从筚路蓝缕到欣欣向荣，看环境光学如何一路“披荆斩棘”

文/谢品华，刘文清 中国科学院安徽光学精密机械研究所

1996 年 10 月，时任中科院常务副院长路甬祥到安徽光机所调研，经过与安光所的领导班子充分交流后认为：利用安光所已有的大气光学和激光技术的优势，与基础研究交叉结合起来发展环境光学，并应用到环境监测等领域，开辟新的发展方向，是一个很好的设想。

1998 年 5 月，仅凭 20 万元作为科研启动经费，以刘文清为主任的环境光学监测研究室成立，这标志着环境光学新学科方向的诞生。环境光学抓住进入知识创新工程的机遇，坚定进行大气环境光学创新，新的格局快速形成。大方向虽然已基本确定，但“枝叶”还比较零乱，研究所领导和从日本做博士后归来的刘文清认为：要把主要的“骨架”先搭起来，不能“披头散发”地做科研。

环境光学该怎么做？主攻方向首先瞄准大气污染。刘文清与时任研究所所长的胡欢陵等领导达成共识：以开展城市空气质量监测为主，仅仅关注平面还不够，必须上坐标；既要在学术上站得住脚，技术成果也要实现产业化；既要得到国家环境管理部门的认可，也要为国家的宏观决策管理提供思路。

满足国家战略需求，面向世界前沿，必须清楚战略需求中的科学问题是什么。研究所领导和刘文清意识到：必须研究“三气”中的科学问题：一是城市的空气质量、二是汽车尾气的排放浓度、三是燃煤系统的废气成分。对能耗和污染状况进行监测，为政府和企业提供准确可靠的相关数据，以便控制和降低空气的污染程度。针对最初的科学问题完成的“空气质量和污染源环境光学监测技术系统与应用”，弥补了我国的常规污染物在线自动监测仪器几乎空白的境遇，获得了 2007 年度国家科技进步奖二等奖。

环境光学创新刚起步便得到大师们的支持，王大珩、龚知本、任阵海、刘鸿亮、魏复盛、刘颂豪、何多慧等多位院士都指导了环境光学学科的发展。2000 年 4 月，由两院院士组成“先进环保技术领域专题组”，向国家提供了《先进环保技术咨询报告》，肯定了环境光学开发的多种环境监测技术研究方向。

2005 年“中科院环境光学与技术重点实验室”在合肥科学岛成立，一支团结和谐、充满朝气的研发团队初步形成，环境光学监测技术也纳入了科技部“十一五”资源环境科技规划。重点实验室就以环境光学新原理新方法研究为基础，以先进环境光学技术与应用为重点，建立环境光学与技术研究平台自己的发展目标；将环境光学应用基础研究、定量监测新方法研究和环境监测高新技术与系统集成创新研究定为重点研究方向。

环境光学监测技术由点到面、由大气向水体、土壤延伸，监测手段由实时定点到移动车载、机载、星载发展，不少已经在空气质量、污染源连续监测、机动车尾气监测方面批量产业化了。

随着我国经济社会的发展，我国可持续发展开始面临复合性、区域性大气污染问题。刘文清研究员指出：“应尽快发展大气立体探测技术，来满足科学研究中高灵敏、高分辨时空分布、多组分排放、跨区域传输、过程演变等方面的监测需求。”

环境光学逐步发展了从紫外到红外多波段污染物光谱分析方法，建立了大气污染物光谱数据库，自主研发了 DOAS（差分吸收光谱）、FTIR（傅里叶红外光谱）、LIDAR（激光雷达）、 LIBS（激光诱导击穿光谱）、CRD（腔衰荡光谱）、TEOM（振荡天平）等一批关键技术，这些技术的应用实现了对大气环境的一次、二次污染物，即自由基及其前体物、有毒有害的痕量气体（污染源）的快速、立体、在线监测。

完成的“大气环境综合立体监测技术研发、系统应用及设备产业化”、“大气细颗粒物在线监测关键技术及产业化”项目分别获得了 2011、2015 年度国家科技进步奖二等奖。环境光学关键技术的研发和系统集成，推动了光学技术在我国环境监测中的应用，尤其是区域大气污染立体监测技术，已应用于北京奥运、上海世博、广州亚运、北京 APEC 会议、2015 年反法西斯战争胜利 70周年阅兵式等重大活动的空气质量监测及控制措施评估，并逐步在我国东部地区建立了区域大气污染立体监测网，可时刻把控我国区域环境状况的脉搏。时空演变数据的获取和解析，为深入研究区域污染机理、时空 / 复合特性及其关键物化过程提供了先进的技术手段和科学的数据。

随后，立体探测技术的发展由地基平台走向空基、天基平台。2010 年，重点实验室承接了“十二五”国家重大专项高分 5 号的大气成分探测载荷任务。经过近 6 年的刻苦攻关，承担的大气成份探测载荷工程样机已搭载在高分 5 号卫星上，于 2018 年在太原卫星发射中心成功发射。该卫星是我国首次搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪的卫星，该大气成份探测载荷的研制和发射，将填补我国污染气体、温室气体遥感监测的空白，提升我国大气环境遥感监测的定量化和精细化水平，为我国环境污染防治等工作提供重要科技支撑和空间信息服务。

近年来，工业园区规模扩大，爆炸、火灾、泄露等突发大气污染事故频发，固定地面站点监测在定位排放源方面有所局限。针对工业园区有毒有害气体来源识别、排放监控以及突发事件应急预警的技术需求，急需建立“数据准确、响应及时、覆盖全面”的工业园区有毒有害气体监测技术体系，以应对化工园区突发事故，对复杂、动态变化环境条件下的污染物实现快速、精准的识别，并适应事故现场高温、高湿等恶劣环境条件。环境光学遥测手段的优势再一次显现，研究人员开始着手开发车载开放光路面源排放监测系统，以便快速获取事故区域的污染物扩散趋势等情况。

针对工业园区高温、高湿、高粉尘、高振动等恶劣工业环境，安光所研究人员自主研发了点源排放连续监测、线源泄漏自动检测、面源排放通量光学遥测和车载走航观测等光学监测设备；突破了工业园区有毒有害气体卫星遥感反演技术；通过系统集成自主研发的有毒有害气体光学监测方法、光谱数据库系统、光谱分析软件系统，结合大气痕量气体成分卫星反演算法软件，形成了一种工业园区有毒有害气体光学监测整体解决方案，实现了“点 - 线 - 面 - 区域 + 移动监测”四位一体的工业园区有毒有害气体全方位光学监测，为工业园区有毒有害气体的监测布下“天罗地网”。最终完成的“工业园区有毒有害气体光学监测技术及应用”项目荣获 2019 年度国家科学技术进步奖二等奖。

环境光学在新研究领域要有所突破，为国家可持续发展提供有力的科技支撑，成为国家环境监测高技术创新源头，就必须完善学科建设，培养先进环境科技人才。环境光学发展的“秘籍”，就是建立完备的学科体系，培养人才并形成人才梯队。 

环境光学作为一门综合性的新兴交叉学科，不仅是经典光学的创新发展，也是环境科学的新丰富。它结合了环境物理学、大气光学、光谱学等学科，利用光学中的吸收光谱、发射光谱、光的散射以及大气辐射传输等方法研究环境污染的机理及监测防治技术，已逐渐形成了较为完整的体系。

环境光学监测是环境光学的重要组成部分，它将光学和光谱学方法、结合现代科学技术手段获取环境参数 , 具有实时、动态、快速、非接触遥测、监测范围广、成本低、多组分和检测分析灵敏度高等优势。相比基于化学原理的分析方法，环境光学在监测过程中也不会产生任何二次污染，是 21 世纪国际分析界提倡的绿色分析方法，是当今国际环境监测的发展方向和主导技术。

在学科发展上，环境光学建立了大气探测技术、地基 / 机载 / 星载光学遥感、海洋光学及海洋探测、环境光谱、光电传感、环境监测以及量子精密测量等热点环境光学与技术领域，并完善了相应的人才队伍建设。刘文清院士说：“我们会根据每个人的能力，给大家搭建展现才华的舞台，机会要靠每个人自己把握。”如今，在前辈的带领下，中青年科研骨干快速成长，在项目研究和实验室建设方面发挥了越来越重要的作用。

根据环境监测的需求导向，环境光学还实现了从“气”到“水”的跨越。2007 年时，太湖爆发了水危机，原来 28 万元一套的国外仪器，竟骤涨到了 68 万元。那时候国内同行监测水体的研究还比较少，环境光学的同仁群策群力，另辟蹊径，通过环境光学的方法来解决巢湖水问题，研究出浮标监测系统和预警方法，包括对土壤重金属和有机物的监测，得到了“863”计划的支持。对大面积的水源进行遥测，原来需要人力到多点采样分析，现已不需现场取样。 

锐意创新，高山景行。经过多年努力，我们已经成为了一支人才济济的环境光学专家队伍。同时，安光所还以“科教结合、协同创新”为宗旨，面向国家环境科技需求和光电技术前沿，探索科技创新与人才培养紧密结合、协同发展的运行机制，培养和造就具有国际视野、立志造福社会，既掌握环境科学又拥有光电技术的高科技综合型实用人才。

桃李不言，下自成蹊，科教结合，前景无限。环境光学的明天，也将更加绚丽美好！

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