司福祺：看清蓝天才能看见未来

肖贞林

在距离地球表面120公里内的大气层中，除了氮气、氧气和惰性气体外，还存在着许多痕量气体，这些痕量气体虽然体积浓度小（不到万分之一），但是其变化将对地球大气及生态环境产生重大的影响，比如耳熟能详的温室效应、臭氧空洞等。痕量气体的变化不但影响着现在和未来的世界，而且一直是国际科学前沿关注的热点，目前痕量气体的测量离不开光学的监测技术和手段。如何利用光学技术建立特定的光谱数据库和算法、设计相关仪器探测这些痕量气体的浓度、监测空气质量和污染源，是中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所（以下简称“中科院安徽光机所”）研究员司福祺近10年来最重要的工作。

现阶段我国一些地区出现的雾霾过程与痕量气体，如氮氧化物、臭氧、挥发性有机化合物等有不可分割的关系。彻底地研究、解决与我们息息相关的空气污染、全球气候变化等问题，需要对大气中的痕量气体浓度和排放通量进行更加精确测量，司福祺正为此努力奋斗。

天气“观察员”

司福祺在北极黄河站

在2008年北京奥运会前，尽管我国就空气污染问题设立了以城市为中心的空气质量自动监测站，每天对空气中的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和可吸入颗粒物（PM10）等污染物进行监测，但这些监测数据并不能完全反映大气污染的真实状况，使空气质量评价结果与公众的直观感受不一致。在当时，对近地大气污染的监测，还不能满足大气污染形成机理、演变和传输过程等方面的研究需要，缺乏区域、立体的监测技术方法。

很快，一支位于合肥中国科学院安徽光机所的高科技队伍站了出来，在国家科研项目的支持下，他们研制了一种基于太阳散射光的地基大气痕量气体柱浓度及其廓线在线监测系统——多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS），实现了对大气痕量污染气体柱浓度及其垂直分布的实时探测，这对区域大气污染时空分布及传播规律的研究具有重要意义，为大气污染形成机理和污染物动态演化过程提供了数据支持。

“我们在2008年北京奥运会、2010年上海世博会、广州亚运会、2014年青奥会、北京APEC会议等近些年的大型活动中都开展了外场的空气质量监测，用科学数据评估了国家重大活动环境空气质量保障措施效果。”司福祺介绍说，“在各种测量污染的手段中，光学遥感是其中比较有代表性的方法，它能测量的范围广，速度快，组分多，非接触。”司福祺团队获取的相关数据被环保部门所采纳，不仅成为他们制定政策的相关依据，还是他们评估政策实施效果的依据，具有重大的作用。

除了为国家重大活动保驾护航，多轴差分吸收光谱仪从2010年开始，还参与了多次极地科学考察，并在北极黄河站、南极长城站开展了长期观测，监测极区臭氧、卤素氧化物等。作为极地站点长期部署的设备，多轴差分吸收光谱仪准确测量了极地上空的臭氧柱总量变化趋势，为我国极地科学研究提供了技术支持。该技术于2011年获得环境保护科学技术奖一等奖。

“我们是做监测的，需要获取第一手原始数据，设计研发监测设备是我们最重要的工作。”为此，司福祺所在的团队不仅负责自主研发实验设备监测大气环境的变化，还和国内的环保企业进行了对接，让仪器落地生产。他们开发的成像差分吸收光谱技术，创新性地成功用于区域污染气体快速测量的机载成像差分吸收光谱仪。他们与公司合作将该技术产业化，现已推广多套机载成像差分吸收光谱仪，成功获取了高分辨率区域污染气体二维分布信息，填补了国内相关数据的空白。

在工作期间，司福祺曾到德国海德堡大学学习交流过一段时间。德国是痕量气体观测的先行者，无论是在设备、仪器、实验方法和经验方面，德国都领先中国。而如今的中国科学院安徽光机所已发展出一系列适合我国国情的高灵敏度、高稳定性的环境监测技术与设备，为我国大气污染的有效评估、精细溯源与防治提供关键技术支撑。现在中国和国外已经基本处于同一水平线上，一代代的科研人员为此付出了无数的心血，他感慨万千。

历史性时刻

2018年5月9日，“高分五号”卫星在太原卫星发射中心成功发射。这是我国第一颗可有效探测大气污染气体的国产卫星。有了它，我国将首次从卫星平台上掌握全球空气污染数据。司福祺作为“高分五号”卫星大气痕量气体差分吸收光谱仪载荷的主任设计师，心情激动，他为了这一天，已经奋斗了8年。

时间倒回2010年，在那一年，发生了一件极为重要的事情，高分辨率对地观测系统重大专项（以下简称“高分专项”）获批启动实施，这是《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006—2020年）》确定的16个重大科技专项之一。为了填补我国在高光谱分辨率对地观测方面的空白，高分专项明确提出多部门联动，组成国家基础设施平台，并将高分系列卫星列入科研卫星序列。司福祺所在的环境光学重点实验室因为在地基、机载设备及相关算法方面有良好的积累，被国家选中，参与高分系列卫星的科研工作。

与团队合影

“高分五号”卫星载荷大气痕量气体差分吸收光谱仪（EMI）正样产品通过出所评审时的团队合影

“我们从2010年开始做，花了8年的时间做出了一颗卫星载荷，即大气痕量气体差分吸收光谱仪（简称EMI）。”关于卫星设备，司福祺没做过，他只做过地面设备和机载设备，这其中的差别很大。卫星设备强调的是可靠性，不可维护、不可维修，必须一次成功，工程要求非常高，这对司福祺来说是一个全新的挑战，也是极其重要、必须完成的任务。

在欧洲，第一颗可以测量大气污染气体的卫星于1995年成功发射，从此以后欧洲利用卫星数据就可以观测全球的空气污染状况。而我国在2018年才成功发射“高分五号”卫星，时间上相差了23年。特别是此前在国际谈判中我国由于没有自己的观测数据，无法掌握话语权，一直饱受非议。

但有了EMI后，一切就都不一样了。在“高分五号”卫星发射成功一个月后，相关人员根据其传回的数据，绘制出了全球污染状况图谱，中国人终于有了自己的全球大气污染观测系统。而司福祺悬着的心也终于可以放下了。“在图谱传回来之前就一直很紧张，因为你也不知道发射上去会怎么样，虽然各种地面试验我们都通过了，但我们毕竟是第一次做，很多东西都是未知的，压力还是很大的。”

如今，司福祺回想起这个从无到有的过程，仍然感到十分艰难。“因为第一次做，问题比较多，按倒葫芦就起了瓢，有点手忙脚乱。”但正因为问题不断，他也在不断地前进，不断地发现问题，解决问题。司福祺和团队不仅做了硬件设备，还承担了后期数据处理软件研发工作，开发了0～1级数据处理业务化处理软件，部署在中国资源卫星应用中心，实现了1级产品的实时批量生产，并迅速分发到环保、气象等行业用户。在这个基础上，他们制作了一幅全球二氧化氮分布图。“按照行话来说，这是国产自主研发设备的首幅二氧化氮全球分布图。”司福祺自信地说。

EMI载荷目前仍然是我国紫外、可见波段光谱分辨率最高的载荷，也是我国首颗大气污染气体观测载荷。经此一役，中国科学院安徽光机所正式成为“航天俱乐部”的成员之一。

全新未来

目前已发射的EMI载荷初步满足了生态环境部等部门对大气污染数据的需求，改变了此类产品受制于国外的局面。但司福祺并未满足于此，他清楚知道与国外载荷以及用户的进一步需求仍存在差异，亟须研发大气环境监测专用卫星载荷，提升数据产品空间分辨率、时间分辨率，实现对挥发性有机化合物、对流层臭氧等更多大气成分的测量，为用户提供准确的卫星数据产品，为培育环境光学遥感仪器、卫星数据产品应用等战略性新兴产业提供技术支撑。在这场“蓝天保卫战”中，他们势必不会缺席。

现在，司福祺所在的团队有固定职工20余人，在读博士、硕士20余人，45岁以下中青年科技人员占全部专业技术人员总数的90%，专业涉及大气物理、环境科学、光学、电子学、精密仪器等领域。

近5年来，实验室新增固定资产3500余万元，主要包括真空高低温模拟试验系统、深紫外波段光谱/辐射定标系统等设备，还拥有实验室面积2000余平方米，包括近500平方米万级光学洁净室、50平方米千级光学洁净室，200平方米防静电电子学电装、装调实验室等。

好的团队更是让科学研究的脚步停不下来。“在EMI载荷的基础上，我们做了一个EMI-Ⅱ载荷，空间分辨率从之前的48公里提高到24公里，提升了一倍，该载荷搭载在‘高分五号’02星、大气环境监测卫星等3颗卫星上，预计今年会发射2颗。”除此之外，团队还做了高精度大气污染气体监测载荷，它的空间分辨率可以达到7公里×7公里，同时该载荷具有临边观测功能，能够提供垂直分辨率1公里的污染气体廓线结果，为生态环境部等用户提供高质量卫星数据，促进我国环境监测光学遥感仪器产业的发展。这也是目前国际上最先进的水平，预计将在2023年发射。

为了能完成领跑，司福祺时刻紧盯国外的最新技术。“现在国际上发展了高轨技术，相对低轨载荷，高轨载荷具有更高的时间分辨率，目前世界上第一颗高轨大气污染气体监测卫星是韩国发的，叫GEMS，但它的数据还没有完全公开，还是一些老生常谈的内容，说大气污染是中国过来的，中国对韩国的影响很大等等。”所以攻克高轨平台有效大气遥感载荷研制难题，实现污染气体全球和区域分布、垂直廓线的高时空分辨率、高精度遥感监测是司福祺所在团队在下一个五年的重点计划。“‘十四五’期间，如果能做好一个或两个，让中国拥有话语权，精确查明污染来源，这将是我们团队的成功和对国家的贡献。”这是司福祺的期许，也是一代又一代科研人员的期许。