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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)化取得了長足的進步。國產(chǎn)企業(yè)可以自主生產(chǎn)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(xiàn)全國產(chǎn)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(xiàn)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(shù)，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(shù)據(jù)?？萍紕?chuàng)新既是發(fā)展問題，更是一個生存問題。我們可以根據(jù)氮氧化物的濃度來判斷一個地區(qū)的經(jīng)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?shù)臇|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(nèi)近30年來開展的國內(nèi)的通信大型觀測計劃，它的數(shù)據(jù)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(jù)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(shù)等。

從發(fā)展的思路上講，目前的大數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)趕不上現(xiàn)在這個時代的需求，所以大數(shù)據(jù)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?shù)椒治?，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(shù)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?nèi)匀灰繃饧夹g，這是個大問題。國際上現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(wǎng)絡，像全球大氣成分變化網(wǎng)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(xiàn)低碳轉型的綠色發(fā)展，應該是我們國家主要經(jīng)濟體的一個發(fā)展方向。