​刘文清院士：“双碳”目标下大气环境光学监测技术发展机遇

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编者按：

《光学学报》面向国家重大需求，推出“空间、大气、海洋与环境光学”（SAME）子刊，每年出版4期，每季出版1期，旨在促进“光学+空间、大气、海洋、环境”学科的交叉融合发展，为展示创新成果、推动技术应用、探讨携手合作提供一个开放的学术平台。
SAME子刊首期封面文章来源于《光学学报》副主编刘文清院士撰写的“双碳”目标下大气环境光学监测技术发展机遇，该研究系统地梳理了基于卫星、地基和移动平台发展出的一系列大气环境光学监测技术的发展现状、最新进展及面临的瓶颈，为实现“双碳”目标指明了我国环境监测设备和监测平台的发展方向。

封面解析：

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，绿色低碳发展是国家重大发展战略。高精度、多成分、大区域、多平台天空地一体化立体监测技术将在“减污降碳”中发挥重要作用。本封面以绿色森林和大气温室气体的全球背景，形象地展示天空地一体化立体监测平台为“碳达峰、碳中和”监测和评估提供科技支撑，也预示着我国环境监测设备要向立体化、智慧化、污染与碳排放联动的方向发展。

文章来源：

《光学学报》2022年第06期封面文章（一）|刘文清. “双碳”目标下大气环境光学监测技术发展机遇[J]. 光学学报, 2022, 42(06): 0600001.

背景介绍

自2013年以来，我国相继颁布了《大气污染防治行动计划》和《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，大气环境质量明显改善，其中主要颗粒物(PM_2.5)、二氧化硫(SO₂)和氮氧化物(NO_x)的排放量均大幅下降。然而，当前PM_2.5污染负荷仍处在高位，远高于世界卫生组织指导值，进一步下降的难度加大。随着PM_2.5浓度的下降，近年来臭氧(O₃)浓度不断上升，已成为仅次于PM_2.5、影响我国环境质量和人体健康的第二大污染物。开展PM_2.5和O₃的协同控制已被纳入我国“十四五”规划。2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，中国力争2030年前实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和，即实现“双碳”目标。这一重大战略目标的提出为统筹大气污染防治与温室气体减排指明了方向，在此基础上生态环境部提出以“减污降碳协同增效”为总体目标，强调空气质量改善与应对气候变化的协同、PM_2.5与O₃污染治理协同，以及常规与非常规污染物治理协同。

在此重大国家战略背景下，中科院安徽光机所刘文清院士在《光学学报》“空间、大气、海洋与环境光学”首期发表综述类文章《“双碳”目标下大气环境光学监测技术发展机遇》。该研究首先对大气环境光学技术的发展现状和最新进展进行了梳理，阐明了其在大气环境立体监测中发挥的重要作用；其次，对现阶段大气环境光学监测的现实需求和监测手段所面临的亟须突破的技术瓶颈、国产光谱设备的发展方向以及大气环境监测多学科交叉融合发展提出了新的看法；深化了对大气污染机理及其与气候变化关系的认识，以助力实现减污降碳的科学目标。

关键技术进展

该研究提出，至今还没有一种单一技术能满足大气痕量成分监测的多种要求，不同的监测平台有着各自的优缺点：地基现场监测准确快速，但只用于局地近地面监测；地基遥感可以获得整层柱浓度，但也只能用于某个地点的监测；机载或球载遥感可以机动准确地获得垂直和水平分布，但测量频次受限；卫星遥感全球覆盖，但测量误差较大，观测时间受限。因此，发展更高精度、更多成分、更大范围、更加实用的多平台多维大气环境监测技术才能满足大气成分及其变化的各种需求，见图1。研究中还展示了京津冀地区的天⁃空⁃地一体化大气光环境学立体综合观测网络（图2），用于获取该区域的大气成分和气象参数空间立体分布信息。

图1  大气环境多平台多维度监测技术系统及其功能

图2  京津冀天空地大气光环境学立体综合观测网络

该研究还着重介绍了典型大气环境光学监测技术在地基平台、移动平台和星载平台的部分应用案例以及多平台的联合应用案例。这些技术可以用于在线现场监测、地基平台监测、机载(无人机)平台监测、球载平台监测和星载平台监测，实现不同平台的大气环境立体监测，例如：利用DOAS技术首次发现了大气中的OH、HONO、NO₃、IO、OClO和BrO，探测对流层的卤素氧化物(ClO，BrO， IO)以研究对流层臭氧洞和极地平流层卤素氧化物(BrO，IO，OClO)，确定NO₃自由基的平均浓度以研究其对海洋及大陆边界层的氧化能力（NO₂的垂直分布示例见图3）；星载平台(GOME、SCIAMACHY、OMI、GOME2、TROPOMI、我国高分5号科研卫星和大气环境02卫星)用于研究平流层(OClO，NO₂，BrO)和对流层 (NO₂，BrO) 的痕量成分浓度等，图4给出污染和温室气体监测遥感卫星发展时间历程。

图3 MAX⁃DOAS探测到的NO₂的垂直分布。(a)静稳天气NO₂垂直分布;(b)传输过程NO₂垂直分布

图4 污染和温室气体监测遥感卫星发展时间历程

总结与展望

关于今后的机遇与挑战，研究中总结：大气环境监测正在向立体化、自动化和智能化的方向发展，学科交叉融合明显，研究尺度也更加深入。通过构建全天时、全天候、全尺度、全谱段、全要素的卫星遥感观测网络体系，推动环境监测技术设备的轻量化、智能化发展及与小型化无人机等多平台的系统性结合，发展针对目标排放源的超光谱立体成像技术，融合大数据深度学习技术、5G通信技术和超级计算技术，实现多空间尺度、多时间尺度、多参数和全过程控制的“智慧环境”立体监测系统。

天空地一体化碳源碳汇监测技术将会成为实现“双碳”目标的重要手段。构建不同尺度和不同层面的天地一体化温室气体核算网络，将浓度光学监测与数值模型结合，实现对全球不同区域碳源/碳汇的精确核算；同时，也将进一步推动环境友好型监测技术的发展。

总之，只有发展更高精度、更多成分、更大范围、更加实用的多平台环境监测技术才能满足我国控制污染、实现低碳转型绿色发展的各种需求。为了达到这个目标，我们还有很长的路要走。

作者简介：

刘文清，研究员，博士生导师，中国工程院院士，中国科学院安徽光学精密机械研究所学术所长，国家环境光学监测仪器工程技术研究中心主任，大气环境污染监测先进技术与装备国家工程实验室主任。2012获安徽省重大科技成就奖。获国家科技进步二等奖3项（2007、2011、2015），省部级科学技术一等奖5项。2016年获何梁何利基金科学与技术进步奖。主要从事环境监测技术和应用研究，环境光学立体探测新方法新技术研究，地基、空基和星载平台大气成分探测仪器设备研发。

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编辑 | 王晓琰

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