院士介紹

劉文清，男，漢族，1954年1月9日出生于安徽蚌埠，江蘇徐州人，環境監測技術專家。1978年畢業于中國科學技術大學物理系，1995年在希臘克里特大學健康科學學院獲博士學位。現任中國科學院合肥物質科學研究院學術委員會主任、安徽光學精密機械研究所學術所長，兼任中華環保聯合會副主席、中國環境科學學會副理事長、中國光學學會副理事長、《大氣與環境光學學報》主編等。

主要從事環境監測技術和應用研究。發展了環境光學監測新方法，研發了系列環境監測技術設備并實現產業化，集成了大氣污染綜合立體監測系統并進行應用示范，開拓形成了我國環境光學監測技術新領域。獲國家科技進步二等獎3項（2007年、2011年、2015年），省部級科學技術一等獎5項。2012年獲安徽省重大科技成就獎，2016年獲何梁何利基金科學與技術進步獎，2020年獲“全國先進工作者”稱號。

中共中央、國務院印發的《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》指出，要建立完善現代化生態環境監測體系，并就建立健全基于現代感知技術和大數據技術的生態環境監測網絡，優化監測站網布局，實現環境質量、生態質量、污染源監測全覆蓋等工作提出了要求。當前，我國生態環境監測技術的發展取得了哪些顯著成效？未來需要在哪些方面尋求更大的突破與創新？對此，《環境保護》雜志記者專訪了中國工程院院士、中國科學院安徽光學精密機械研究所研究員、中國環境科學學會副理事長劉文清，請他對我國生態環境監測技術發展前沿有關問題談談自己的見解和思考。

提升監測設備及軟件國產自主化程度

《環境保護》：《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》提出要深入打好藍天保衛戰，您認為此項工作的重要技術支撐是什么？

劉文清：黨的十八大以來，在以習近平同志為核心的黨中央堅強領導下，我國政府以“壯士斷腕”的勇氣和決心，為確保打贏藍天保衛戰作出了一系列重大決策部署，使得我國整體大氣污染狀況明顯好轉。可以說，當前我國的大氣污染防治工作取得了令人矚目的成就，受到了國內外的充分肯定和贊揚。但是，我們也應該清醒地看到，隨著藍天保衛戰的不斷深入，許多難題也凸顯了出來。特別是在技術支撐方面，我認為可從以下兩個方面入手。

第一，加大對環境監測設備自主設計、開發和制造工作的投入，進一步提高監測設備的國產自主化程度，擺脫對進口設備的依賴。目前，許多監測儀器設備研發的關鍵技術還掌握在少數幾個發達國家的手中。以傳感器為例，研發中最不可或缺的各類傳感器達2000多種，但是我國能夠自主生產的只有400多種，其余全部依賴進口，這給國產儀器的開發帶來了巨大的難度。因此，加大對自主設備的研發力度是我國亟待解決的問題。

第二，加大對大氣監測軟件算法開發的投入，逐步減少對國外數據產品的依賴，逐漸提高我國自主監測數據的國際認可度。以天基遙感監測為例，當前我國對大氣污染物NO2、HCHO、SO2，溫室氣體CO2、CO、CH4等的監測，都高度依賴國外的衛星數據，諸如哨兵5號、GOSAT、OCO2等國外衛星的二級數據產品。國外衛星研發機構對其分析算法進行了嚴格的封裝，我們無法了解其光譜標定、氣溶膠和云校正及大氣成分濃度反演的具體技術細節。如果我國在缺乏自主可靠的反演算法的情況下，盲目依賴國外的監測數據發布國際認可度高的相關產品，不僅容易對我國政策造成誤導，還將使我國喪失環境外交的國際話語權，極大地損害我國負責任大國的形象。

完善大氣環境衛星監測體系總體設計

《環境保護》：《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》還指出要建立完善現代化生態環境監測體系，請談談您的理解和認識？

劉文清：盡管在過去的幾年里，我國現代化環境監測體系有了長足的進步，但是依然存在如下的問題亟待完善。

地面監測站點覆蓋不足，特別是在邊遠地區站點較為欠缺。以環境空氣質量國控自動監測站為例，全國各個大中小城市都已經設置了國控站點，但是目前的環境空氣質量國控自動監測網絡大多集中在城市及其周邊較近地區，很少涉及邊遠城郊、農村等地區，這些地區大氣組分的濃度信息缺失，成為解析污染成因機理的阻礙。目前，全國已經安裝了幾十臺地基大氣成分超光譜遙測儀，但是相較于幅員遼闊的國土面積而言，仍舊是杯水車薪，需要進一步完善地面大氣成分監測網絡，特別是增加大氣環境立體探測裝備、擴展監測組分。

化工園區監管技術設備不健全，智能化升級存在短板。化工園區作為化工行業高質量發展的重要區域和平臺，涉及的物料具有易燃易爆、有毒有害的特點，現場的危險化學品儲存量大、危險源集中。2019年江蘇響水“3·21”特別重大爆炸事故更是暴露出我國化工園區的安全問題突出。因此，要鼓勵有條件的園區部署基于可調諧半導體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS）技術、傅里葉變換紅外光譜（Fourier Transform infrared spectroscopy, FTIR）技術的超光譜成像技術設備及色譜質譜檢測設備，并建立由空基大氣成分探測系統和地基大氣成分探測系統構成的空地一體化危險氣體探測網絡。通過在不同位置或不同方位布設不同設備，形成合理密度優勢，開展多設備協同配合使用，從而實現對小范圍的氣體泄漏檢測、中等范圍的設備受損泄漏檢測以及大范圍的氣體泄漏探測及預警。

衛星監測產品的業務化還不夠成熟，數據標準化程度不高。近年來，雖然我國科技人員和應用部門在衛星產品的反演、校驗、發布、應用等方面做了許多努力，攻破了一些“卡脖子”技術，一些大氣成分濃度反演算法已處于國際水平，衛星產品業務化平臺雛形基本打造完成，但是整個體系還有待進一步完善。鑒于此，我個人認為，我國大氣環境監測衛星應該遵循數據產品能夠得到實際應用的原則，要進一步完善大氣環境監測衛星監測體系總體設計，加強衛星載荷設計部門與數據產品部門的溝通，促進產品發布部門與產品應用群體的交流，實現從衛星硬件設計到濃度反演軟件開發，再到數據落地應用的一體化，從而為大氣環境污染治理和氣候變化應對提供區域和全球數據支撐和發展思路。

實現國產溫室氣體在線監測設備自主化研發

《環境保護》：請您談談我國環境監測技術的發展情況，并預測一下未來可能的創新與發展方向是什么？

劉文清：總體而言，我國環境監測技術發展比較快，與國外先進水平的差距在不斷縮小，尤其在超光譜類環境監測技術與設備方面，我國自主研制的環境監測設備發揮著越來越重要的作用。我國的環境監測技術與裝備，從單一依靠化學采樣分析方法的環境監測方式發展到涉及物理監測、生物監測、生態監測、地基遙感監測、衛星監測的“天空地”一體化監測體系；從間斷性監測逐步過渡到自動連續監測，監測范圍也從一個點（或者園區）擴展到一個城市、一個區域乃至全國。我國依靠自主研發的技術業已形成了以環境空氣質量國控自動監測站為骨干的環境地面監測網絡體系。特別是近年來，為適應大氣污染機理研究和污染防治工作的需求，我國在環境監測技術上持續積極探索，取得了突破性的進展。

在地基遙感監測方面，通過軟硬件技術的創新，拓展了大氣痕量成分的監測組分，從以前只能夠監測NO2、SO2、HCHO和氣溶膠，到現在還能夠監測氣態亞硝酸、水汽和部分VOCs等成分，為大氣污染成因機理的深入研究提供了寶貴的數據支持。我國自主研發了大氣氧化性探測系統，成功應用于外場觀測，使得我國成為國際上為數不多的能實現超痕量大氣自由基探測的國家。另外，移動平臺大氣環境光學監測技術具有觀測范圍廣和實時性強的特點，尤其在溯源研究中具有明顯的技術優勢，可在城市空氣質量管理、污染暴露評估等方面發揮重要作用。目前，車載平臺、船載平臺和機載平臺是被廣泛應用的移動平臺，其攜帶的大氣環境光學監測設備包括差分吸收光譜儀（Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS）、激光雷達（Light Detection And Ranging, LIDAR)和便攜式傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier Transform infrared spectroscopy, FTIR）等，可實現對氣溶膠、NO2、SO2、O3、VOCs、CO2和CH4等主要大氣成分的移動監測。移動監測過程中可以對光學設備進行定量校準，同時還能夠定量扣除移動平臺自身排放，這對于觀測結果的準確性和有效性至關重要。

在衛星遙感方面，我國完成了超光譜環境監測衛星高分五號01星和02星的自主設計、發射和數據采集。基于該系列衛星，開發了一系列原創性技術，克服了硬件不足的缺點。同時，還通過融合地基遙感產品，自主研發了NO2、HCHO、SO2、O3多種關鍵性大氣污染物的衛星反演算法，并在國家重大活動期間的大氣環境監測方面獲得了成功應用，這標志著我國此類監測技術已經處于國際先進行列。此外，為助力碳達峰、碳中和目標，我國歷時兩年攻堅克難，發射了首顆溫室氣體監測衛星TanSat，解決了光譜質量低等一系列技術難題，成功反演出全球二氧化碳產品，其精度接近國際最先進水平，使我國成為繼日本、美國之后的全球第三個可以獨立自主提供全球二氧化碳反演產品的國家。

我結合自身專業，談一下環境監測技術未來的發展和創新方向。當前，大氣環境監測科技呈現跨介質、全尺度、高精度等趨勢，研究尺度向更廣、更深入延展，而且學科交叉融合明顯，技術裝備向自動化、智能化發展。另外，大氣環境污染物與溫室氣體具有顯著的協同性，二者同根同源，都涉及大氣成分的變化，但是它們的監測技術原理和儀器構成千差萬別，主要取決于所監測對象的濃度和來源。我個人認為，針對當前對大氣中VOCs監測的迫切需求，應該基于光學監測手段的技術優勢，在VOCs監測組分上進行拓寬，實現更多種類的VOCs實時在線監測，并通過遙感監測手段的優勢，實現以觀測為中心的污染排放空間成像監測，開展污染物的空間擴散、溯源研究。針對當前碳排放的監測需求，應該加大對碳排放監測設備自主設計、開發和制造的投入，實現國產溫室氣體在線監測設備的自主化研發。相信在不久的將來，我國科研人員一定能夠將大氣污染與碳排放的聯動監測設備自主研發成功并廣泛應用于實踐中。

培養過硬的監測技術人才是當下最緊迫的任務之一

《環境保護》：您曾說“如果環境管理是一座大廈，那么環境監測就是頂梁柱，我們就是環境監測的守望者。像醫生給病人做CT一樣，我們就是給大氣環境做CT的人”，您從事環境監測工作幾十年來，最具標志性的成果有哪些？我國的環境監測管理及學科建設應該如何加強？

劉文清：環境污染物的形成、轉化、輸送和演變過程具有極強的時空相關性，所以多組分環境污染物的快速、實時、動態監測技術是生態環境領域科研工作者必須面對的重大課題。鑒于此，我率先提出了開展光學與環境交叉科學的創新研究。從技術成果來講，這些年來我帶領團隊始終圍繞國家環境監測技術和產業發展的重大需求，瞄準國際先進環境監測技術發展方向，開展了光學與環境科學的交叉集成創新研究，建成了從紫外光、可見光到紅外光的全光譜波段，從地基、機載到星載的多平臺大氣環境綜合立體監測技術系統，并達到了國際先進水平。從社會貢獻和經濟效益來講，我們將區域大氣環境綜合立體監測技術系統應用到了常規監測網絡中，彌補了僅靠例行業務監測網絡的監測內容、范圍和手段的不足，支撐了一系列國家重大活動期間的大氣環境監測工作。同時，我們還堅持走產、學、研、用相結合的產業化道路，與企業合作。研發了系列環境監測儀器設備并實現了產業化，形成了良好的產、學、研合作關系和成熟化的技術創新網絡，為我國環境監測設備的產業化和技術升級做出了應有的貢獻。

在學科建設上，環境與人類健康息息相關，環境監測領域已經受到越來越多的人的關注，尤其是青年群體也紛紛加入了這個偉大事業中。我國生態環境問題的徹底解決，離不開先進的環境監測技術和設備。在今天的國際環境下，技術依賴遠比市場依賴更加受制于人，并且難以擺脫，前沿技術和高技術難以被引進。同時，環境監測儀器又與現有其他類儀器有所不同，雖然有交叉的共性部分，但更有其特殊性，主要體現在專用性強、使用場合復雜、背景條件多變等方面，所以很難包容在已有的某個分支學科之中。環境監測技術既是環境科學的重要組成部分，也是生態環境保護工作的基礎。雖然環境科學與工程學科在我國很多高校都有開設，但基本上都是講授環境監測技術的原理和如何使用儀器，沒有涉及如何制造環境監測儀器。環境監測儀器涉及光、機、電、計算機、算法軟件等，是一門理論與實踐聯系緊密的學科，因此建立健全理論與實踐緊密聯系機制，致力于培養出功夫到家、技術過硬的研究型技術人才是當下最緊迫的任務之一。因為只有技術獨立，才有經濟獨立，才有政策獨立，所以技術永遠是國家的財富！

至今還沒有一種單一的技術能滿足痕量污染物監測的多種要求。不同的監測平臺有著各自的優缺點。我國只有發展更高精度、更多成分、更大范圍、更加實用的多平臺環境監測技術才能滿足不斷變化的生態環境保護需求。

實現大氣環境的立體化、智能化綜合關聯監測

《環境保護》：您對生態環境部近期印發的《“十四五”生態環境監測規劃》文件有怎樣的理解？規劃的發布實施對科研工作又起到怎樣的促進與推動作用？

劉文清：隨著我國大氣污染治理的不斷深入，污染源的結構發生了顯著改變，污染的成因也發生快速變化，尤其是二次顆粒物和全國大氣臭氧濃度的不斷增加，個別城市開始出現臭氧引起的重污染現象。規劃中提出生態環境監測要全面推進生態環境監測從數量規模型向質量效能型跨越，充分表明自“大氣十條”實施以來，我國在大氣二次污染的防治上，總體思路是明確的，防控重點逐漸從初期的“總量控制”轉向“質量為主、總量協同”，強調細顆粒物和臭氧的協同管控，在某種程度上也預示著我國環境監測行業將跨入以高質量生態監測為主的發展階段。“質量效能型”這一目標的提出，對生態環境科研人員來講，應該是一個很好的契機。我想，接下來我國科研人員會結合“碳監測評估”這一新任務，集中創新監測技術，進一步推動國產儀器的產業化發展及環境監測技術體系的建立。一方面，針對環境污染機理研究的監測技術和手段，我們將著力微觀精細化監測，研發低干擾的多平臺自由基探測、高靈敏的大氣超細顆粒物傳感器，以及可以運用于物聯網的大氣環境監測傳感器，滿足國家對臭氧等二次污染物的業務化監測，比如光化學前體物的立體監測。另一方面，擴展宏觀區域監測尺度，創新地基遙感監測手段，突破衛星和機載平臺技術瓶頸，如航空平臺、無人機等高光譜分辨率大氣遙感關鍵技術，提升大氣污染與碳排放的聯動監測能力，如排放源辨識、區域傳輸直接觀測和碳監測，最終實現大氣環境的立體化、智能化綜合關聯監測，充分支撐生態文明和美麗中國建設。

文/本刊記者 郭媛媛 于寶源