据中国激光杂志社网，于2023年12月01日报道，今年9月22日，是我国“碳达峰、碳中和”目标提出三周年的日子。
在“蓝天保卫战”初见成效的背后，一支光学力量在环境监测领域筑起了一道坚实的防线——我国环境光学监测领域的标杆性专家刘文清院士率领团队建立了包括400多种大气污染物、100多种水体污染物、20多种土壤重金属污染物的光谱特征数据库，为大气环境“把脉”， “诊断”水体、土壤的污染情况提供了技术基础。他曾表示：“环境光学监测就像是给大气做CT扫描，通过给大气‘拍CT’，就能捕捉到污染物的蛛丝马迹。”
目前，我国环境监测有哪些改变？大气污染问题是否会反复出现？在“碳达峰、碳中和”目标牵引下，我国环境光学监测技术还有哪些工作可以完善？在“中国激光杂志社”微信号成立10周年之际，“海上有光”大咖访谈栏目特别邀请到了中国科学院光学精密机械研究所研究员陈卫标，中国工程院院士、中国科学院安徽光学精密机械研究所研究员刘文清，围绕中国环境光学监测技术这一话题进行深入交流。
以下为文字实录（根据访谈内容有所删减）：
光学技术如何服务于我国环境的有效监测？
陈卫标：空间、大气、海洋、环境与人类的生存发展息息相关。科学家们利用光学技术在这一领域探索未知，今天我们很荣幸地邀请到刘文清院士与我们一起探讨。我们知道近地空间尤其是平流层的飞行器，包括飞艇气球，这些飞行器的控制是非常困难的，那么在这一情况下的环境光学检测过程中，平流层的天气是否能为飞艇、气球等飞行器的控制带来有效的预报呢？
刘文清：平流层实际上是西风带的一种高空气流，位于大约10公里到50公里高度范围内，主要由从西向东的强风组成。通常而言，平流层西风带在冬季时间比夏季时间更强烈，这主要是因为冬季北半球的温差比较大，从而导致大气层的压力梯度比较大，所以使得平流层西风带的强度也在增加。目前观测高层大气的方法主要有以下几种：
（一）气球观测：通过将传感器装在气球或探空器上，将其发射到大气中，以测量大气的温度、湿度、气压等参数；
（二）卫星观测：利用卫星上搭载的遥感仪器，比如红外线成像仪、微波辐射器、紫外-可见光成像仪等，探测大气层的温度、化学成分等参数，获取高空大气状态，由于该方法具有高时空分辨率和区域覆盖范围大的优点，因此是目前对高层大气进行观测的重要手段之一；
（三）地面观测：通过建立地面观测站，比如电离层垂直探测雷达，中层大气雷达、全球定位系统、接收机等等，探测大气层的电离度、温度、湿度、风场等参数；
（四）飞机观测：通过在飞机上搭载测量仪器，比如光学探测仪、微波辐射计等获取大气层中的温度、湿度、化学成分的分层的信息。利用基于计算机的数字预报模型可以通过大气运动方程、热力学方程、辐射传输方程可以实现对大气温度变化的预测，目前常用于高空大气的数值模型包括WACCM、CHEM、CMAQ、WM等；利用观测数据与模型数据相结合的数据同化技术，可以基于卡尔曼滤波等统计方法，并将气象探空、卫星遥感等观测数据与数字模型相结合，提高模型对大气预测的准确性。
陈卫标：我国在空间、大气、海洋、环境等方面的研究中，光学领域中的哪些技术是应用热点？
刘文清：随着全球气候变化的加剧，气候变化与环境演化的研究逐渐成为当前的热门研究领域，相关的研究包括：全球变暖、极端气候事件、海平面上升等。光学技术和光谱学技术在促进碳减排方面，包括了以下三类应用：（一）在能源、建筑、交通等方面的节能减排技术；（二）发展增“汇”，通过增加森林、海洋中的碳“汇”，来吸收大气中的二氧化碳，从而减少温室气体的浓度；（三）通过先进的光学和光谱学监测技术，通过地面、卫星等平台进行碳监测和数据评估验证。
我国大气污染问题是否会反复出现？
陈卫标：近年来，我国在大气污染治理方面取得了很好的效果，蓝天、碧水、净土也越来越常见，是否“大气污染”问题已经被彻底解决了呢？这个问题是否还会反复出现？如果会反复出现，一般是什么原因？
刘文清：自“国十条” 政策以来，我国的大气污染防治工作取得了显著的成绩，例如：目前我国城市环境的平均优良天数比例已超过87%，碳排放强度下降了34%，已经成为世界上空气质量改善最快的国家，并正全面迈向减污降碳协同增效的新征程。目前出现“大气污染”反复的问题，主要有以下几方面的原因：
（一）大气氧化性增强，二次污染生成的贡献增加。由于大气中的氮氧化物和挥发性有机物会通过光化学反应增强大气氧化性，进而促进臭氧和二次颗粒物的形成，导致污染发生，因此人们未来也仍需关注大气氧化性在污染形成中的核心作用，实现多目标、多污染物的协同共治；
（二）不利的气象条件也会导致区域性的环境容量降低。受地形、气象条件等因素的影响，区域大气扩散受阻将导致污染物的累积，进而降低环境容量、导致污染；
（三）区域传输增加导致污染。由于我国大气污染存在显著的区域分布不均匀和传输频繁的特点，因此随着污染治理的逐渐深入，污染特征呈现本地排放占比逐步减少、外来输送占比逐步增加的特点，由于区域内及不同区域间存在相互影响，导致污染物长时间滞留，将会增加污染天气出现的风险。总而言之，我们需要继续坚持对污染源和污染物减排，来维持、改善长期空气质量，但短期的空气质量仍会受到气象作用的影响。
陈卫标：近年来，人们感受到雾霾等大气污染确实已经减轻，但又出现了臭氧问题，臭氧对于人类有何危害？雾霾减轻以后，造成臭氧问题的原因有哪些呢？
刘文清：南京信息工程大学与哈佛大学进行的研究证明：PM2.5对过氧自由基和氮氧化物的非均匀吸收，可以抑制臭氧的化学生成，因此PM2.5含量降低将会加剧地表的臭氧污染。从光学的角度理解，PM2.5的下降增强了空气的能见度，而在所有情况都不变的条件下，光照增强将加剧光化学反应，进而导致臭氧等化学产物增加。太阳辐射强度的增强一方面给臭氧的生成提供了更多的能量，另一方面也减少了臭氧消耗，并导致氮氧化物、挥发性有机物等生成臭氧的重要前体物缓慢增加，因此进一步加剧了臭氧的污染。
臭氧对人类的危害包括：（一）具有氧化性：随着其含量的增加，将促进大气二次污染的形成；（二）损害人体健康：诱发呼吸道、心血管以及神经系统疾病，并可能会导致皮肤老化和过早死亡；（三）影响植被：臭氧的氧化作用会抑制植被的光合作用，造成农作物和森林减产。臭氧对于人类的危害严重，因此必须要被重视，也需要相关的科技工作者做出更多的努力。例如：95%以上的臭氧处于平流层，仅有5%处于对流层，但部分地区在夏季时，臭氧含量增加迅速，这是由于臭氧的传递包括水平和垂直两个方向，因此需要发展臭氧雷达、臭氧探空仪等设备，以根据臭氧输运方向进行调控，判断臭氧下沉了多少，进而实现防治和治理。
陈卫标：全球变暖问题也一直是人类非常关心的问题，您认为它的根源是什么？未来的发展会是什么趋势？我们人类、包括光学科研工作者在这些方面上还能做点什么事情？
刘文清：地球变暖的根源是多方面的，其中人为的温室气体排放是主要原因。自工业革命以来，大量使用化石燃料导致了二氧化碳、甲烷等温室气体的过量排放。这些温室气体对于太阳的短波辐射具有较高的透过性，而对地面反射的长波具有很高的吸收性，因此导致了地球的温室效应。此外，一些自然灾害，例如土地沙化、森林锐减以及地球公转变化等，也是导致地球变暖的主要因素。地球变暖的危害性极大，例如导致全球降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升等，不仅危害了自然生态系统的平衡，同时也危害了人类的食物供应、居住环境以及生命安全。
国产气体监测卫星，牢牢把住我国温室气体的数据安全大门
陈卫标：这几年关于极端天气变化的报道越来越多，如北极冰盖融化等，我们已经意识到了气候对人类的影响。针对该现象，我国提出了“碳达峰，碳中和”的政策来保护赖以生存的居住环境，“碳达峰、碳中和”对我国的科研工作者、对未来的国际发展都有指导性的意义。能谈谈您的理解吗？
刘文清：在“碳达峰、碳中和”的大背景下，我们在空间、大气、海洋和地球领域可以做的工作有很多，包括：坚持自主研发温室气体监测技术和装备，实现服务空间、大气、海洋和地球应用场景下的温室气体监测，为实现“碳达峰、碳中和”目标提供监测技术和数据支撑。当前我国环境监测仪器、环境监测技术发展都是比较快的，与国外先进水平的差距也在不断缩小，尤其是在高光谱、超光谱类的环境监测技术与装备方面，我们自主研发的一系列卫星监测设备也发挥了越来越重要的作用。我国的环境监测技术与装备，已经从单一的依靠化学采样分析的方法，发展到现在涉及物理监测、生物监测、生态监测、地基和遥感卫星、以及天空地一体化的监测系统，从间断性的监测逐步过渡到自动连续监测，监测的范围也从一个点或者园区扩展到一个城市，一个区域乃至全国，我们国家依靠自主研发的技术已经初步形成了以环境空气质量为主的自动监测站，形成了地面的监测网络体系。
近年来，为了适应大气污染机理研究和污染防治工作的需要，我们国家在环境监测技术上积极探索，并取得了突破性的进展，为“碳达峰，碳中和”目标提供了技术支撑，例如：我们发射的首颗温室气体监测卫星TanSat，在解决了光谱质量差等一系列难题的基础上成功观测了全球大气中CO2浓度的时空变化，并使其精度和国外的先进水平相当；另外我国今年还发射了目前国际上首颗采用主动探测模式的激光二氧化碳监测卫星（详细数据可查看：SAME封面丨国际首个星载高光谱分辨率激光雷达重要数据亮相）。目前在环境光学监测领域所采用的技术均呈现跨介质、全尺度和高精度的趋势，并且研究尺度也在逐渐延伸、学科交叉程度逐渐提高、技术装备也朝着自动化、智能化方向发展。
环境污染与气候变化是我国生态文明建设面临的主要问题，由于大气环境污染物和温室气体同根同源，因此二者具有显著的协同性，但在监测技术的原理构成、光学和光谱学技术应用以及监测技术的自主可控方面，都还存在有很多的工作要去攻克，但我相信我们能够圆满完成这些研究。
未来，光学技术在健康领域会收获更多关注
陈卫标：我们今天讨论了很多光学技术在空间、大气、海洋、环境等环境监测的交叉领域应用，您认为光学技术的重要性如何？对于光学技术，您希望未来能在哪些领域中的应用能够进一步发展？
刘文清：在空间、大气、环境、海洋等环境监测领域中，存在非常多的光学技术应用，可以说光学技术“照亮”了世界，据统计，与光学有关的诺贝尔奖得主数量高达1/3，也证明了光学技术的应用非常广泛。我个人认为，未来光学技术的研发和应用将会与人类密切相关，包括：技术发展和健康两方面。我非常希望并建议咱们《光学学报》期刊能够开辟有关健康领域光学技术应用的研究专题，例如介绍呼吸系统疾病的检测、激光治疗、动脉硬化治疗等过程中的光学光谱技术应用，随着中国老龄化的加剧，健康领域也非常需要得到光学技术领域科研工作者们的广泛关注。
陈卫标：非常感谢刘院士，激光和光学的确是较为偏向工程应用的技术，并且我们也的确要讲光学技术与人类密切相关的领域进行深度的交叉融合发展，SAME学术会议的宗旨也是“交叉发展空间、大气、海洋与环境光学”。此外光学技术与人体健康领域的交叉融合研究也非常重要，我们期刊将会不遗余力地积极支持该领域的学术研究和技术突破。
感谢南京信息工程大学夏海云教授对采访活动前期筹备工作的帮助。
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刘文清
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“海上有光”是中国激光杂志社微信号10周年之际创办的特色谈话节目，每期邀请行业专家，汇聚光学与交叉学科的领军科学家力量；围绕光学热点话题进行讨论，注国家重大需求与举措，交流科学议题与观点，传递科学理性与智慧，是集中展现光科学影响力的高端交流平台。
SAME：一刊一会一社区
2022年，《光学学报》开启专题刊模式，隆重推出“空间（S）、大气（A）、海洋（M）、环境（E）光学”（SAME）专题刊 ，并推出SAME同名会议，刊会融合，旨在构建维护友好的学术交流圈，为研究学者提供一个展示创新成果、探讨携手合作的开放型学术平台。
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