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技術為本 為國解憂

——走進中國科學院環境光學與技術重點實驗室

 

■本報記者 陳歡歡

2011年前後，美國大使館發布北京PM2.5數據，引爆全民對霧霾的關注。隨後，我國修訂了PM2.5國家標準，並建立了監測網絡。但由於相關儀器設備依賴進口，一家美國儀器廠商當年大發橫財。

此時，一支高科技力量站了出來。中科院環境光學與技術重點實驗室（以下簡稱環境光學重點實驗室）緊急攻關，在前期積累的基礎之上，研製出國產監測設備，並很快實現應用。如今，國產產品在這一領域的市場佔有率達到80%以上。

技術是基礎研究和社會需求之間的橋梁，也是我國自主創新的短板。環境光學重點實驗室研究員、中國工程院院士劉文清告訴《中國科學報》，沒有自主技術的支撐，解決不了中國的環境問題。

環境光學重點實驗室的初心和使命，正是瞄準國家重大需求，解決關鍵技術問題。

航天「新兵」連傳捷報

2018年5月9日，高分五號衛星在太原衛星發射中心成功發射。這是我國第一顆可有效探測區域大氣汙染的國產衛星。有了它，我國將首次從衛星平臺上掌握全球空氣汙染數據。

雖然已經進行了無數次地面實驗，但高分五號衛星主載荷主任設計師、環境光學重點實驗室研究員司福祺還是放心不下。直到6月初，高分五號傳回數據，相關人員繪製出全球汙染狀況圖譜，司福祺才放下心來。中國人終於有了自己的全球汙染觀測系統。

為了這一天，司福祺等人已經奮鬥了5年。這也是環境光學重點實驗室自2005年成立以來的夢想。

「歐洲利用衛星數據，一張圖就能看到全球的空氣汙染狀況。我國在環境保護方面飽受非議，卻沒有自己的觀測系統和數據。我們實驗室成立後多次建言，發展我國獨立自主的衛星有效載荷。」環境光學重點實驗室主任、中國科學院合肥物質科學研究院（以下簡稱合肥物質院）院長劉建國回憶。但因為種種原因，他們始終沒有施展拳腳的機會。

2005年之後，時任環境光學重點實驗室主任劉文清多次帶領團隊爭取相關項目，也參與了幾次預研，但都沒有繼續下去。

團隊並沒有氣餒，而是抓住一切可能的機會提前部署。他們利用節約下來的經費進行小型機載化實驗，並以此為基礎，參與了「十二五」國家重大基礎科學設施——國家航空遙感系統的建設。由於經費緊張，安光所不得不用一臺載荷的經費研製了4臺儀器。

「貼錢也要上，有了這個經驗，後面才有機會。」憶當年，劉建國依然態度堅決。

果不其然，2010年，機會來了。

那一年，高解析度對地觀測系統重大專項（以下簡稱高分專項）獲批啟動實施，這是《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006—2020年）》確定的十六個重大科技專項之一。為了填補我國在高光譜解析度對地觀測方面的空白，高分專項明確提出多部門聯動，組成國家基礎設施平臺，並將高分系列衛星列入科研衛星序列。這使環境光學重點實驗室這一航天「門外漢」得以參與其中。

憑藉著在環境光學領域的不俗實力，環境光學重點實驗室承擔了高五衛星大氣痕量氣體差分吸收光譜儀載荷的研製。但作為航天新兵，這臺載荷被列入項目風險點。

航天項目不可維護、不可維修，必須一次成功。司福祺一接手就感受到航天工程與地面項目和探索研究的巨大區別。好在有劉文清、劉建國親自帶隊，讓他覺得心裡很踏實。

「這個樓每天晚上九、十點，燈都是亮的。少壯不努力，老大徒傷悲。我們科研人，除了做項目，總要給社會留點東西。」劉文清告訴《中國科學報》。

就這樣，在環境光學重點實驗室的團隊作戰之下，2015年3月，他們最早交付了大氣痕量氣體差分吸收光譜儀。一系列高技術儀器的搭載，使得高分五號成為世界首顆實現對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛星，我國從此可以定量獲得區域上空及全球空氣品質變化、汙染氣體的分布輸運數據。

經此一役，環境光學重點實驗室正式成為「航天俱樂部」的成員之一。目前，他們還在研製高分五號02星大氣汙染氣體觀測載荷，並承擔了大氣環境監測衛星紫外高光譜大氣成分觀測儀載荷研製。未來四到五年，環境光學重點實驗室研製的4個有效載荷將搭載4顆衛星發射，實現全球大氣環境監測組網。

「老大哥」特色鮮明

雖然是航天新兵，在環境光學技術領域，環境光學重點實驗室卻是名副其實的「老大哥」。

為了發展我國雷射戰略高技術，中國科學院安徽光學精密機械研究所（以下簡稱安徽光機所）1970年成立，很快組建了雷射光譜學實驗室，具備開展光譜學定量分析的基礎。

上世紀八九十年代，迫於西方國家的外交壓力，我國開始進行環境質量監測，組建了城市空氣品質自動監測系統，但幾乎所有儀器都依賴進口。

讓環境監測用上國產儀器成為安徽光機所的歷史使命。

瞄準這一目標，他們於2002年申請建立環境光學監測技術重點實驗室，2003年獲得政府批覆。當時，安徽光機所法人已經整合到合肥物質院，此後環境光學監測一直是合肥物質院的重要學科方向。

實驗室成立之後很快取得標誌性成果——研發了長光程差分吸收光譜儀，性能、價格、服務都勝過國外競爭對手。「當時西方國家沒人相信我們能做。」劉建國回憶。

2008年8月，北京首次燃起奧運聖火，舉國歡慶、世界矚目。但在當時，國際社會對北京霧霾的非議甚囂塵上。

就在奧運會召開之前，剛剛成立不久的環境光學重點實驗室帶著自主研製的一系列儀器設備來到北京，參與了中國科學院「北京及周邊地區奧運大氣環境監測和預警聯合行動計劃」項目。他們建立的大氣環境立體綜合監測系統，為奧運會空氣汙染預警和制定減排措施提供了強有力的數據支撐，受到時任北京市市長王岐山的讚譽，劉文清等4人也榮獲「科技奧運先進個人」稱號。

此後，上海世博會、廣州亞運會、北京APEC會議、北京九三閱兵式、G20峰會、金磚國家領導人會議……這些重大活動的舉辦地，都能看見環境光學重點實驗室的身影。

可以說，面向國家戰略需求，環境光學重點實驗室走的每一步都為國家戰略部署提供了技術儲備，為我國重大環境戰略發揮了保駕護航的作用。

京津冀地區是我國汙染防控攻堅戰能否取得勝利的關鍵。近兩年，環境光學重點實驗室作為唯一一支京外團隊，參與了總理基金項目，在京津冀地區建立了16個地區雷射雷達和衛星觀測結合的立體化大氣觀測網絡，對京津冀地區汙染物輸送狀況進行了實時觀測，為探明京津冀地區汙染成因和機理打下了基礎。

此外，研究團隊還在長三角、華中及成渝等地的區域大氣灰霾汙染研究中開展了大量觀測。環境光學重點實驗室研究員桂華僑曾在北京懷柔一個站點工作了近一年的時間。他告訴《中國科學報》，我國地域複雜，溫度、溼度等條件差異大，對儀器的環境適應性提出了更高的要求。

目前，環境光學重點實驗室發展出一系列適合我國國情的高靈敏高穩定監測技術，為我國有效評估大氣汙染、精細化溯源和防控提供了關鍵技術支持。

之所以能取得這樣的成績，司福祺認為，得益於實驗室在算法上的長期積累。「在清楚掌握後續算法的基礎上做儀器，才能又快又好。」他說。

多年來，環境光學重點實驗室同德國海德堡大學、日本千葉大學、澳大利亞麥考瑞大學和臥龍崗大學等建立了良好的合作關係，通過學術交流加強基礎研究、聯合攻關，建立了我國自主智慧財產權的分析方法和軟體，被許多國外儀器設備採用。

「有了儀器，怎樣解析出信息才是重點，但這正是我國的短板，業界使用的大型軟體基本都是國外的。」劉文清介紹，環境光學重點實驗室設計的多款軟體不僅在國內暢銷，也被許多國外儀器設備採用。

「從基礎研究到技術、應用一體化程度極高，是環境光學重點實驗室的鮮明特色。」合肥物質院副院長王俊峰評價道。

團隊建設面向未來

如果想賺錢，劉文清可能早就離開實驗室了，但他多年來堅守在這個平臺上。

「當時成立科學院重點實驗室這個平臺，就是希望能聚集人才，做國家需要做的事情。還是有點家國情懷。」劉文清笑道。

不忘初心，方得始終。從最初的20多人到如今近百人的核心團隊，劉文清感受到實驗室最大的變化是研究領域方向增加了，應用廣了，在環境監測技術開發上，實驗室的名聲響了；不變的則是團結的文化。

「不搞個人英雄主義，大的問題集體決定。」劉文清表示，團隊每四五年就會出一個國家獎，正是因為團隊始終抱成團，經費集中使用，力量沒有分散。

關鍵技術研發包括光學、機械、電子等各方人才，在環境光學重點實驗室，大家組成團隊，勁往一處使。「實驗室發展到現在，關鍵還是靠自己的奮鬥，是大家一步步拼出來的。」劉建國說。

劉文清則強調：「一定要把人才梯隊做好。」

據介紹，前幾年，實驗室幾位剛入職的博士看中了高分辨傅立葉觀測網絡這一新興方向，但一開始並沒有申請到項目支持。環境光學重點實驗室領導班子經過共同決策，不僅給幾位年輕人提供了出去學習的機會，還給予了前期投入購買了相關設備，並邀請國際專家交流學習，建立傅立葉觀測儀器，成為全球大氣成分變化探測網中唯一的中國站點。如今，這一系統順利得到國家相關項目支持。

做高技術研發，從國外引進人才很難，環境光學重點實驗室長期堅持以自主培養為主，自主培養比例達到50%，另有30%的引進人才是重點實驗室培養的畢業生。在這裡，英雄不論出身，只論能力。

最近，實驗室一位無文章、無專利、無項目的「三無」人員打破常規評上了副研究員。

「我們的考核方式還是比較科學的。」司福祺表示，職稱的肯定極大調動了這位做工程設計的年輕人的積極性，「讓年輕人看到，只要工作做得好，就會得到認可」。

「做科研，我體會要交叉才有重要的成果，作為一個多學科交叉的實驗室，希望能有各類人才加入。」劉文清說。

①開放光路面源排放VOCs氣體分析儀。

②劉文清（右一）帶領團隊調試高分五號載荷核心部件。

③2018年環境光學重點實驗室集體合影。

④研究人員在對高分五號進行載荷測試。

⑤2017年，大氣環境立體走航監測車在廈門對金磚五國會議期間大氣汙染組分進行實時走航監測。

⑥研究人員到珠峰進行高海拔環境的大氣監測。

「接地氣」的研究員小姐姐

2007年，碩士畢業留所工作之後，中科院環境光學與技術重點實驗室副研究員何瑩的第一項工作是進行北京奧運會大氣汙染數據的匯總和整理。

科技奧運項目結束之後，她開始接觸土壤汙染物雷射光譜在線監測。直到現在，她還經常赴中國科學院封丘農業生態實驗站進行外場實驗，以獲得監測數據。

農業、養殖業監測需要靈敏、無人值守型設備，但傳感器經常損耗，無形中增加了何瑩的工作量，但她並沒有抱怨。

「農業推廣不可能使用昂貴的儀器，但我覺得很有意義，所以一直在做。」何瑩告訴《中國科學報》。

而在化工園區等工業環境中進行有害氣體現場監測則對儀器提出了更高的要求，往往需要抗電磁幹擾、抗震抗抖動、耐高溫、耐高溼度……在這樣的環境裡工作，對女生的體力也是極大挑戰。有時為了在隧道裡布設儀器，何瑩甚至需要帶著儀器設備翻越一整座山。

雖然遇到很多困難，但每次自己開發的儀器實現產業應用、推動產業發展，何瑩便有了不竭的動力。

目前，何瑩自主研製的「分布式無源光纖瓦斯傳感器系統」獲原國家環保部科技成果和安徽科學技術研究成果證書，自主研製的「天然氣站場甲烷和硫化氫氣體連續監測與報警系統」和「半導體雷射雲高自動測量系統」獲安徽科學技術研究成果證書。

如今，她又將目標瞄準了移動源排放，和同事合作研製的柴油車汙染排放實時監測樣機將在深圳上千輛柴油車上安裝。

「前期我們積累了幾十年的經驗，才能立刻投入。」何瑩自豪地說，自己還將努力推動更多技術實現工程化應用。

「哪怕國家沒有急切的需求，但是基礎研究不得不做，我也會做。」何瑩說。（陳歡歡）

中國科學院環境光學與技術重點實驗室簡介

中國科學院環境光學與技術重點實驗室（以下簡稱環境光學重點實驗室）針對國家環境安全戰略需求，面向世界環境科技前沿，解決我國大氣汙染、水體汙染、土壤汙染、大氣成分、環境應急事故等需要的關鍵技術和系統技術問題。研究方向為環境光學基礎研究、定量監測新方法研究和環境監測高新技術與系統集成研究。經過數年發展，該實驗室已成為我國環境科技創新體系的重要組成部分。

環境光學重點實驗室承擔了我國第一個大氣痕量氣體監測衛星有效載荷研製項目，承擔了「十二五」「863」計劃環境監測領域唯一重大項目，承擔了一批國家重大科學儀器開發專項及國家重點研發計劃項目等。

目前，實驗室形成了一支年富力強、很有創新能力的科研團隊，擁有固定人員93人，其中，包括1名中國工程院院士在內的研究員24人、博士64人。

《中國科學報》 (2020-11-03 第4版 聚焦)