關鍵技術，提升重污染天氣下的觀測能力（排放源辨識和區域傳輸直接觀測），實現大氣環境的立體化、智能化綜合關聯監測，推動人工智能與大數據技術在大氣環境監測和精細化污染防治等方面的應用。

“作為科研工作者，要有科學家的社會責任，以研究重大問題、服務國家和社會作為最高目標。”劉文清說，“面對雙碳目標，環境監測工程科學有很多的路要走，國家環境監測技術發展需要我們做的事情還有很多。”