肖貞林

在距離地球表面120公里內(nèi)的大氣層中，除了氮?dú)?、氧氣和惰性氣體外，還存在著許多痕量氣體，這些痕量氣體雖然體積濃度?。ú坏饺f(wàn)分之一），但是其變化將對(duì)地球大氣及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大的影響，比如耳熟能詳?shù)臏厥倚?yīng)、臭氧空洞等。痕量氣體的變化不但影響著現(xiàn)在和未來(lái)的世界，而且一直是國(guó)際科學(xué)前沿關(guān)注的熱點(diǎn)，目前痕量氣體的測(cè)量離不開(kāi)光學(xué)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段。如何利用光學(xué)技術(shù)建立特定的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)和算法、設(shè)計(jì)相關(guān)儀器探測(cè)這些痕量氣體的濃度、監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量和污染源，是中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱“中科院安徽光機(jī)所”）研究員司福祺近10年來(lái)最重要的工作。

現(xiàn)階段我國(guó)一些地區(qū)出現(xiàn)的霧霾過(guò)程與痕量氣體，如氮氧化物、臭氧、揮發(fā)性有機(jī)化合物等有不可分割的關(guān)系。徹底地研究、解決與我們息息相關(guān)的空氣污染、全球氣候變化等問(wèn)題，需要對(duì)大氣中的痕量氣體濃度和排放通量進(jìn)行更加精確測(cè)量，司福祺正為此努力奮斗。

天氣“觀察員”

在2008年北京奧運(yùn)會(huì)前，盡管我國(guó)就空氣污染問(wèn)題設(shè)立了以城市為中心的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，每天對(duì)空氣中的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和可吸入顆粒物（PM10）等污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并不能完全反映大氣污染的真實(shí)狀況，使空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與公眾的直觀感受不一致。在當(dāng)時(shí)，對(duì)近地大氣污染的監(jiān)測(cè)，還不能滿足大氣污染形成機(jī)理、演變和傳輸過(guò)程等方面的研究需要，缺乏區(qū)域、立體的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法。

很快，一支位于合肥中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所的高科技隊(duì)伍站了出來(lái)，在國(guó)家科研項(xiàng)目的支持下，他們研制了一種基于太陽(yáng)散射光的地基大氣痕量氣體柱濃度及其廓線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)——多軸差分吸收光譜儀（MAX-DOAS），實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣痕量污染氣體柱濃度及其垂直分布的實(shí)時(shí)探測(cè)，這對(duì)區(qū)域大氣污染時(shí)空分布及傳播規(guī)律的研究具有重要意義，為大氣污染形成機(jī)理和污染物動(dòng)態(tài)演化過(guò)程提供了數(shù)據(jù)支持。

“我們?cè)?008年北京奧運(yùn)會(huì)、2010年上海世博會(huì)、廣州亞運(yùn)會(huì)、2014年青奧會(huì)、北京APEC會(huì)議等近些年的大型活動(dòng)中都開(kāi)展了外場(chǎng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，用科學(xué)數(shù)據(jù)評(píng)估了國(guó)家重大活動(dòng)環(huán)境空氣質(zhì)量保障措施效果?！彼靖ｌ鹘榻B說(shuō)，“在各種測(cè)量污染的手段中，光學(xué)遙感是其中比較有代表性的方法，它能測(cè)量的范圍廣，速度快，組分多，非接觸?！彼靖ｌ鲌F(tuán)隊(duì)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)被環(huán)保部門(mén)所采納，不僅成為他們制定政策的相關(guān)依據(jù)，還是他們?cè)u(píng)估政策實(shí)施效果的依據(jù)，具有重大的作用。

除了為國(guó)家重大活動(dòng)保駕護(hù)航，多軸差分吸收光譜儀從2010年開(kāi)始，還參與了多次極地科學(xué)考察，并在北極黃河站、南極長(zhǎng)城站開(kāi)展了長(zhǎng)期觀測(cè)，監(jiān)測(cè)極區(qū)臭氧、鹵素氧化物等。作為極地站點(diǎn)長(zhǎng)期部署的設(shè)備，多軸差分吸收光譜儀準(zhǔn)確測(cè)量了極地上空的臭氧柱總量變化趨勢(shì)，為我國(guó)極地科學(xué)研究提供了技術(shù)支持。該技術(shù)于2011年獲得環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

“我們是做監(jiān)測(cè)的，需要獲取第一手原始數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)研發(fā)監(jiān)測(cè)設(shè)備是我們最重要的工作?！睘榇?，司福祺所在的團(tuán)隊(duì)不僅負(fù)責(zé)自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的變化，還和國(guó)內(nèi)的環(huán)保企業(yè)進(jìn)行了對(duì)接，讓儀器落地生產(chǎn)。他們開(kāi)發(fā)的成像差分吸收光譜技術(shù)，創(chuàng)新性地成功用于區(qū)域污染氣體快速測(cè)量的機(jī)載成像差分吸收光譜儀。他們與公司合作將該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)已推廣多套機(jī)載成像差分吸收光譜儀，成功獲取了高分辨率區(qū)域污染氣體二維分布信息，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)的空白。

在工作期間，司福祺曾到德國(guó)海德堡大學(xué)學(xué)習(xí)交流過(guò)一段時(shí)間。德國(guó)是痕量氣體觀測(cè)的先行者，無(wú)論是在設(shè)備、儀器、實(shí)驗(yàn)方法和經(jīng)驗(yàn)方面，德國(guó)都領(lǐng)先中國(guó)。而如今的中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所已發(fā)展出一系列適合我國(guó)國(guó)情的高靈敏度、高穩(wěn)定性的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)與設(shè)備，為我國(guó)大氣污染的有效評(píng)估、精細(xì)溯源與防治提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。現(xiàn)在中國(guó)和國(guó)外已經(jīng)基本處于同一水平線上，一代代的科研人員為此付出了無(wú)數(shù)的心血，他感慨萬(wàn)千。

歷史性時(shí)刻

2018年5月9日，“高分五號(hào)”衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。這是我國(guó)第一顆可有效探測(cè)大氣污染氣體的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星。有了它，我國(guó)將首次從衛(wèi)星平臺(tái)上掌握全球空氣污染數(shù)據(jù)。司福祺作為“高分五號(hào)”衛(wèi)星大氣痕量氣體差分吸收光譜儀載荷的主任設(shè)計(jì)師，心情激動(dòng)，他為了這一天，已經(jīng)奮斗了8年。

時(shí)間倒回2010年，在那一年，發(fā)生了一件極為重要的事情，高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)（以下簡(jiǎn)稱“高分專項(xiàng)”）獲批啟動(dòng)實(shí)施，這是《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》確定的16個(gè)重大科技專項(xiàng)之一。為了填補(bǔ)我國(guó)在高光譜分辨率對(duì)地觀測(cè)方面的空白，高分專項(xiàng)明確提出多部門(mén)聯(lián)動(dòng)，組成國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，并將高分系列衛(wèi)星列入科研衛(wèi)星序列。司福祺所在的環(huán)境光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室因?yàn)樵诘鼗C(jī)載設(shè)備及相關(guān)算法方面有良好的積累，被國(guó)家選中，參與高分系列衛(wèi)星的科研工作。

“我們從2010年開(kāi)始做，花了8年的時(shí)間做出了一顆衛(wèi)星載荷，即大氣痕量氣體差分吸收光譜儀（簡(jiǎn)稱EMI）?！标P(guān)于衛(wèi)星設(shè)備，司福祺沒(méi)做過(guò)，他只做過(guò)地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備，這其中的差別很大。衛(wèi)星設(shè)備強(qiáng)調(diào)的是可靠性，不可維護(hù)、不可維修，必須一次成功，工程要求非常高，這對(duì)司福祺來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)，也是極其重要、必須完成的任務(wù)。

在歐洲，第一顆可以測(cè)量大氣污染氣體的衛(wèi)星于1995年成功發(fā)射，從此以后歐洲利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)就可以觀測(cè)全球的空氣污染狀況。而我國(guó)在2018年才成功發(fā)射“高分五號(hào)”衛(wèi)星，時(shí)間上相差了23年。特別是此前在國(guó)際談判中我國(guó)由于沒(méi)有自己的觀測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法掌握話語(yǔ)權(quán)，一直飽受非議。

但有了EMI后，一切就都不一樣了。在“高分五號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射成功一個(gè)月后，相關(guān)人員根據(jù)其傳回的數(shù)據(jù)，繪制出了全球污染狀況圖譜，中國(guó)人終于有了自己的全球大氣污染觀測(cè)系統(tǒng)。而司福祺懸著的心也終于可以放下了?！霸趫D譜傳回來(lái)之前就一直很緊張，因?yàn)槟阋膊恢腊l(fā)射上去會(huì)怎么樣，雖然各種地面試驗(yàn)我們都通過(guò)了，但我們畢竟是第一次做，很多東西都是未知的，壓力還是很大的?！?/p>

如今，司福祺回想起這個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程，仍然感到十分艱難?！耙?yàn)榈谝淮巫?，?wèn)題比較多，按倒葫蘆就起了瓢，有點(diǎn)手忙腳亂?！钡?yàn)閱?wèn)題不斷，他也在不斷地前進(jìn)，不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。司福祺和團(tuán)隊(duì)不僅做了硬件設(shè)備，還承擔(dān)了后期數(shù)據(jù)處理軟件研發(fā)工作，開(kāi)發(fā)了0～1級(jí)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)化處理軟件，部署在中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，實(shí)現(xiàn)了1級(jí)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)批量生產(chǎn)，并迅速分發(fā)到環(huán)保、氣象等行業(yè)用戶。在這個(gè)基礎(chǔ)上，他們制作了一幅全球二氧化氮分布圖?！鞍凑招性拋?lái)說(shuō)，這是國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)設(shè)備的首幅二氧化氮全球分布圖?！彼靖ｌ髯孕诺卣f(shuō)。

EMI載荷目前仍然是我國(guó)紫外、可見(jiàn)波段光譜分辨率最高的載荷，也是我國(guó)首顆大氣污染氣體觀測(cè)載荷。經(jīng)此一役，中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所正式成為“航天俱樂(lè)部”的成員之一。

全新未來(lái)

目前已發(fā)射的EMI載荷初步滿足了生態(tài)環(huán)境部等部門(mén)對(duì)大氣污染數(shù)據(jù)的需求，改變了此類產(chǎn)品受制于國(guó)外的局面。但司福祺并未滿足于此，他清楚知道與國(guó)外載荷以及用戶的進(jìn)一步需求仍存在差異，亟須研發(fā)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)專用衛(wèi)星載荷，提升數(shù)據(jù)產(chǎn)品空間分辨率、時(shí)間分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物、對(duì)流層臭氧等更多大氣成分的測(cè)量，為用戶提供準(zhǔn)確的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為培育環(huán)境光學(xué)遙感儀器、衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)支撐。在這場(chǎng)“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”中，他們勢(shì)必不會(huì)缺席。

現(xiàn)在，司福祺所在的團(tuán)隊(duì)有固定職工20余人，在讀博士、碩士20余人，45歲以下中青年科技人員占全部專業(yè)技術(shù)人員總數(shù)的90%，專業(yè)涉及大氣物理、環(huán)境科學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、精密儀器等領(lǐng)域。

近5年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室新增固定資產(chǎn)3500余萬(wàn)元，主要包括真空高低溫模擬試驗(yàn)系統(tǒng)、深紫外波段光譜/輻射定標(biāo)系統(tǒng)等設(shè)備，還擁有實(shí)驗(yàn)室面積2000余平方米，包括近500平方米萬(wàn)級(jí)光學(xué)潔凈室、50平方米千級(jí)光學(xué)潔凈室，200平方米防靜電電子學(xué)電裝、裝調(diào)實(shí)驗(yàn)室等。

好的團(tuán)隊(duì)更是讓科學(xué)研究的腳步停不下來(lái)?！霸贓MI載荷的基礎(chǔ)上，我們做了一個(gè)EMI-Ⅱ載荷，空間分辨率從之前的48公里提高到24公里，提升了一倍，該載荷搭載在‘高分五號(hào)02星、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星等3顆衛(wèi)星上，預(yù)計(jì)今年會(huì)發(fā)射2顆?！背酥?，團(tuán)隊(duì)還做了高精度大氣污染氣體監(jiān)測(cè)載荷，它的空間分辨率可以達(dá)到7公里×7公里，同時(shí)該載荷具有臨邊觀測(cè)功能，能夠提供垂直分辨率1公里的污染氣體廓線結(jié)果，為生態(tài)環(huán)境部等用戶提供高質(zhì)量衛(wèi)星數(shù)據(jù)，促進(jìn)我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)光學(xué)遙感儀器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這也是目前國(guó)際上最先進(jìn)的水平，預(yù)計(jì)將在2023年發(fā)射。

為了能完成領(lǐng)跑，司福祺時(shí)刻緊盯國(guó)外的最新技術(shù)?！艾F(xiàn)在國(guó)際上發(fā)展了高軌技術(shù)，相對(duì)低軌載荷，高軌載荷具有更高的時(shí)間分辨率，目前世界上第一顆高軌大氣污染氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星是韓國(guó)發(fā)的，叫GEMS，但它的數(shù)據(jù)還沒(méi)有完全公開(kāi)，還是一些老生常談的內(nèi)容，說(shuō)大氣污染是中國(guó)過(guò)來(lái)的，中國(guó)對(duì)韓國(guó)的影響很大等等?！彼怨タ烁哕壠脚_(tái)有效大氣遙感載荷研制難題，實(shí)現(xiàn)污染氣體全球和區(qū)域分布、垂直廓線的高時(shí)空分辨率、高精度遙感監(jiān)測(cè)是司福祺所在團(tuán)隊(duì)在下一個(gè)五年的重點(diǎn)計(jì)劃?！啊奈迤陂g，如果能做好一個(gè)或兩個(gè)，讓中國(guó)擁有話語(yǔ)權(quán)，精確查明污染來(lái)源，這將是我們團(tuán)隊(duì)的成功和對(duì)國(guó)家的貢獻(xiàn)?！边@是司福祺的期許，也是一代又一代科研人員的期許。

專家簡(jiǎn)介

司福祺，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員、博士生導(dǎo)師，主要從事光信息處理、痕量氣體光學(xué)與光譜學(xué)監(jiān)測(cè)方法等研究。2006年在中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所獲光學(xué)專業(yè)理學(xué)博士學(xué)位，曾在日本千葉大學(xué)、德國(guó)海德堡大學(xué)進(jìn)行研究工作。10多年來(lái)一直從事光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，已有多項(xiàng)科研成果通過(guò)鑒定，授權(quán)發(fā)明專利27項(xiàng)，發(fā)表論文140余篇。獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國(guó)家環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、安徽省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，以及安徽省優(yōu)秀青年基金等獎(jiǎng)勵(lì)。擔(dān)任我國(guó)首臺(tái)星載大氣痕量氣體監(jiān)測(cè)載荷主任設(shè)計(jì)師，負(fù)責(zé)該載荷的研制和在軌運(yùn)行，成功獲取了國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星首幅二氧化氮等大氣污染氣體全球分布圖，改變了星載大氣污染氣體分布數(shù)據(jù)受制于國(guó)外的現(xiàn)狀。目前重點(diǎn)發(fā)展方向?yàn)樽贤?、可?jiàn)波段痕量氣體測(cè)量技術(shù)研究及上述技術(shù)在地基、空基、星載平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，紫外輻射測(cè)量研究等。