杜可：用“第三只眼”看城市

本刊記者 王 翩

杜可：用“第三只眼”看城市

本刊記者 王 翩

《2012》，一部描述“世界末日”的科幻片講述了環境變化中城市的脆弱。在全球氣候變暖的背景下，一場暴雨可以使一座現代化的城市全面癱瘓，復雜的異常氣候容易導致流行疾病的快速傳播，

今年初，中國人民大學與公眾環境研究中心聯合發布了2010年度30個中外城市空氣質量信息公開評價報告，20個大陸城市無一及格。中國城市雖均開展一定的空氣質量信息發布，但仍處于初級水平。大氣是會流動的，如何準確的監測到“流動的大氣”，成為治理大氣污染的關鍵所在。

中國科學院城市環境研究所的杜可研究員和他帶領的“環境光學與大氣環境監測”創新團隊正在這一領域大展拳腳，這個年輕的團隊希望借助“第三只眼”，準確地監測到大氣中的污染物，為環保部門制定有關政策提供依據。

海歸博士的“環保”之路

杜可，1998年畢業于清華大學，獲環境工程專業學士學位。后免試推薦至北京大學攻讀碩士研究生，2001年獲大氣環境理學碩士學位。2007年畢業于美國伊利諾伊大學香檳分校，獲環境工程專業空氣質量工程方向博士學位。之后作為大氣質量專家在休斯敦為多家石油及化工企業提供環保技術與管理咨詢服務。

2002年至2005年，杜可獨立承擔美國國防部“煙羽不透光度研究”項目，并發明了“Digital Optical Method”(DOM)應用數字相機觀測可見顆粒物煙羽的不透光度。該方法創造性地應用數字攝像技術結合大氣輻射傳輸的基本原理，克服了已有各種方法的局限，使對可見煙羽的不透光度觀測更加客觀、經濟、和靈活，具有在全美工業點源監測工作中推廣的潛力。該方法于2009年獲得美國國家發明專利授權。2006年美國國家環保局空氣質量規劃與標準辦公室在其頒布的一份備忘錄中指出，在全美推廣數字攝像方法來監測工業排放源排放的煙羽不透光度能夠給美國帶來每年至少2億美元的開支節省。為此，美國測試與材料協會（ASTM）專門成立由來自政府，大學，企業等部門的專家組成的專家組做此方法的標準化工作，杜可博士作為專家組最初的五名成員之一，為標準方法的建立提供了技術支持并起草了最初版本的標準方法。在隨后的3年中，來自工業界，學術界，和政府部門的專家加入進來，擴大至二十多人，經過不斷完善補充，該標準方法最終在2009年作為ASTM的標準方法發表。美國國家環保局空氣監測與質量司前任長官Tom Logan評價“杜博士的煙羽不透光度數字攝像監測法在實施成本和準確性方面都達到了替代USEPA標準方法（Method 9）的要求…該方法在美國國家科學院和政府財政辦公室的報告中被強烈推薦……我深信，杜博士在顆粒物排放測定方面的研究，帶來的是新一代的，能適用各樣復雜環境條件的，高效且低成本的方法和技術……”。2011年4月，美國國家環保局正式公布，將數字攝像觀測煙羽不透光度的方法作為原標準方法的一種替代方法應用于全美工業源排放達標情況監測。

2005年至2009年，杜可在美國國防部、能源部、國家環保署共同主持的戰略環境研究與發展計劃（SERDP）項目的支持下開發了應用激光遙感技術觀測顆粒物煙羽質量分布及對排放通量進行原位實時觀測的方法。軍事訓練活動造成的顆粒物排放問題一直困擾全美各軍事基地。為了達到“像實戰一樣訓練”的目標同時又有效控制對周邊地區的污染需要深入了解該類活動造成的污染排放情況。在這一需求導向下，杜可博士首創垂直掃描式激光雷達觀測無組織顆粒物排放通量技術。該項技術被應用到位于美國亞利桑那州、華盛頓州、科羅拉多州等地的美軍基地進行現場觀測武裝直升機、火炮和裝甲戰車產生的無組織顆粒物排放，并定量排放因子。其結果可以應用于模擬軍事基地排放對周邊造成污染情況，為評價污染控制措施的有效性，制定合理的環保規范提供了基礎數據。該項研究的成果以系列論文的形式發表在2011年ES&T上，該期刊把這項研究作為當期的特色文章在其網站上加以推介。由于在該項目中的突出貢獻，杜可博士及其所在團隊被授予美國國防部陸軍總署頒發的研發團隊獎。

找到監測污染物的“第三只眼”

由于大氣污染物的濃度和分布是隨時間、空間和氣象、水文條件及污染源排放情況等因素的變化不斷改變的，因此需要及時獲得污染物在環境中的動態變化信息，從而正確評價污染狀況，并為研究污染物擴散、遷移和轉化規律提供依據。為實現這一目的，傳統的布點監測方式已不能滿足需要，必須發展能夠在大時空尺度進行多維度連續自動監測的新技術。

“國外的城市環保已經做的不錯了，國內的城市建設更需要我的技術，我的事業也需要更廣闊的平臺”，2009年底，杜可博士帶著他在國外學習多年的理論和實踐成果，作為海外引進人才加入中國科學院城市環境研究所，同時組建“環境光學與大氣環境監測”創新團隊并擔任負責人，繼續開展應用數字攝像技術及光學遙感技術觀測大氣顆粒物光學特性的研究。新技術的運用，使他在觀測城市環境污染中找到了“第三只眼”。

回國以后，國家給予了杜可比國外更廣闊的施展平臺并賦予了他更多更重的科研任務。在短短的一年間，杜可博士先后獲得國家自然科學基金項目、環保部公益科研專項、中科院知識創新工程重要方向項目、福建省重點項目、福建省杰青項目、廈門市杰青項目等項目的支持。梅花香自苦寒來。杜可博士的研究取得了豐碩的成果，已有兩項發明專利被受理，并投稿多篇國際期刊和會議論文。

光學遙感讓城市環境監測“細致入微”

遙感技術是20世紀60年代興起的一種探測技術，是根據電磁波的理論，應用各種傳感儀器對遠距離目標所輻射和反射的電磁波信息，進行收集、處理，并最后成像，從而對地面各種景物進行探測和識別的一種綜合技術。遙感信息技術的應用帶來了環境信息獲取和處理方法的一場革命，重新定義了環境保護的研究范圍、內容和方法，顛覆了傳統的環保概念。如今，遙感技術已然成為環保領域的一支“生力軍”。

據杜可博士介紹，遙感技術不僅具有速度快、成本低、監測范圍廣等特點,其還能進行長期的動態監測,此外,遙感技術還能將有時用常規方法難以揭示的污染源及其擴散的狀態發現出來。

“遙感技術最突出的功能就是不需要采樣就可以直接進行區域性的跟蹤測量,快速定點定位污染源,核定污染范圍、以及污染物在大氣中的分布、擴散等,從而獲得比較全面的信息。”提起遙感技術，杜可博士滔滔不絕。“遙感監測技術按工作平臺類型可分為地基遙感、機載和衛星遙感；按工作波段可分為紫外、可見、紅外、微波遙感；按光譜特征可分為多光譜遙感和激光遙感；按電磁波來源又可分成主動遙感和被動遙感……”

城市大氣污染的遙感監測主要是通過遙感手段調查產生大氣污染的污染源的分布、污染源周圍的擴散條件、污染物的擴散影響范圍等。其觀測原理是根據光與污染物的相互作用，直接或間接地獲取污染物濃度與分布信息。因此，通過遙感監測結果可對城市污染源及其擴散影響、污染程度等進行分析研究。此外，對城市大氣的監測要結合環境監測站點的資料進行分析，以獲取定量化的大氣污染指標。利用地物的波譜測試數據、彩色紅外遙感圖像及少量常規大氣監測數據，可獲取關于城市大氣環境質量的基本數據，并建立城市大氣污染的評價模型。

環境光學技術檢測汽車尾氣

近年來我國汽車產業快速增長，一方面促進了經濟的快速發展，同時也帶來了嚴重的空氣污染。環保部有關官員曾表示，機動車排放是部分大中城市大氣污染的主要來源，因此，嚴格控制機動車排放量是治理大氣污染的關鍵。“利用環境光學技術可以監測機動車尾氣中黑碳的含量”，杜可博士表示，這正是他們所從事的研究在實際生活中的具體運用。

環境光學監測技術的原理是利用尾氣中污染物對光的吸收或散射進行分析，從而監測出各項污染物的濃度。據了解，現有的機動車尾氣檢測普遍采用“年檢”方法，并不能完全真實反映車輛在線的排放狀況。杜可博士希望，通過環境光學技術監測尾氣中黑碳的含量，可以幫助有關部門制定機動車尾氣排放標準起到參考作用。