劉文清：照亮環(huán)境之光

健康的生態(tài)環(huán)境需要潔凈的空氣，治理大氣污染則需要“對癥下藥”。在廣闊流動的大氣環(huán)境中要想了解污染物的成分，能夠隨時監(jiān)測掌握成分變化就變得重要起來。

“一束光打過去，就知道污染物濃度是多少。像醫(yī)生給病人做CT一樣，我們是給大氣環(huán)境做CT的人。”中國的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測發(fā)展到如今，離不開劉文清的艱辛開辟與精心耕耘。

劉文清是中國工程院院士、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院學(xué)術(shù)委員會主任、安徽光學(xué)精密機械研究所學(xué)術(shù)所長。40年間，劉文清率領(lǐng)團隊建立了包括400多種大氣污染物、100多種水體污染物、20多種土壤重金屬污染物的光譜特征數(shù)據(jù)庫，研發(fā)了污染物光譜定量解析算法和工程化應(yīng)用軟件，不僅能為大氣環(huán)境“把脈”，還能“診斷”水體、土壤的污染情況。

制高點拓荒

1995年，國外發(fā)射了采用光譜技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，可以獲得區(qū)域和全球大氣環(huán)境污染的狀況。那時劉文清正在國外學(xué)習(xí)，自1978年從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系光學(xué)與激光專業(yè)畢業(yè)后，他先后在意大利、希臘等國家進修學(xué)習(xí)，1996年至1998年，又在日本千葉大學(xué)環(huán)境遙感中心進行博士后研究。

一心科研報國的劉文清在回國后發(fā)現(xiàn)我國的環(huán)境監(jiān)測仍處于現(xiàn)場采樣、實驗室分析階段，直讀型、在線型、應(yīng)急儀器基本是采購自國外?？蒲兴降牟罹啻掏戳饲嗄陝⑽那宓男?，“選準(zhǔn)方向，做國家最需要的事，就是出發(fā)點?！?/p>

不僅是關(guān)鍵技術(shù)受制于其他國家的問題，從行業(yè)角度看，大氣環(huán)境監(jiān)測僅靠地面站遠遠不夠。如何以科學(xué)的方法、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)表征我國當(dāng)前環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀和變化趨勢，及時跟蹤污染源變化，實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量報告和預(yù)警，采用先進環(huán)境監(jiān)測技術(shù)是必然的選擇。

與傳統(tǒng)監(jiān)測方式相比，光學(xué)監(jiān)測的優(yōu)勢表現(xiàn)在具有非接觸測量、靈敏度高、選擇性好、適用范圍廣等方面。環(huán)境光學(xué)監(jiān)測的作用原理是當(dāng)激光穿過大氣后，與大氣粒子發(fā)生相互作用，空氣中的各種成分都有自己的特征吸收光譜，通過激光與大氣中各種物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信號，分析光路上不同高度的污染物的成分和含量。

1998年5月，以劉文清為主任的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測研究室在中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所正式成立。自此，劉文清帶領(lǐng)團隊將目光對準(zhǔn)了環(huán)境光學(xué)監(jiān)測領(lǐng)域，開拓了我國環(huán)境光學(xué)新領(lǐng)域。

此后，“環(huán)境光學(xué)”這一以光學(xué)、光譜學(xué)和環(huán)境科學(xué)為主的新興交叉學(xué)科以蓬勃之姿不斷發(fā)展壯大，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所環(huán)境光學(xué)研究中心也成為我國環(huán)境光學(xué)在線監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新源頭，先后承擔(dān)國家、中國科學(xué)院及省級科研項目100多項，獲得國家、省部級科技成果30余項，國家專利90多項，軟件登記140多項，其中國家科技進步獎二等獎3項，省部級科技進步獎一等獎5項、二等獎4項。

“接地氣”攻堅

在回憶中國光學(xué)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷的三個階段時，劉文清說：“最困難的是第一發(fā)展階段，當(dāng)時國產(chǎn)光學(xué)監(jiān)測技術(shù)設(shè)備剛起步，要不斷提升技術(shù)水平和經(jīng)驗積累，通過提高國產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性，最終實現(xiàn)對進口儀器設(shè)備的替代。”

1999年，劉文清領(lǐng)導(dǎo)的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測研究室得到研究所20萬元啟動經(jīng)費支持。中國的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測發(fā)展正是從一個接口、一個芯片到一臺儀器，從一個數(shù)據(jù)、一段光譜到一個技術(shù)難題開始實現(xiàn)自主創(chuàng)新的。研究室的燈光通宵亮著，他們不斷試驗、失敗，再試驗、再失敗……終于，成功地研制出第一塊完全合格的高品質(zhì)點式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測儀模塊，然后是第一臺完整的儀器。

為研究煤礦有毒氣體探測儀器，劉文清鉆進煤礦巷道，進行一線調(diào)研；為研發(fā)機動車尾氣探測儀器，劉文清將團隊成員“趕”到大街，觀察機動車排放污染氣體，對行駛中的機動車進行探測……憑著刻苦鉆研、求真求實的科研精神，團隊順利交付一個個項目，創(chuàng)建了中國環(huán)境光學(xué)監(jiān)測技術(shù)體系和研發(fā)平臺，創(chuàng)新發(fā)展了光學(xué)監(jiān)測技術(shù)與方法，建立了具有國際先進水平的大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測系統(tǒng)。

2008年，劉文清主持了“北京及周邊地區(qū)奧運大氣環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警聯(lián)合行動計劃”項目。14年后的2022年北京冬奧會，技術(shù)提升至將高分辨率高精度地基和衛(wèi)星聯(lián)合遙感手段結(jié)合起來，進行多技術(shù)的交叉印證，為更準(zhǔn)確地實現(xiàn)重點排放源的識別和動態(tài)監(jiān)控提供更多的支撐。在上海世博會、廣州亞運會、北京APEC會議、G20峰會、金磚國家領(lǐng)導(dǎo)人會議等國際性盛會的背后，都有劉文清帶領(lǐng)團隊攻堅克難的身影。

加速度并跑

40年來，劉文清帶領(lǐng)團隊聚焦國家重大戰(zhàn)略需求，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，為建設(shè)天藍、水清、草美的生態(tài)環(huán)境，打造了一個“天、地、空一體化”的立體綜合監(jiān)測網(wǎng)。

2018年5月9日，發(fā)射成功的高分五號衛(wèi)星是我國第一顆可有效探測區(qū)域大氣污染的國產(chǎn)衛(wèi)星，標(biāo)志著我國高光譜分辨遙感衛(wèi)星技術(shù)達到了國際先進水平。

衛(wèi)星搭載著安徽光學(xué)精密機械研究所自主研制的3臺環(huán)境光學(xué)監(jiān)測儀器飛向蒼穹，作為設(shè)備的總設(shè)計師，在衛(wèi)星發(fā)射現(xiàn)場，劉文清流淚了。這是中國首次從衛(wèi)星平臺上清晰地動態(tài)地掌握全球污染信息，不僅為控制大氣污染提供技術(shù)支持，還為更加科學(xué)地制定發(fā)展規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)政策貢獻了力量。

從一紙空白起步，我國大氣環(huán)境監(jiān)測實現(xiàn)了從地基遙感，到機載和星載平臺區(qū)域及全球大氣環(huán)境遙感監(jiān)測的重大跨越。從生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的主要領(lǐng)域來看，目前自主研發(fā)的技術(shù)和設(shè)備基本可以滿足我國環(huán)境管理的需要，在遠程化、智能化、支撐科學(xué)決策和精準(zhǔn)監(jiān)管等方面取得很大進步，我國的大氣環(huán)境光學(xué)監(jiān)測技術(shù)基本處于與世界先進水平的并跑階段。

劉文清關(guān)注中國環(huán)境外交的國際話語權(quán)，時刻把國之重任擔(dān)在肩上，他認(rèn)為“必須走出一條有中國特色的監(jiān)測改革發(fā)展新路子”。放眼中國環(huán)境光學(xué)監(jiān)測的新天地，劉文清說，“離子源、紫外激光器、中紅外激光器、光電探測器、高靈敏的成像探測器、紫外波段多次反射池、四極桿等關(guān)鍵‘卡脖子’部件有待進一步突破”。