劉文清：給大氣做“CT”

一

2022年2月，北京。舉世矚目的第二十四屆冬奧會正在舉行。天空湛藍，空氣清凈。來自世界各國和地區的運動員沐浴在陽光下，激情滿懷地走向賽場。

與此同時，一支不被人注意的隊伍正行進在冬奧會賽場的周邊。這支隊伍依托經過特殊改裝的監測車，日夜走航監測賽場。在這之前，經過近3個月的連續監測，他們已經向北京冬奧組委會提交了比賽期間大氣情況分析及應對策略。

帶領這支隊伍的，是一位叫劉文清的科學家。那段日子里，68歲的劉文清每天審讀數據，并開展大氣痕量物質計算。對每一個數據、每一個結論，他都慎之又慎。

這不是劉文清第一次接到這樣的重大任務。

2008年中國首次主辦夏季奧運會，劉文清接到通知：由他率領的環境光學監測團隊承擔奧運會期間大氣監測任務。要知道，那時候，中國的大氣環境監測正處于艱難的爬坡階段，承擔這樣的重大任務，劉文清心里很忐忑。他深知：對他和他的團隊來說，必須利用這次機會展示出中國環境光學監測的水平，開創中國環境光學監測的新天地。

那一次，劉文清團隊在北京待了6個月。日夜加強觀測，很多年輕隊員都累得不行，每天晚上，他卻仍堅持跟蹤分析。“今天的數據出來，對明天的治理就有影響。所以，一刻也不能拖。”

2008年北京奧運會，劉文清獲得“奧運會科技貢獻獎”，其成果獲得“奧運科技成果獎”。

14年后，劉文清的團隊再次被選中。這一次，他們已經底氣十足：團隊所攜帶的設備更科學、更先進了，而且全部具有自主知識產權；監測所得的數據相比以前，更加及時、高效、權威。

給大氣做“CT”——這是對劉文清和他從事的科研工作高度精練的概括。2013年，因創新性的環境光學監測技術研究及成果產業化的突出成就，劉文清當選為中國工程院院士。至今，他已在中國的光學研究及大氣環境光學監測科學領域奮斗了40多年。

二

大學畢業后，劉文清就來到中國科學院安徽光學精密機械研究所（以下簡稱“安光所”）工作。后來，他去國外學習和工作了十幾年，1998年春天又重新回到安光所。他說：“我要回到自己的國家，為國家做事。”正是這份家國情懷，讓他下決心為祖國的科技發展做出貢獻。

回到安光所后，劉文清很快做出了選擇——開展大氣環境光學監測。在國內，這項研究還處于空白階段。3年前在國外時，有一次，看到照射在一座山上的閃亮的激光柱，他好奇：那是用來干什么的？后來得知是在探測大氣。當激光穿過大氣，會與大氣粒子發生相互作用，通過激光與大氣中各種物質相互作用產生的信號，可以分析大氣中的污染物含量和分布。要知道，那時候國內環境監測用的還都是傳統方法，主要依靠樣品采集進行實驗室分析。當時劉文清就在想：哪一天，中國的環境監測也能走到這一步？

研究方向明確了，劉文清找到所里與自己志同道合的五六個人，分析國內環境監測的現狀，講到在國外看到的那束激光，講到國內環境監測儀器設備95%以上都依賴進口……安光所環境光學監測研究室就這樣成立了。

所里擠出20萬元，作為他們的啟動經費。這20萬元首先用來做什么？他們明白：這是第一炮，必須成功。大家埋頭想了幾天，最后決定用這筆錢研制點式環境空氣二氧化硫監測儀。

那以后的大半年時間，研究室的燈基本都是通宵亮著。從圖紙開始，到一個個螺絲釘、一個個接口焊接，劉文清帶領團隊自己干。他將團隊研究工作分成了兩塊，一塊研發電路板，一塊攻克軟件算法。硬件上的關鍵部件是數據采集控制和數據處理電路板，如果依靠進口，那不過是組裝，必須自主創新。電路設計從A4紙大小，逐漸濃縮至A4紙的1/2大小。密密麻麻的電極管被安置在特定位置。算法上也有突破，團隊第一次獲得了點式環境空氣二氧化硫監測儀的反演算法，通過循環驗證，達到了較為滿意的效果。

然而，電路設計效果并不理想。于是，劉文清團隊向中科大的專家求教。回來后，他們推倒重來，將原來的電路設計改成了集成度更高、可靠性更強的電路設計方案。這一改，制造工藝上的要求又提高了不少。他們不斷試驗、失敗，再試驗、再失敗……終于，成功地造出了第一塊完全合格的高品質點式環境空氣二氧化硫監測儀模塊。

第二年春天，他們造出了第一臺完整的儀器。

雖然那只是一臺小小的儀器，并不精美，甚至有些笨拙，但劉文清團隊視其為寶貝。這是中國第一臺國產點式環境空氣二氧化硫監測儀。他們興奮極了，這臺儀器帶來的是希望——他們已經悄悄打開了環境光學監測技術的大門。

三

劉文清從地面下到1000多米深的煤礦巷道。此行，他專程來到煤礦，是奔著煤礦有毒氣體探測儀器研發過來的。環境光學監測不僅要在實驗室里做研究，更要走向產業化應用。

劉文清一次次地傾聽工人的意見。井下工人說得最多的是：原來的儀器不好用，精度不夠，用起來讓人提心吊膽。

回來后，劉文清下決心：儀器一定要好用、便攜、精準。他將設計方案一改再改，直到終于滿意了，才著手研制。

移動監測儀研制出來后，他讓團隊里的年輕人送到礦上，結合應用實際情況再進行改進。研究室的年輕碩士生、博士生，常常被劉文清“趕”到產品應用一線去。劉文清更是自己帶頭到一線去。

如今已經是科研團隊主力的一位研究員，一直記得當年跟隨劉文清研發機動車尾氣探測儀器的經過——

劉文清將大家“趕”到大街上，觀察各種機動車。對行駛中的機動車進行探測，難度可想而知。“許多人都覺得不可思議，車子在跑，怎么測？”

還別說，這一看還真看出了思路。車雖然是行駛著的，但任何行駛的物體，在一定的時間內都是靜止的。他們很快聯想到激光。用兩束激光，從道路兩側同時打進行駛中的機動車尾氣之中，然后通過反演分析反射光譜，得出污染物數據。

八百里巢湖，水波浩渺。然而，成片的藍藻曾經一度污染了水體，湖水發出惡臭。劉文清團隊來到巢湖邊，沿湖走了一圈又一圈。回去后，他們從零做起，用近一年的時間研制出水體監測儀器。該儀器比國外同類儀器便宜一半，投放巢湖后，數據精準度卻大幅度提高。在巢湖的綜合治理中，該儀器發揮了很大作用。

四

太原衛星發射中心。中國高分五號衛星發射成功。

作為衛星環境載荷的總設計師，劉文清長長地舒了口氣。他夢想中的中國環境光學監測天、地、空一體化體系終于建成了。

在衛星發射現場，劉文清流淚了。從20年前選擇開拓中國環境光學監測領域開始，從一個接口、一個芯片到一臺儀器，從一個數據、一段光譜到一個技術難題，他們經歷的艱難，只有自己知道。

現在，我們國家自己的環境光學監測儀器上天了，而且，探測幅寬達到2600公里。給大氣做的“CT”更清晰了。同時，有了自己的數據，我們在國際上也有了更多的話語權。

至今，劉文清團隊已經研發了近百種環境光學監測儀器。這些儀器被大量地應用在國內環境空氣監測子站和其他監測點上，占到了國產儀器總量的90%以上。

“我們的儀器設備已經完全自主創新，并且實現了產業化。”劉文清很自豪。

實驗室里，擺放著每一個時期他們研發的儀器模型。

21世紀初，代表性的模型是一臺點式環境空氣二氧化硫監測儀。再后來，是長光程監測設備。到了2008年北京奧運會前后，應用激光技術的激光探測雷達出現了。這些構成了地基觀測的基本系統，可以探測地面上、園區內、水域大氣污染情況。

2015年前后，空基探測建立。利用航天飛行設備載荷，對地面以上5公里內大氣進行探測。

2018年5月，高分衛星搭載了6臺環境光學監測儀器，劉文清團隊設計制造的就有3臺。這些載荷連同后來發射的環境監測衛星等，構成了中國大氣環境天基監測系統。

“三基”協同，劉文清團隊又完成了一系列的環境監測研究。2022年湯加火山爆發，巨量的火山灰隨著大氣流動而蔓延。中國衛星獲得了實時監測數據，其研究和監測成果處在國際前沿。圍繞京津冀天、地、空一體化大氣綜合環境實驗的項目也初顯成效，織成了一張時刻監測污染氣體和顆粒物的天、地、空大網。

“為大氣做‘CT’，”劉文清解釋道，“這可不是一般的CT，是給大氣這廣闊而流動的物體所做的CT。因此，它的要求更高、難度更大。我們也還正在攀登之中。”

“中國向世界承諾2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。對我們環境監測工程科學來說，還有很長的路要走。”前途漫漫，劉文清他們任重而道遠。

（摘自《人民日報》2023年4月8日，一片云薦）