刘文清：双碳背景下大气环境探测技术的发展机遇

刘文清

自从有了人类后，构成地球大气的主要成分就没有发生变化，但是微量的成分变化是非常明显的，这种变化来源于人类的活动和它自然本身的这种变化，所以这些变化实际上它影响我们的生存环境。一是空气质量，污染能见度下降，生态系统破坏；二个是气候变化，也就是地球辐射的收支平衡，产生了非常大的影响。所以环境污染和气候变化是我国生态环境建设的两大关键问题，那么理解这些变化，减轻这些危害就需要一些监测技术和它相应的这种监测仪器。

除了二氧化碳是增温的，其他的一些大气污染到底是使环境气候是变冷还是变暖目前实际上都还没有太清楚的一个定论，例如VOCs。

清华大学贺克斌教授有个主题研究是讲区域空气质量的核心调控技术体系，因为大气污染的形成、转化和演变输送是发生在高空空间，所以临近地面有限指标的监测，没办法反映污染的全部过程。怎么样来更好地理解这些过程，有没有预测这些问题的能力？我们需要有一个完整的大气环境监测系统，把污染值精确地测量出来，才能精确地描述大气的化学过程反应。

所有的环境管理，都建立在准确的测量基础上。新监测技术的发展，是我们环境保护水平提升的一个巨大的动力。大气环境问题的解决，也是依赖于监测技术的发展。同时，大气污染的问题，也推动了监测技术的发展。

从技术进展角度上讲，监测技术无非就是色谱、质谱、化学、电化学、光学和光谱学，包括现在发展的一些生物传感器。光学技术具有远距离的探测能力，可以做到非接触的测量，所以光谱色谱质谱也成为了环境监测中的热点技术。除空气之外，包括水质、烟气、土壤、VOCs还有大尺度的这种遥感，包括现在广泛使用的微信平台上，基本上都是采用的光谱色谱质谱技术。近年来，光谱色谱质谱的国产化取得了长足的进步。国产企业可以自主生产这一类的仪器，但一些核心的元器件还须要从国外去进口，像离子源、激光器探測器等。

光波与大气成分相互作用，就像人类指纹一样发生光谱上的变化。光谱变化你就可以反推出它的浓度或者它的种类，比如测量了一条大气光谱，知道了每条每种成分的光谱指纹，利用算法就可以来区分做定量分析，就可以得出它在哪个波段是什么样的成分与什么样的浓度。

从大气环境立体探测技术来说，我们国家也发展了一系列的探测技术，分别用于地级平台、空机平台、无人机的平台。简单介绍两种波段的监测，一是在紫外可见波段，另一个是红外波段。

目前最常用的是风光光谱或者是光谱风光，光山风光基本上可以实现全国产化，当然也可以用棱镜风光，或者干涉风光。干涉风光通过距离的运动，通过光谱的浮力变换，就可以得到光谱的运动变化。例如室外，在地面设置一个摆动的干涉风光仪器，有一个望远镜可以接受不同方向上的光散射，通过一定的算法，就可以获得各种各样的气体成分，包括细颗粒物的立体分布等。利用这种技术，我们可以清楚的看到空气中二氧化碳的垂直分布的变化。

从前的光谱监测只做二氧化硫、氮氧化物，随着分析技术的算法的改进，现在可以做到差不多30多种。如果把仪器装在汽车上，围绕一个小区行驶，就能知道该小区的流出和流入分数，可以计算中间的净排放量，当车停下来之后，又可以做成像的量化的排放扫描。

紫外与红外是不太一样的。紫外和可见它主要是分子的电动电子态的跃迁，红外属于分子振动和转动能级的跃迁。红外的吸收截面就非常大，红外核心是MAC性干涉，它要求的精度特别高，MAC性干涉摆动不能有其它的震动，目前我国技术还达不到。由此生成的仪器设备，主要是做危险品化合物监测，比如可以用在园区污染物浓度排放的预警性监测。

2018年我国发射了高分五号卫星，主要用于大气污染监测。高分五号在软件方法方面与欧洲的系统做过比对，在高气溶胶背景下，精度和算法比欧洲的系统提高了一定的量级。去年7月开始，我们就无法访问到欧洲的实时的卫星数据。科技创新既是发展问题，更是一个生存问题。我们可以根据氮氧化物的浓度来判断一个地区的经济活动，也可以研究城市之间、国与国之间的跨界输送和跨界传输的东西。

今年9月7号，02星即环境的二号星在太原成功发射。02卫星在光谱分辨率和空间分辨率上都有非常大的提高，它的观摩强度观测规模和强度是远超欧美和国内近30年来开展的国内的通信大型观测计划，它的数据可能马上就会开放使用，用来解决在重污染发生演变消散过程中间的一些科学问题。

在极地科考和海洋科考上，例如我国在南极的黄河站也沿用了02卫星上的仪器设备，这些仪器设备对由于基地环境污染的变化是比较敏感的，主要是获取这个边界层结构气溶胶的特征、前体、物包括为物理特性，可以观测卤素氧化物对修养空洞方面的影响。

根据选样的光源以及选择的光源的波段和光层的设置，以及采用什么样的光源，包括你风光的特点，这样你就可以组成环境光学技术的谱系图。采用不同的方法，可以做成一系列的我们需要的测量技术、测量仪器和测量系统。例如测试气体中的颗粒物、水质中的叶绿素以及叶绿素的早读数等。

从发展的思路上讲，目前的大数据研究是暨实验科学、理论分析和计算机模拟之后的新的科学方式。因为光靠一些简单的点式的或者实验室测量的这种数据赶不上现在这个时代的需求，所以大数据将来可能会成为一个重要的研究手段。从智慧环境发展的角度讲，去采点样到实验室做比对测量，从传感器到传输到分析，再到服务的一个分工过程。

在双碳工作中，碳排放所有的点源是什么样的状况？是多点源或面源，是区域还是全球？目前的观测能力与监测能力还是存在严重的不足。虽然环境监测仪器的数量甚至比生命科学监测仪器更一些，类似于电子测量仪器占了很大的一类。

我国环境科学发展在监测技术方面首先要解决的空心化问题，一些核心器件、传感器我们仍然要靠国外技术，这是个大问题。国际上现在有26，000种传感器，我国能做的是12，000种，仍有14，000种不能做，客观原因是我国的环境科学起步晚，只有40年的发展。而传感器不亚于芯片的短缺，导致目前传感器市场基本上都是国外的公司垄断。近几年，国内力学方面的传感器的企业做得还不错，但在光学或者光电方面的传感器与国际相比性能差距较大。

另一个问题就是软件的短板，现在行业软件，包括专业软件基本上都是国外的。即使软件是自己的，核心、算法、系统仍然是国外的，也就是说东西都是你造出来的，但是造东西的一切方法是别人的。所以软件市场非常大，但高端的仪器进入门槛难度也比较高。

例如要建生态环境生态环境监测网络，像全球大气成分变化网络，从前国外觉得我们水平不够，等我们的科技水平高于他们时，他就会主动来找你，包括探助。

碳达峰碳中和实际上有非常多的技术需求去做，除了治理之外，监测技术仍然需要大量的发展，比如重点行业或者关键领域以及温室气体排放监测和评估的一些办法。没有监测就没有办法评估，没有评估就没有办法去优化。

所以绿色低碳发展是国家重大的一个发展战略。那么实际上今后40年实际上是在可持续发展目标的约束下，控制污染，实现低碳转型的绿色发展，应该是我们国家主要经济体的一个发展方向。