一場與霧霾的空戰(zhàn)

董理

結(jié)緣氣溶膠遙感

2008年初春，法國大氣光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)代表團(tuán)來到了美國NASA戈達(dá)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(dāng)代表團(tuán)中的一名中國科學(xué)家把來訪卡夾在胸前時(shí)，他發(fā)現(xiàn)唯獨(dú)他的卡是紅色的，其余人的都是藍(lán)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(xué)家就是現(xiàn)在中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所的研究員李正強(qiáng)博士。

“當(dāng)時(shí)心里就覺得怪怪的，挺不舒服，他們其他人都是綠色的、藍(lán)色的牌子，我走到哪兒都特別引人矚目，意思就是說這個(gè)人還是有些東西不能讓他看。雖然是和法國代表團(tuán)一起來的，但還是屬于受限制人員。科學(xué)無國界，科學(xué)家還是有國籍的。這個(gè)事情和在美國工作的同事聊，也有這個(gè)情況。我們叫做‘玻璃天花板，職業(yè)發(fā)展到一定程度就會(huì)觸到一層看不見的頂板?！崩钫龔?qiáng)談起那次美國之行，當(dāng)時(shí)的情景如今還歷歷在目。

2004年李正強(qiáng)在獲得光學(xué)博士學(xué)位后受法國國家太空研究中心的資助前往里爾大學(xué)大氣光學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士后研究，并任研究助教和助理研究員?！澳菚r(shí)法國的大氣光學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)射了一顆‘太陽傘衛(wèi)星，這個(gè)衛(wèi)星是世界上測量氣溶膠能力最強(qiáng)的衛(wèi)星，大氣光學(xué)實(shí)驗(yàn)室圍繞這個(gè)衛(wèi)星做了很多工作，我覺得這個(gè)事情很有意思。”也就是那時(shí)起，李正強(qiáng)與氣溶膠遙感正式結(jié)緣。

2009年我國“高分辨率對地觀測重大專項(xiàng)”籌備工作進(jìn)入緊鑼密鼓的階段，也就是在那時(shí)，李正強(qiáng)入選了中科院“百人計(jì)劃”，并于當(dāng)年年底回國。

當(dāng)今氣溶膠研究在全球科學(xué)界屬于前沿性領(lǐng)域，各國都十分關(guān)注?！霸趪庋芯繗馊苣z和顆粒物主要是為了研究氣候變化，氣候變化有兩大驅(qū)動(dòng)力：一個(gè)是溫室氣體——二氧化碳、甲烷等；還有一個(gè)就是大氣顆粒物，它是構(gòu)成氣溶膠的一種基本物質(zhì)。當(dāng)太陽光照射到這些顆粒物上時(shí)會(huì)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(qiáng)講道，“現(xiàn)在在科學(xué)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(jīng)知道。現(xiàn)在我們不知道的是顆粒物，不確定性太大，全球總量多少，時(shí)空分布和物理化學(xué)性質(zhì)如何？它反射太陽光的同時(shí)是不是也會(huì)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(chǎn)生的影響，曾發(fā)射過兩顆衛(wèi)星。一顆叫“OCO”，是二氧化碳觀測衛(wèi)星；一顆叫“APS”，是觀測氣溶膠的衛(wèi)星，也叫氣溶膠偏振傳感器。然而這兩次發(fā)射都以運(yùn)載火箭的發(fā)射失敗而告終。因此在中國高分計(jì)劃啟動(dòng)前，天上只有一顆法國的“太陽傘”衛(wèi)星能夠承擔(dān)起氣溶膠偏振觀測的任務(wù)。2013年中國發(fā)射了“高分一號”衛(wèi)星，后繼還將發(fā)射多顆系列衛(wèi)星，其中一顆與法國的“太陽傘”衛(wèi)星同屬偏振衛(wèi)星，承擔(dān)著氣溶膠遙感觀測任務(wù)。當(dāng)年還在法國大氣光學(xué)實(shí)驗(yàn)室圍繞“太陽傘”做研究工作的李正強(qiáng)，在得知中國也將會(huì)發(fā)射一顆氣溶膠偏振衛(wèi)星時(shí)，就更加堅(jiān)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(guān)研究。”與此同時(shí)，當(dāng)時(shí)的中科院遙感應(yīng)用研究所也更名為遙感與數(shù)字地球研究所。李正強(qiáng)回國后，便在遙感所籌備起了自己的研究團(tuán)隊(duì)。

年輕團(tuán)隊(duì)走上科學(xué)前沿

“遙感”一詞最早出現(xiàn)在上世紀(jì)60年代，這門新興技術(shù)簡單來講就是非接觸式的從遠(yuǎn)處觀測，通常利用光學(xué)原理作為觀測手段。隨著1970年中國第一顆人造衛(wèi)星誕生到2013年4月“高分一號”衛(wèi)星的成功運(yùn)行，國內(nèi)遙感事業(yè)一直緊追國際潮流，并在各類遙感觀測中做出了不少獨(dú)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。

把遙感技術(shù)按照應(yīng)用領(lǐng)域分類，可以分為資源遙感、農(nóng)業(yè)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(huán)境污染等問題的惡化而顯得愈加重要。對氣溶膠或許多數(shù)人會(huì)感到一頭霧水，但說起霧霾，大多數(shù)人都有切身體會(huì)，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(shí)地取樣來進(jìn)行觀測；另一類就是遙感觀測，利用光學(xué)手段進(jìn)行非接觸式的遠(yuǎn)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(nèi)或采樣膜上，然后對采集到的顆粒物進(jìn)行分析。對顆粒物的分析也有不同的角度。例如我們通常關(guān)注的PM2.5數(shù)據(jù)，實(shí)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(zhì)量數(shù)據(jù)。另外一個(gè)角度，是進(jìn)行化驗(yàn)分析，可以得出顆粒物構(gòu)成的結(jié)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(gè)特點(diǎn)是不可替代的。一個(gè)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(diǎn)。還有一個(gè)就是遙感可以三維觀測，現(xiàn)在的遙感觀測可以利用激光雷達(dá)發(fā)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(jù)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(qiáng)說。

通過遙感得到的霧霾垂直分布信息十分重要，李正強(qiáng)舉例說：“我們通過得到的垂直分布信息知道，北京霧霾嚴(yán)重的時(shí)候氣溶膠經(jīng)常集中分布在距地面四五百米高度以下的范圍內(nèi)，如果站在一座像臺(tái)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?！?/p>

除此之外，遙感觀測一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)就是不破壞顆粒物的自然存在狀態(tài)。在位觀測得到的顆粒物樣本通常都是經(jīng)過烘干后保存在采樣膜上的，這就使得在分析霧霾成分時(shí)會(huì)忽略顆粒物中水分的存在?！斑b感觀測是通過光和輻射的形式，有時(shí)候是通過主動(dòng)的光，例如發(fā)射激光打到顆粒物上來分析；還有就是被動(dòng)的光，例如通過太陽輻射計(jì)接收并分析照到霧霾上的光線。”通過遙感觀測，李正強(qiáng)和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重霧霾時(shí)，顆粒物中估計(jì)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(huì)經(jīng)常聯(lián)手出現(xiàn)。李正強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)在做霧霾成分監(jiān)測的同時(shí)，也要進(jìn)行機(jī)理的分析，最后通過機(jī)理的分析才能給出一些霧霾治理方面的建議?！袄绗F(xiàn)在霧霾嚴(yán)重的時(shí)候就加大灑水車的灑水力度，工地停工禁止揚(yáng)塵，”通過遙感觀測，李正強(qiáng)對當(dāng)下霧霾的治理提出了一些科學(xué)建議，“我認(rèn)為其實(shí)作用可能不大。因?yàn)殪F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(xiàn)主要還是和氣象條件相關(guān)，因?yàn)槎窘?jīng)常出現(xiàn)靜穩(wěn)天氣，空氣不易流通，霧霾堆積就嚴(yán)重。工地的灰塵沒有大風(fēng)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(qiáng)和他的團(tuán)隊(duì)在霧霾遙感觀測領(lǐng)域獲得了不少榮譽(yù)，但遙感觀測仍然處于發(fā)展階段，在霧霾治理的整個(gè)業(yè)務(wù)流程中作用還不十分明顯，目前更多的是為霧霾數(shù)據(jù)的預(yù)報(bào)分析等提供一些決策參考。但從長遠(yuǎn)看，“遙感觀測有一個(gè)非常重要的用途，就是評價(jià)?！痹?013年出臺(tái)的霧霾監(jiān)測的“國十條”中，有明確的時(shí)間表，到2017年，京津冀等區(qū)域細(xì)顆粒物濃度要下降25%。“怎么檢驗(yàn)這個(gè)結(jié)果？怎么確定實(shí)現(xiàn)了？這就需要一個(gè)比較客觀的檢測手段?，F(xiàn)在環(huán)境監(jiān)測站主要是建在城市，還有大片的空白區(qū)域覆蓋不到?！崩钫龔?qiáng)講道，“如果國家需要一個(gè)統(tǒng)一、宏觀、全面的數(shù)據(jù)，那衛(wèi)星監(jiān)測就是一個(gè)可能的手段，將來可以依據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測的結(jié)果來評價(jià)霧霾治理的情況怎么樣。這還涉及到各個(gè)地方的資金補(bǔ)貼，這可能都需要這些宏觀監(jiān)測的支持。”

當(dāng)“霧霾”遇到“遙感”

“我們團(tuán)隊(duì)比較年輕化，我還是年齡最大的。”今年剛37歲的李正強(qiáng)研究員說道。李正強(qiáng)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(jìn)氣溶膠遙感，被國際同行評價(jià)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(yàn)證多角度和偏振衛(wèi)星的氣溶膠觀測極其重要”。

在2013年1月北京第一次出現(xiàn)大范圍霧霾天氣時(shí)，遙感地球所就利用衛(wèi)星觀測到了霧霾來襲。李正強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)意識(shí)到事情的嚴(yán)重性后，在《遙感學(xué)報(bào)》上發(fā)表了數(shù)篇關(guān)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(jié)果。李正強(qiáng)發(fā)現(xiàn)用這種方法來分析北京測到的數(shù)據(jù)有很大局限性，并不能滿足他們的需求?！氨本┯袔讉€(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是燃煤多，國外較少，對此我們就加入了與之相關(guān)的棕色碳這一成分；還有一個(gè)就是在春季的時(shí)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(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析工作，當(dāng)李正強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)把這兩種成分加入到原有模型后，就誕生了國際上最先進(jìn)的模型之一。

今年，李正強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)還和美國、法國科學(xué)家一同合作，發(fā)現(xiàn)了一種亞微米氣溶膠模態(tài)是霧和霾之間的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)?！斑@個(gè)模態(tài)可能是嚴(yán)重污染時(shí)霧霾形成和轉(zhuǎn)換的重要中間環(huán)節(jié)”，李正強(qiáng)講道，“這為我們研究和治理霧霾提供了一條可能途徑?！?/p>

在研究工作之余，李正強(qiáng)還多次到中學(xué)講課。他會(huì)拿一些儀器展示給學(xué)生，讓同學(xué)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(jìn)行觀測。談到國內(nèi)外科普差異時(shí)，李正強(qiáng)說：“一般我們國家的科普都是像科協(xié)這些組織推動(dòng)的，這就不一定那么容易找到熱點(diǎn)和學(xué)生們的興趣點(diǎn)。我們會(huì)制作手持的太陽輻射計(jì)給學(xué)生看，但國外就會(huì)集思廣益，例如手機(jī)鏡頭都能感光，通過加裝一個(gè)小模塊就能測出來大概的氣溶膠的量有多少，并關(guān)聯(lián)到空氣質(zhì)量是怎么樣的，他們也組織中學(xué)生興趣小組，連續(xù)去測，全世界好多中學(xué)都參加，但并不是簡單地說為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，更多的是讓中學(xué)生知道這份工作能夠?qū)Νh(huán)境做出貢獻(xiàn)。比如一些偏遠(yuǎn)的地方，科學(xué)家沒辦法去到那里，但當(dāng)所有數(shù)據(jù)都匯聚到數(shù)據(jù)中心，這時(shí)任何人都可以看到。類似這樣的項(xiàng)目就做得挺好。”

如果問像李正強(qiáng)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(jīng)常登高。在遙感所的頂樓就有一個(gè)不足20平方米的小屋，這就是李正強(qiáng)和他的團(tuán)隊(duì)經(jīng)常待的地方。觀測是一項(xiàng)枯燥和極具耐心的工作，李正強(qiáng)和他年輕的團(tuán)隊(duì)卻在霧霾遙感這項(xiàng)尖端、新潮的領(lǐng)域里孜孜不倦地探索著。一項(xiàng)新興技術(shù)、一個(gè)熱點(diǎn)環(huán)境問題、一群年輕人，或許這正是我國遙感技術(shù)活力的代表，同時(shí)也象征著中國科技未來的希望。endprint