司福祺：看清藍天才能看見未來

肖貞林

在距離地球表面120公里內的大氣層中，除了氮氣、氧氣和惰性氣體外，還存在著許多痕量氣體，這些痕量氣體雖然體積濃度小（不到萬分之一），但是其變化將對地球大氣及生態環境產生重大的影響，比如耳熟能詳的溫室效應、臭氧空洞等。痕量氣體的變化不但影響著現在和未來的世界，而且一直是國際科學前沿關注的熱點，目前痕量氣體的測量離不開光學的監測技術和手段。如何利用光學技術建立特定的光譜數據庫和算法、設計相關儀器探測這些痕量氣體的濃度、監測空氣質量和污染源，是中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所（以下簡稱“中科院安徽光機所”）研究員司福祺近10年來最重要的工作。

現階段我國一些地區出現的霧霾過程與痕量氣體，如氮氧化物、臭氧、揮發性有機化合物等有不可分割的關系。徹底地研究、解決與我們息息相關的空氣污染、全球氣候變化等問題，需要對大氣中的痕量氣體濃度和排放通量進行更加精確測量，司福祺正為此努力奮斗。

天氣“觀察員”

司福祺在北極黃河站

在2008年北京奧運會前，盡管我國就空氣污染問題設立了以城市為中心的空氣質量自動監測站，每天對空氣中的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和可吸入顆粒物（PM10）等污染物進行監測，但這些監測數據并不能完全反映大氣污染的真實狀況，使空氣質量評價結果與公眾的直觀感受不一致。在當時，對近地大氣污染的監測，還不能滿足大氣污染形成機理、演變和傳輸過程等方面的研究需要，缺乏區域、立體的監測技術方法。

很快，一支位于合肥中國科學院安徽光機所的高科技隊伍站了出來，在國家科研項目的支持下，他們研制了一種基于太陽散射光的地基大氣痕量氣體柱濃度及其廓線在線監測系統——多軸差分吸收光譜儀（MAX-DOAS），實現了對大氣痕量污染氣體柱濃度及其垂直分布的實時探測，這對區域大氣污染時空分布及傳播規律的研究具有重要意義，為大氣污染形成機理和污染物動態演化過程提供了數據支持。

“我們在2008年北京奧運會、2010年上海世博會、廣州亞運會、2014年青奧會、北京APEC會議等近些年的大型活動中都開展了外場的空氣質量監測，用科學數據評估了國家重大活動環境空氣質量保障措施效果。”司福祺介紹說，“在各種測量污染的手段中，光學遙感是其中比較有代表性的方法，它能測量的范圍廣，速度快，組分多，非接觸。”司福祺團隊獲取的相關數據被環保部門所采納，不僅成為他們制定政策的相關依據，還是他們評估政策實施效果的依據，具有重大的作用。

除了為國家重大活動保駕護航，多軸差分吸收光譜儀從2010年開始，還參與了多次極地科學考察，并在北極黃河站、南極長城站開展了長期觀測，監測極區臭氧、鹵素氧化物等。作為極地站點長期部署的設備，多軸差分吸收光譜儀準確測量了極地上空的臭氧柱總量變化趨勢，為我國極地科學研究提供了技術支持。該技術于2011年獲得環境保護科學技術獎一等獎。

“我們是做監測的，需要獲取第一手原始數據，設計研發監測設備是我們最重要的工作。”為此，司福祺所在的團隊不僅負責自主研發實驗設備監測大氣環境的變化，還和國內的環保企業進行了對接，讓儀器落地生產。他們開發的成像差分吸收光譜技術，創新性地成功用于區域污染氣體快速測量的機載成像差分吸收光譜儀。他們與公司合作將該技術產業化，現已推廣多套機載成像差分吸收光譜儀，成功獲取了高分辨率區域污染氣體二維分布信息，填補了國內相關數據的空白。

在工作期間，司福祺曾到德國海德堡大學學習交流過一段時間。德國是痕量氣體觀測的先行者，無論是在設備、儀器、實驗方法和經驗方面，德國都領先中國。而如今的中國科學院安徽光機所已發展出一系列適合我國國情的高靈敏度、高穩定性的環境監測技術與設備，為我國大氣污染的有效評估、精細溯源與防治提供關鍵技術支撐。現在中國和國外已經基本處于同一水平線上，一代代的科研人員為此付出了無數的心血，他感慨萬千。

歷史性時刻

2018年5月9日，“高分五號”衛星在太原衛星發射中心成功發射。這是我國第一顆可有效探測大氣污染氣體的國產衛星。有了它，我國將首次從衛星平臺上掌握全球空氣污染數據。司福祺作為“高分五號”衛星大氣痕量氣體差分吸收光譜儀載荷的主任設計師，心情激動，他為了這一天，已經奮斗了8年。

時間倒回2010年，在那一年，發生了一件極為重要的事情，高分辨率對地觀測系統重大專項（以下簡稱“高分專項”）獲批啟動實施，這是《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006—2020年）》確定的16個重大科技專項之一。為了填補我國在高光譜分辨率對地觀測方面的空白，高分專項明確提出多部門聯動，組成國家基礎設施平臺，并將高分系列衛星列入科研衛星序列。司福祺所在的環境光學重點實驗室因為在地基、機載設備及相關算法方面有良好的積累，被國家選中，參與高分系列衛星的科研工作。

與團隊合影

“高分五號”衛星載荷大氣痕量氣體差分吸收光譜儀（EMI）正樣產品通過出所評審時的團隊合影

“我們從2010年開始做，花了8年的時間做出了一顆衛星載荷，即大氣痕量氣體差分吸收光譜儀（簡稱EMI）。”關于衛星設備，司福祺沒做過，他只做過地面設備和機載設備，這其中的差別很大。衛星設備強調的是可靠性，不可維護、不可維修，必須一次成功，工程要求非常高，這對司福祺來說是一個全新的挑戰，也是極其重要、必須完成的任務。

在歐洲，第一顆可以測量大氣污染氣體的衛星于1995年成功發射，從此以后歐洲利用衛星數據就可以觀測全球的空氣污染狀況。而我國在2018年才成功發射“高分五號”衛星，時間上相差了23年。特別是此前在國際談判中我國由于沒有自己的觀測數據，無法掌握話語權，一直飽受非議。

但有了EMI后，一切就都不一樣了。在“高分五號”衛星發射成功一個月后，相關人員根據其傳回的數據，繪制出了全球污染狀況圖譜，中國人終于有了自己的全球大氣污染觀測系統。而司福祺懸著的心也終于可以放下了。“在圖譜傳回來之前就一直很緊張，因為你也不知道發射上去會怎么樣，雖然各種地面試驗我們都通過了，但我們畢竟是第一次做，很多東西都是未知的，壓力還是很大的。”

如今，司福祺回想起這個從無到有的過程，仍然感到十分艱難。“因為第一次做，問題比較多，按倒葫蘆就起了瓢，有點手忙腳亂。”但正因為問題不斷，他也在不斷地前進，不斷地發現問題，解決問題。司福祺和團隊不僅做了硬件設備，還承擔了后期數據處理軟件研發工作，開發了0～1級數據處理業務化處理軟件，部署在中國資源衛星應用中心，實現了1級產品的實時批量生產，并迅速分發到環保、氣象等行業用戶。在這個基礎上，他們制作了一幅全球二氧化氮分布圖。“按照行話來說，這是國產自主研發設備的首幅二氧化氮全球分布圖。”司福祺自信地說。

EMI載荷目前仍然是我國紫外、可見波段光譜分辨率最高的載荷，也是我國首顆大氣污染氣體觀測載荷。經此一役，中國科學院安徽光機所正式成為“航天俱樂部”的成員之一。

全新未來

目前已發射的EMI載荷初步滿足了生態環境部等部門對大氣污染數據的需求，改變了此類產品受制于國外的局面。但司福祺并未滿足于此，他清楚知道與國外載荷以及用戶的進一步需求仍存在差異，亟須研發大氣環境監測專用衛星載荷，提升數據產品空間分辨率、時間分辨率，實現對揮發性有機化合物、對流層臭氧等更多大氣成分的測量，為用戶提供準確的衛星數據產品，為培育環境光學遙感儀器、衛星數據產品應用等戰略性新興產業提供技術支撐。在這場“藍天保衛戰”中，他們勢必不會缺席。

現在，司福祺所在的團隊有固定職工20余人，在讀博士、碩士20余人，45歲以下中青年科技人員占全部專業技術人員總數的90%，專業涉及大氣物理、環境科學、光學、電子學、精密儀器等領域。

近5年來，實驗室新增固定資產3500余萬元，主要包括真空高低溫模擬試驗系統、深紫外波段光譜/輻射定標系統等設備，還擁有實驗室面積2000余平方米，包括近500平方米萬級光學潔凈室、50平方米千級光學潔凈室，200平方米防靜電電子學電裝、裝調實驗室等。

好的團隊更是讓科學研究的腳步停不下來。“在EMI載荷的基礎上，我們做了一個EMI-Ⅱ載荷，空間分辨率從之前的48公里提高到24公里，提升了一倍，該載荷搭載在‘高分五號’02星、大氣環境監測衛星等3顆衛星上，預計今年會發射2顆。”除此之外，團隊還做了高精度大氣污染氣體監測載荷，它的空間分辨率可以達到7公里×7公里，同時該載荷具有臨邊觀測功能，能夠提供垂直分辨率1公里的污染氣體廓線結果，為生態環境部等用戶提供高質量衛星數據，促進我國環境監測光學遙感儀器產業的發展。這也是目前國際上最先進的水平，預計將在2023年發射。

為了能完成領跑，司福祺時刻緊盯國外的最新技術。“現在國際上發展了高軌技術，相對低軌載荷，高軌載荷具有更高的時間分辨率，目前世界上第一顆高軌大氣污染氣體監測衛星是韓國發的，叫GEMS，但它的數據還沒有完全公開，還是一些老生常談的內容，說大氣污染是中國過來的，中國對韓國的影響很大等等。”所以攻克高軌平臺有效大氣遙感載荷研制難題，實現污染氣體全球和區域分布、垂直廓線的高時空分辨率、高精度遙感監測是司福祺所在團隊在下一個五年的重點計劃。“‘十四五’期間，如果能做好一個或兩個，讓中國擁有話語權，精確查明污染來源，這將是我們團隊的成功和對國家的貢獻。”這是司福祺的期許，也是一代又一代科研人員的期許。