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绿色十年|刘文清:环境监测技术创新可推动我国绿色低碳发展
  • 作者:新京报
  • 发布时间:2022-10-24 18:31:46
  • 484次

通过给大气“拍CT”,就能捕捉到污染物的蛛丝马迹。

环境光学监测就像是给大气做CT扫描,中国工程院院士、中科院安徽光学精密机械研究所学术所长刘文清也被称为“给大气环境做CT的人”。

他率领团队建立了包括400多种大气污染物、100多种水体污染物、20多种土壤重金属污染物的光谱特征数据库,研发了污染物光谱定量解析算法和工程化应用软件,不仅能为大气环境“把脉”,还能“诊断”水体、土壤的污染情况。

环境监测技术为准确、及时、有效地“说清环境质量及变化趋势、说清污染排放状况、说清潜在的环境风险”提供了科学的基础数据。刘文清告诉新京报贝壳财经记者,“环境监测技术是环境管理的基础,是环境执法的标尺。同时,环境监测技术的不断创新可以有力推动我国的绿色低碳发展。”

党的二十大报告提出深入推进环境污染防治,持续深入打好蓝天、碧水、净土保卫战。提升环境基础设施建设水平,推进城乡人居环境整治。

对于未来,刘文清表示,我们的创新方向将集中在推动监测技术的创新、国产仪器的产业化及环境监测技术体系的建立。

中国工程院院士、中科院安徽光学精密机械研究所学术所长刘文清。受访者供图

谈环境监测技术:

环境监测技术是环境管理的基础,是环境执法的标尺

新京报贝壳财经:为什么说环境监测技术是环境管理的基本手段?

刘文清:举个简单例子,影像技术的发展,无论是X射线、CT成像,到MRI成像,还是新兴的分子影像,都极大地推动着基础医学研究和医疗诊断水平的提升。

同样,环境监测技术为准确、及时、有效地“说清环境质量及变化趋势、说清污染排放状况、说清潜在的环境风险”提供了科学的基础数据。所以说,环境监测技术是环境管理的基础,是环境执法的标尺。同时,新的环境监测技术是我国绿色低碳发展的巨大推动力。

新京报贝壳财经:你一直从事环境监测技术研究和应用方面的工作,在你看来,这十年间,环境监测领域有什么改变?有哪些标志性成就?

刘文清:经过十多年的发展,我国环保产业已达到年万亿级规模,形成覆盖水、大气、土壤、固废、环境监测等重点领域的污染治理技术装备体系。

从环境监测技术看,目前自主研发的技术和设备实现了全覆盖,技术水平基本处于与世界水平的并跑阶段。比如自主研发了大气自由基现场监测系统,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监测的国家。

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,自主研发了多种关键性大气污染物的卫星反演算法,成功应用于国家环境管理,标志着星载环境监测技术已经处于国际先进行列。

此外,为助力实现碳达峰、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。

谈大气CT扫描:

助力于大气污染物和气溶胶颗粒物的垂直时空分布监测

新京报贝壳财经:你多次提出,环境光学监测就像是给大气做 CT 扫描,能简单介绍一下大气环境拍 CT 是什么原理吗?如何帮助更好地发现问题、治理问题?

刘文清:地球大气主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳,及比例不到0.04%的痕量气体构成。而痕量气体中,如氮氧化合物、碳氢化合物、硫化物和氯化物。它们参与大气化学循环,在大气中的滞留期为几天至几十年,甚至更长。尽管目前大气主要成分没有发生太大变化,但是由于人类的自然进化和人类活动使得痕量成分变化明显 。这些痕量成分的变化,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。

环境光学就是研究光与环境物质的相互作用的学科,把光学技术应用于环境监测,形成了环境光学监测技术。通俗地讲,大气环境中有各种各样的物质成分,包括污染物,它们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在吸收、散射一定的光波长,形成特征光谱。

实际上就像人的指纹一样,通过一些仪器、设备和一定的计算方法、分析方法就能把它们检测、测量出来,比如说50米、100米,甚至到几公里几十公里,在这个层面上,它的污染物是怎么样分布的,怎么样输送的,就如同给大气做一个CT扫描。

针对大气环境污染三维问题,采用多角度扫描获得不同角度的光谱,建立了污染物层析三维分布探测方法,就像医学CT影像一样,可实时获得污染物随时间-空间分布的变化,实现了大气污染物和气溶胶颗粒物的垂直时空分布监测。

目前包括在卫星平台上对大气环境成分的监测基本上都是采用光谱学技术,由于具有非接触、无采样、高灵敏度、大范围快速监测等特点,是国际上环境监测技术的主要发展方向之一。

新京报贝壳财经:当前,我国光学环境监测技术的发展还有哪些“短板”待突破?

刘文清:目前环境监测自主研发的技术和设备实现了全覆盖,技术水平基本处于与世界水平的并跑阶段。但是高档环境监测装备创新能力还需要加强。

一是要解决环境监测装备的“空芯化”问题,主要是关键核心部件依赖进口,比如高重频全固态激光器、高分辨傅里叶光谱仪、超高灵敏微电流检测计等。

二是要解决环境监测装备的“可靠性”问题。可靠性有可能成为技术创新的一个严重障碍,制约了我国环境装备产业发展。

所以,我们希望以技术创新和关键技术的突破为基础,进一步解决高技术成果到实用化产品之间存在的工程技术问题。研发大气活性物质、工业园区挥发性有机物、生态气象要素、生物气溶胶等高灵敏监测技术装备,满足国家环境监测新需求。

中国工程院院士、中科院安徽光学精密机械研究所学术所长刘文清。受访者供图

谈机遇与挑战:

继续推动相关技术快速进步,牢牢把住我国温室气体的数据安全大门

新京报贝壳财经:环境光学监测对“碳达峰、碳中和” 起到什么作用?

刘文清:从大气环境来看,无论是污染性气体还是温室气体,都是构成地球大气的不同成分。所以,大气环境污染气体和温室气体同根同源,温室气体减排和大气污染治理措施具有显著的协同性。

而我们现在的温室气体总量是根据排放因子和模型计算出来的,有很大的不确定性。需要对排放源的实际监测、地面监测站监测、航空飞机监测,以及碳卫星监测以形成不同尺度和不同层面的天地一体化的温室气体核算网络,并将浓度监测结果与数值模型结合,反推全球不同区域的碳源/碳汇。

另外,还需要验证减排措施是否真有效果?对结果审查时需要提供哪些数据?目前碳监测还存在缺乏立体监测技术、垂直监测能力不足,动态、精细、不同背景下的碳监测能力不足等缺陷。尽管污染气体和温室气体同根同源,但由于所处的光谱波段不同,其监测技术和手段也大不相同。

新京报贝壳财经:“双碳”目标下环境光学监测发展机遇与挑战是什么?有哪些新需求?

刘文清:“双碳”目标为环境光学监测发展带来了新的机遇和挑战。一方面,鉴于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,我们在部署“双碳”重大战略目标时,仍然需要继续推动我们国家全自主国产化的温室气体总量观测技术的快速进步,如傅里叶光谱地基遥感装备,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。

新京报贝壳财经:你两次承担了奥运会环境监测的任务,在你来看,从夏奥到冬奥,我国空气有什么改善?环境监测和之前相比, 技术上有什么突破?

刘文清:2008年奥运,当时国内的大气污染还是较为严重,到了2022年冬奥会,空气质量已经有了很大的改善。

和以往的监测相比,我们现在的技术手段更全面,监测精度更高,在获取了一系列的排放、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的识别和动态监控提供更多的支撑。

谈发展与期望:

将重点构建碳中和与生态环境协同的新一代污染防治技术体系

新京报贝壳财经:对未来环境光学监测的发展有什么期望?

刘文清:当前,大气环境监测呈现跨介质、全尺度、高精度等趋势,研究尺度向更广更深入延展,解决全球问题与区域治理关联;学科交叉融合明显,技术装备呈智能化发展。

从目前我国生态环境监测发展的现状来看,与发达国家还存在一定差距。一方面,要充分借鉴吸纳国外生态环境监测发展经验;另一方面,由于国情不同、环境状况与阶段不同、外部环境不同,不能照搬照抄西方经验,必须走出一条有中国特色的监测改革发展新路子。这方面我们还有较长的路要走。

未来,我们的创新方向将集中在推动监测技术的创新、国产仪器的产业化及环境监测技术体系的建立。

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。

同时,作为科研工作者,我也希望我们的年轻人能以研究重大问题、服务国家和社会作为最高目标,继续攻克难关,在一些关键技术领域突破发达国家对我国的“卡脖子”问题,开发出更多具有自主知识产权、更加先进的光学监测技术和设备。

新京报贝壳财经:下一步重点工作是什么?

刘文清:一方面是围绕我国的大气污染协同控制治理展开。我们知道,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,所以我们的大气污染防控工作还面临着很多挑战。比如,现在主要城市群颗粒物中二次成分的占比不断上升;与此同时,全国大气臭氧浓度不断增加,个别城市开始出现臭氧引起的污染现象。因此,接下来监测的重点和难点是如何有效控制PM2.5和臭氧浓度,以及最重要的相关前体物:VOCs、NOx、CO、SO、NH3。我们希望能尽快发射星载臭氧探测激光雷达,这方面我们在国际上是领先的。

另一方面,“双碳”目标下,我们会重点发展温室气体浓度、生态通量、碳柱及廓线监测等技术装备,建立性能评估技术校验体系,构建碳中和与生态环境协同的新一代污染防治技术体系,支撑国家和地方降碳减污协同控制。

新京报贝壳财经记者 赵方园 编辑 陈莉 校对 卢茜



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