劉文清：雙碳背景下大氣環(huán)境探測技術的發(fā)展機遇

劉文清

自從有了人類后，構成地球大氣的主要成分就沒有發(fā)生變化，但是微量的成分變化是非常明顯的，這種變化來源于人類的活動和它自然本身的這種變化，所以這些變化實際上它影響我們的生存環(huán)境。一是空氣質量，污染能見度下降，生態(tài)系統(tǒng)破壞；二個是氣候變化，也就是地球輻射的收支平衡，產生了非常大的影響。所以環(huán)境污染和氣候變化是我國生態(tài)環(huán)境建設的兩大關鍵問題，那么理解這些變化，減輕這些危害就需要一些監(jiān)測技術和它相應的這種監(jiān)測儀器。

除了二氧化碳是增溫的，其他的一些大氣污染到底是使環(huán)境氣候是變冷還是變暖目前實際上都還沒有太清楚的一個定論，例如VOCs。

清華大學賀克斌教授有個主題研究是講區(qū)域空氣質量的核心調控技術體系，因為大氣污染的形成、轉化和演變輸送是發(fā)生在高空空間，所以臨近地面有限指標的監(jiān)測，沒辦法反映污染的全部過程。怎么樣來更好地理解這些過程，有沒有預測這些問題的能力？我們需要有一個完整的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，把污染值精確地測量出來，才能精確地描述大氣的化學過程反應。

所有的環(huán)境管理，都建立在準確的測量基礎上。新監(jiān)測技術的發(fā)展，是我們環(huán)境保護水平提升的一個巨大的動力。大氣環(huán)境問題的解決，也是依賴于監(jiān)測技術的發(fā)展。同時，大氣污染的問題，也推動了監(jiān)測技術的發(fā)展。

從技術進展角度上講，監(jiān)測技術無非就是色譜、質譜、化學、電化學、光學和光譜學，包括現在發(fā)展的一些生物傳感器。光學技術具有遠距離的探測能力，可以做到非接觸的測量，所以光譜色譜質譜也成為了環(huán)境監(jiān)測中的熱點技術。除空氣之外，包括水質、煙氣、土壤、VOCs還有大尺度的這種遙感，包括現在廣泛使用的微信平臺上，基本上都是采用的光譜色譜質譜技術。近年來，光譜色譜質譜的國產化取得了長足的進步。國產企業(yè)可以自主生產這一類的儀器，但一些核心的元器件還須要從國外去進口，像離子源、激光器探測器等。

光波與大氣成分相互作用，就像人類指紋一樣發(fā)生光譜上的變化。光譜變化你就可以反推出它的濃度或者它的種類，比如測量了一條大氣光譜，知道了每條每種成分的光譜指紋，利用算法就可以來區(qū)分做定量分析，就可以得出它在哪個波段是什么樣的成分與什么樣的濃度。

從大氣環(huán)境立體探測技術來說，我們國家也發(fā)展了一系列的探測技術，分別用于地級平臺、空機平臺、無人機的平臺。簡單介紹兩種波段的監(jiān)測，一是在紫外可見波段，另一個是紅外波段。

目前最常用的是風光光譜或者是光譜風光，光山風光基本上可以實現全國產化，當然也可以用棱鏡風光，或者干涉風光。干涉風光通過距離的運動，通過光譜的浮力變換，就可以得到光譜的運動變化。例如室外，在地面設置一個擺動的干涉風光儀器，有一個望遠鏡可以接受不同方向上的光散射，通過一定的算法，就可以獲得各種各樣的氣體成分，包括細顆粒物的立體分布等。利用這種技術，我們可以清楚的看到空氣中二氧化碳的垂直分布的變化。

從前的光譜監(jiān)測只做二氧化硫、氮氧化物，隨著分析技術的算法的改進，現在可以做到差不多30多種。如果把儀器裝在汽車上，圍繞一個小區(qū)行駛，就能知道該小區(qū)的流出和流入分數，可以計算中間的凈排放量，當車停下來之后，又可以做成像的量化的排放掃描。

紫外與紅外是不太一樣的。紫外和可見它主要是分子的電動電子態(tài)的躍遷，紅外屬于分子振動和轉動能級的躍遷。紅外的吸收截面就非常大，紅外核心是MAC性干涉，它要求的精度特別高，MAC性干涉擺動不能有其它的震動，目前我國技術還達不到。由此生成的儀器設備，主要是做危險品化合物監(jiān)測，比如可以用在園區(qū)污染物濃度排放的預警性監(jiān)測。

2018年我國發(fā)射了高分五號衛(wèi)星，主要用于大氣污染監(jiān)測。高分五號在軟件方法方面與歐洲的系統(tǒng)做過比對，在高氣溶膠背景下，精度和算法比歐洲的系統(tǒng)提高了一定的量級。去年7月開始，我們就無法訪問到歐洲的實時的衛(wèi)星數據。科技創(chuàng)新既是發(fā)展問題，更是一個生存問題。我們可以根據氮氧化物的濃度來判斷一個地區(qū)的經濟活動，也可以研究城市之間、國與國之間的跨界輸送和跨界傳輸的東西。

今年9月7號，02星即環(huán)境的二號星在太原成功發(fā)射。02衛(wèi)星在光譜分辨率和空間分辨率上都有非常大的提高，它的觀摩強度觀測規(guī)模和強度是遠超歐美和國內近30年來開展的國內的通信大型觀測計劃，它的數據可能馬上就會開放使用，用來解決在重污染發(fā)生演變消散過程中間的一些科學問題。

在極地科考和海洋科考上，例如我國在南極的黃河站也沿用了02衛(wèi)星上的儀器設備，這些儀器設備對由于基地環(huán)境污染的變化是比較敏感的，主要是獲取這個邊界層結構氣溶膠的特征、前體、物包括為物理特性，可以觀測鹵素氧化物對修養(yǎng)空洞方面的影響。

根據選樣的光源以及選擇的光源的波段和光層的設置，以及采用什么樣的光源，包括你風光的特點，這樣你就可以組成環(huán)境光學技術的譜系圖。采用不同的方法，可以做成一系列的我們需要的測量技術、測量儀器和測量系統(tǒng)。例如測試氣體中的顆粒物、水質中的葉綠素以及葉綠素的早讀數等。

從發(fā)展的思路上講，目前的大數據研究是暨實驗科學、理論分析和計算機模擬之后的新的科學方式。因為光靠一些簡單的點式的或者實驗室測量的這種數據趕不上現在這個時代的需求，所以大數據將來可能會成為一個重要的研究手段。從智慧環(huán)境發(fā)展的角度講，去采點樣到實驗室做比對測量，從傳感器到傳輸到分析，再到服務的一個分工過程。

在雙碳工作中，碳排放所有的點源是什么樣的狀況？是多點源或面源，是區(qū)域還是全球？目前的觀測能力與監(jiān)測能力還是存在嚴重的不足。雖然環(huán)境監(jiān)測儀器的數量甚至比生命科學監(jiān)測儀器更一些，類似于電子測量儀器占了很大的一類。

我國環(huán)境科學發(fā)展在監(jiān)測技術方面首先要解決的空心化問題，一些核心器件、傳感器我們仍然要靠國外技術，這是個大問題。國際上現在有26，000種傳感器，我國能做的是12，000種，仍有14，000種不能做，客觀原因是我國的環(huán)境科學起步晚，只有40年的發(fā)展。而傳感器不亞于芯片的短缺，導致目前傳感器市場基本上都是國外的公司壟斷。近幾年，國內力學方面的傳感器的企業(yè)做得還不錯，但在光學或者光電方面的傳感器與國際相比性能差距較大。

另一個問題就是軟件的短板，現在行業(yè)軟件，包括專業(yè)軟件基本上都是國外的。即使軟件是自己的，核心、算法、系統(tǒng)仍然是國外的，也就是說東西都是你造出來的，但是造東西的一切方法是別人的。所以軟件市場非常大，但高端的儀器進入門檻難度也比較高。

例如要建生態(tài)環(huán)境生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡，像全球大氣成分變化網絡，從前國外覺得我們水平不夠，等我們的科技水平高于他們時，他就會主動來找你，包括探助。

碳達峰碳中和實際上有非常多的技術需求去做，除了治理之外，監(jiān)測技術仍然需要大量的發(fā)展，比如重點行業(yè)或者關鍵領域以及溫室氣體排放監(jiān)測和評估的一些辦法。沒有監(jiān)測就沒有辦法評估，沒有評估就沒有辦法去優(yōu)化。

所以綠色低碳發(fā)展是國家重大的一個發(fā)展戰(zhàn)略。那么實際上今后40年實際上是在可持續(xù)發(fā)展目標的約束下，控制污染，實現低碳轉型的綠色發(fā)展，應該是我們國家主要經濟體的一個發(fā)展方向。