“双碳”目标下生态环境监测技术的发展机遇与挑战.pdf

CHINAENVIRONMEIONINDUSTRY院士论坛专刊双碳目标下生态环境监测技术的发展机遇与挑战中国工程院院士、中国科学院安徽光学精密机械研究所学术所长刘文清基本情况生态环境监测技术装备，是信息时代生态环境科技发展的源头，是生态环境科学研究的“先行官”，是我国绿色低碳发展的“倍增器”，也是国民生活中的“物化法官”。环境的变化不但影响着现在和未来的世界，而且也一直是国际科学前沿关注的热点，我国生态环境问题的解决离不开先进的监测技术和仪器装备。中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2 0 35年远景目标纲要对我国绿色生态发展制定了5项预期性指标：单位国内生产总值（G D P）能耗降低13.5%，单位GDP二氧化碳排放降低18%，地级及以上城市空气质量优良天数比率达到87.5%，地表水质量达到或好于II类水体比例达到85%和森林覆盖率达到2 4.1%。5项预期性指标将大大推动中国“绿色生态”发展。我国节能环保产业将实施大气污染物减排、水污染防治和水生态修复、土壤污染防治和安全利用、城镇污水垃圾处理设施、医疗废物危险废物处置和固体废物综合利用、资源节约利用6 项“环境保护和资源节约工程”。绿色发展强力牵引我国环境产业的发展，在国家政策支持下，随着政府层面环保监管力度的不断加强，以及循环经济建设的日益推进，环境产业对国民经济的贡献持续增大，正在成为国民经济的支柱产业之一。2 0 2 1年，全国环保产业营业收入约为2.18 万亿元，较2 0 2 0 年增长约11.8%，比2 0 2 1年GDP增速高3.7 个百分点。从2 0 19 年全球环保产业规模区域分布情况来看，欧美日发达国家占比最高，分别为北美洲38%、欧洲32%、日本16%、亚太地区（除日本）10%、其他国家4%，发展绿色经济成为发达国家发展战略的核心内容和世界发展潮流。环保产业整体发展需求强烈，产业前景广阔我国的环境产业主要包括三类企业：外资企业、国内设备企业及第三方运维企业。高端分析仪器的附加值比较高，但市场主要被国外企业所占领，国内企业主要做的是仪器的系统、运维领域，附加值比较低。从我国的实际情况看，由于体制制约和科技进步等原因，目前我国企业技术创新主体的作用还没有完全发挥出来。近年来，光谱、色谱、质谱技术成为了环境监测中的热点技术，而且设备国产化也取得了长足进步，但是离子源、紫外激光器、中红外激光器、光电信增管（PMT）探测器、多次反射池、四极杆等关键“卡脖子”部件有待进一步突破技术进展环境监测仪器装备与现有其他分析仪器装备有所不同，虽有交叉的共性部分，但在生态环境多变的背景下，其专用性强、使用场合复杂，很难包容在已有的某个分支学科中。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，不同的监测平台各具特点。在线监测准确快速，但只是局地近地面。地基遥感可以获得大气痕量气体的柱浓度和廓线，但也只能在某个地点。机载/球载可以机动准确地获得大气痕量气体的垂直和水平分布，但测量频次受限。卫星遥感覆盖大区域和全球环境，由于大气云和气溶胶的影响，有一定的测量误差，且观测时间也有限。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。大气污染物与温室气体具有显著的协同性，二者22中国环保产业院士论坛专刊同根同源，都涉及大气成分的变化，但是它们的监测技术原理和仪器构成千变万化，取决于所监测对象的浓度和来源。环境光学监测技术从根本上改变了环境研究传统的由点到线再到面的演绎法，为生态环境研究提供了一个全新的研究角度，克服了传统环境研究中的诸多局限性。特别是采用相干光源的激光技术，将测量低层大气环境任意测程上的化学和物理性质的测量手段，从点式传感器转向距离分辨的遥感测量技术，实现了多空间尺度性、多时间尺度性、多参数遥感遥测。基于光学光谱学原理的环境监测技术，由于具有非接触、无采样、高灵敏度、大范围快速监测等特点，是国际上环境监测技术的主要发展方向之一。经过十来年的努力，特别是党的十八大以来，我国一些科研院所和大学等单位，发展了主动及被动差分光学吸收光谱学（DOAS）、主动及被动傅里叶变换红外光谱学（FTIR）、可调谐半导体激光光谱学（T D L A S）、光腔衰荡光谱学（CRDS）大气环境监测激光雷达（LIDAR、R a m a n）、激光诱导荧光光谱学（LIFS）、测量气溶胶颗粒物的光与激光散射技术，以及测量环境中微量重金属含量的激光诱导击穿光谱学（LIBS）等。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，实现了不同平台的大气环境立体监测。针对大气成分探测的LIDAR主要包括瑞利/米氏/拉曼散射激光雷达、偏振激光雷达、差分吸收激光雷达和光频梳高光谱分辨率激光雷达，其基本结构都包括脉冲激光器、接收望远镜和信号检测器三个基本部分，可实现对温度、湿度、云、气溶胶、水、臭氧、二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和甲烷垂直分布的全时段实时连续探测，此外，基于逆温变化或气溶胶梯度变化可获得边界层高度信息。激光雷达的缺陷在于存在探测盲区，该值取决于脉冲激光器和接收望远镜的间距、脉冲激光器发散角和接收望远镜视场角。激光雷达其在传输溯源分析上的巨大技术优势。在区域空间分布特征信息获取方面，组网观测已得到逐步重视。为了监测全球大气痕量成分变化，相关卫星遥感载荷陆续发射。19 9 6 年，欧洲航天局（ESA）成功发射第一颗高分辨率卫星载荷GOME，实现对全球大气痕量污染气体的全覆盖监测，分辨率达40 km320km。美国国家航空航天局（NASA）2 0 0 6 年成功发射了世界第一颗用于监测全球气溶胶垂直廓线和退偏比等光学特性参数的星载激光雷达CALIPSO。2002一2 0 17 年的15年间，欧美国家又相继发射了多颗高光谱卫星载荷，包括SCIAMACHY、O MI、OMPS和TROPOMI，上述载荷观测结果的空间分辨率不断提高，对大气痕量成分的观测灵敏度和精度也在不断改善。其中，最新一代的高光谱卫星载荷TROPOMI的最高空间观测分辨率可达3.57.0 km。我国在高光谱卫星载荷技术领域起步相对较晚，到2 0 18 年才成功发射了第一个具有完全自主知识产权的高光谱卫星观测载荷EMI，空间分辨率达13km8.0km，打破了我国在大气环境监测领域对国外同类高光谱卫星载荷的依赖。2 0 0 2 年，ESA发射的SCIAMACHY由于具有近红外探测波段使其成为第一个能够监测CO,的卫星载荷。2 0 0 9 年，日本发射了世界上首颗真正意义上专门用于监测温室气体（CO,和CH4）的卫星载荷GOSAT，2 0 18 年日本又发射了GOSAT-2碳卫星。NASA也分别于2 0 14年和2 0 19 年发射了专门用于CO,监测的OCO-2和OCO-3载荷。为提高在应对全球变化过程中的国际话语权，我国于2 0 16 年发射了第一颗具有完全自主知识产权的CO,观测科学实验卫星一“碳星”（T a n S a t）；随后，2 0 18 年又发射了专门用于CO，和CH4监测的温室气体探测载荷GMI，该载荷采用了新型的空间外差干涉光谱技术。在我国目前复杂的大气污染和碳排放形势下，仅依靠单一观测手段或现有近地面大气成分观测网络，很难达到“减污降碳”的预期效果，甚至误导空气质量管理行动。针对大气重污染发生一演变一消散全过程的核心科学问题，应建立大气污染传输通道立体观测网，开展针对重污染时段和重污染过程的车载走航、机载航测、地基遥感和卫星遥感观测，综合运用大气环境监测网以及超级站等观测平台，构建重污染过程闭合研究系统，开展边界层气象和大气化学过程的同步观测实验，实现评估区域大气污染输送和城市间大气污染的相互传输量，揭示边界层气象和大气污123CHINAENVIRONMENTAL PROTECTION INDUSTRY院士论坛专刊染的演变规律和推动重污染及其周边地区空气质量的持续改善。针对碳排放核算任务，融合卫星、地基和移动观测平台，构建立体遥感网络，开展对重点碳排放园区或企业的高精度识别和实时监控，实现对区域碳排放量的精准核算。发展思路从生态环境监测技术的主要领域来看，目前自主研发的技术和设备基本可以满足环境管理的需要，在远程化、智能化、支撑科学决策和精准监管等方面取得很大提升，技术水平基本处于与世界水平的并跑阶段。光谱、色谱、质谱成为环境监测中热点技术，其国产化进程也取得了长足的进步。但是离子源、紫外激光器、中红外激光器、光电探测器、高灵敏的成像探测器、紫外波段多次反射池、四极杆等关键“卡脖子”部件有待进一步突破。当前科学研究的方法手段和组织模式发生了重大变化。大数据研究成为继实验科学、理论分析和计算机模拟之后新的科学研究方式，大数据平台、高效能计算中心等成为重要研究手段。数字化、智能化推动科学研究向交叉融合无边界方向发展，科学研究和技术创新越来越依赖大数据驱动。利用科技创新推进生态环境技术发展，首先要发展传感器技术，感知层是利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程，实现对环境质量、温室气体、污染源、生态、辐射等环境因素的更透彻感知。其次是应用云计算、大数据等技术手段，整合和分析海量的环境信息，实现海量存储、实时处理、深度挖掘和模型分析，实现更深入的智能化。我国在生态环境和减污降碳监测方面存在问题是，由于缺乏立体探测技术设备，导致大气环境的垂直监测能力不足；动态、精细、不同背景下的生态环境参数和温室气体监测能力不足。缺乏全球尺度的连续观测技术设备；无法全面研究平流层和对流层的物理化学过程，评估大气成分变化对全球气候的影响，也不能证明任何一个为限制温室气体而作出的努力都能缓解或改善日益严重的环境变化。为了验证减排措施是否真有效果，急需发展温室气体排放监测与减排评估方法和技术设备。环境技术创新必须克服诸多因素。从整体上看，我国环境技术成果中直接转化为现实生产力的还不高，产业界与大学、科研机构之间，政府机构与企业之间互动不畅，造成技术开发者一端研发成果囤积、产品盈利性差，难以维系下一步的投入。而技术应用者一端，与前沿技术供给脱节，对环境技术创新会产生不利局面。让企业成为环境科技创新的主体，在没有合适的制度保障的前提下是难以实现的。企业作为市场的主体，其最根本的推动力就是要有利可图。企业对于环境创新没有动力，成果不能转化为生产力，科研人员也就没有动力。先进技术通过自主创新和产业升级实现跨越式发展，良好的机制体制是保障。从目前我国生态环境监测发展的现状来看，与发达国家还存在一定差距。一方面，要充分借鉴吸纳国外生态环境监测发展经验；另一方面，由于国情不同、环境状况与阶段不同、外部环境不同，不能照搬照抄西方经验，必须走出一条有中国特色的监测改革发展新路子。这方面我们还有较长的路要走。大气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。大气污染气体与温室气体同根同源当前我国需要构建多平台智慧大气环境观测系统，通过多种手段的综合外场观测来认识复杂的大气环境过程，污染源排放监测获取区域和行业排放成分特征，长期监测站监测获得污染的来源归因和污染趋势变化，卫星遥感获取污染长距离传输、源排放和区域输送状态，在通过与模型模拟对比，认识复杂的物理与化学过程，气象场的作用，以及其对空气质量、全球气候变化的影响。着重开展影响国家环境安全，涉及重大国际环境问题与履约等环境战略，国家急需用监测数据来说明问题但还没有手段的大气环境监测技术和仪器设备研发；影响生态环境改善，危害人体健康，进而影响国家可持续发展战略实施的环境问题中涉及的环境监测技术和系统研发；基于地基（点源、面源、移动源、无组织源）、机载、球载和星载平台的新型环境监测技术与系统研发。建设多平台智慧大气环境探测系统，为我国快速治理大气复合污染问题提供技术和设备。