给大气做CT的人 专访院士刘文清

在武汉抗疫战场，有一个大气环境监测团队在默默守护城市安全。由中国工程院院士刘文清带领的武汉大气环境立体探测实验队，持续对武汉城区和定点医院、方舱医院、隔离点、社区等开展走航观测实验，为病毒传播风险评估、环境影响因素分析提供了科技支撑。

刘文清，1954年1月出生于安徽省蚌埠市，1975年进入中国科学技术大学物理系学习，主要从事环境监测技术和应用研究，现任中国科学院合肥物质科学研究院学术委员会主任、安徽光学精密机械研究所首席科学家。他说：“如果环境管理是一座大厦，那么环境监测就是顶梁柱，我们就是环境监测的守望者。像医生给病人做CT一样，我们就是给大气环境做CT的人。”

4月14日下午，刘文清院士（左）在调试车载新型大气臭氧探测激光雷达。董云升 摄

问：您的团队是做大气环境监测的，为什么会在抗疫期间来到武汉，主要任务是什么？

刘文清：环境因素是防控疫情不可忽视的方面。疫情暴发后，中国工程院紧急成立了“新冠病毒疫情环境风险防控攻关项目组”，交给我们的任务是尽快改装疫区大气环境立体探测实验车，对武汉定点医院、方舱医院、隔离点、社区等开展走航观测实验，获取第一手大气环境要素时空分布数据。

接到任务后，我们立即通过视频会议讨论确定了实验车设备部署和改装方案，加班加点对仪器进行安装调试。实验车我们早就有，为了保证实验人员安全，我们改装了正压实验车。

实验车辆主要配备了我们研究团队自主研发的气溶胶和臭氧探测激光雷达、高分辨便携式质子转移反应质谱仪（PTR-MS）、气溶胶粒径谱仪、高光谱大气成分扫描分析仪等7套大气环境立体探测设备，可以实现从近地面到5公里高度大气气溶胶和臭氧的实时探测，实现对230余种挥发性有机物的秒级快速监测，以及武汉地区气溶胶、二氧化氮、二氧化硫、甲醛、臭氧等柱浓度的高精度连续观测和卫星遥感探测。这些设备都有我们自己的知识产权，不是从国外买来装在我们这个车上的。

我们组建的武汉大气环境立体探测实验队共6人，驻地200米外就是武昌洪山体育馆方舱医院。我们带了非常灵敏的测量挥发性有机污染物的仪器PTR-MS，只要人呼吸一下，它就可以把呼吸气体成分分析出来。

我们主要是围绕武汉火神山医院、雷神山医院、金银潭医院，还有武汉客厅等方舱医院、百步亭社区等做网格化的监测。我们每天都要去做监测，捕捉大气环境的差异，判断污染物的变化。

问：这次环境监测和以往相比，在技术上有什么突破？

刘文清：我们开展的车载走航观测，较传统的国控点、省站观测，针对性更强，可以直接到定点医院、方舱医院附近去在线采样分析。这种形式的观测能够获得重要场点周边的第一手信息，而且可以获取从地面到高空的大气环境空间分布数据，更加有效地分析气溶胶和污染气体扩散情况。

通过这次武汉疫情期间的环境监测，我们初步掌握了武汉重点场所周边空气中的气溶胶、消毒剂挥发气体等时空分布特征，可以有效评估武汉整体环境空气质量状况，为判断和评估病毒在空气中通过气溶胶传播引起的暴露风险、大气环境质量与病毒之间的响应关系、消毒效果评价与副作用控制提供科学数据。

这些研究成果，对于评估重点场所周边的环境风险，实施更合理的消毒措施，分析经济活动对环境空气质量的影响，都有一定的借鉴作用。

问：关于病毒传播途径，这次的监测有哪些发现？

刘文清：我们去测武汉客厅方舱医院、金银潭医院等地方，基本上是全副武装的，穿着防护服，戴着口罩过去。

我们把所有仪器设备装在一个移动的实验车上，一边走一边测。比如说在武汉客厅方舱医院转圈，只要一圈转下来就知道这里的主要污染物，包括挥发性有机物的成分、浓度和分布。

根据我们的探测实验结果，不管是火神山医院、雷神山医院，还是方舱医院，它们的负压病房做得非常不错，没有发现医院病房里气溶胶泄漏出来。

人要呼吸，他可能会有一些咳嗽粉末，这些病毒可能会吸附在气溶胶上。如果人与人之间的距离比较近，或者空气不流动，可能就会形成传播。所以，避免大范围的人员集聚，人与人之间要有一定的距离，戴口罩等等，这些措施对于防止病毒传播是非常重要的。

问：为什么说环境光学监测就像是给大气做CT扫描？

刘文清：空气中有各种各样的成分，包括污染物。它们都有自己的特征吸收光谱。一束光打出去，各种各样的空气组分或者污染物会在某一些频率上对光波进行吸收，形成特征吸收光谱。实际上就像人的指纹一样，通过一些仪器、设备和一定的计算方法、分析方法就能把它们检测、测量出来。

我们的设备可以进行立体垂直探测，这样就可以知道光路上不同高度的污染物成分和含量，就如同给大气做一个CT扫描，比如说50米、100米，甚至到几公里几十公里，在这个层面上，它的污染物是怎么样分布的，怎么样输送的。目前包括在卫星平台上对大气环境测量基本上都是用光学技术，靠光的散射反射来区分污染物。

环境光学监测广泛应用于空气质量监测、污染源排放监测、大气成分探测、安全生产过程监控、应急监测等，服务于环境、气象、海洋、公共安全、应急管理等领域，在国民经济发展中发挥重要作用。通过环境光学监测技术，已构建空气质量的自动监测系统、污染源排放连续监测系统、区域污染立体探测网络、工业园区污染全方位监测系统等，为环境质量监测评估、环境污染控制、环境改善提供第一手的监测数据和先进的技术手段。

比如说你拿个手持的PM2.5监测仪，用一个小的激光器打一束光，从一定的角度去测量它，你就可以知道空气中PM2.5的浓度是多少。

问：光学监测技术的突破会带来环境监测领域哪些新变化？

刘文清：传统的监测方式主要是现场采样实验室化学分析。光学监测的优势表现在具有非接触测量、灵敏度高、选择性好、适用范围广等方面，实现自动、在线、现场监测与遥感遥测的综合立体监测。比如发生了一起污染事故，传统监测要拎着仪器到现场，如果用光学技术，可以不到现场，一束光打过去之后，就可以知道那个地方的污染物浓度是多少。

2018年5月9日，我国高分五号卫星发射成功，卫星搭载了我们所自主创新研制的三个大气环境监测载荷。通过高分五号载荷的观测，可以像气象卫星图片上云的分布一样，看清楚全球的污染气体的分布，平时这些污染气体都是肉眼不可见的。

高光谱卫星遥感技术是利用光谱对全球大气污染持续遥感成像的前沿技术，它能够在短时间内提供全球大气污染分布特征，区域大气污染的时间序列变化和输送信息。通过高分五号的观测，我们掌握了全世界污染的资料。因此，不仅在宏观上为我国的大气污染控制决策提供技术支持，更科学更合理制定经济发展和产业结构政策，还能为我国国际环境外交活动、国际环境保护合作提供有力的科技支撑。

问：环境质量的持续改善，从长期来看主要取决于哪些因素？

刘文清：近年来我国环境质量在不断改善，这和国家的工业结构、能源结构等有关。短期的，比如说出现雾霾天气，可能还是与气象条件有关，因为如果气象条件把污染物的边界层从两公里下降到一公里，等于浓度一下子提高了很多倍。长期的环境质量提升，还是要靠能源结构、生产结构的调整。

现在贯彻新发展理念，我们那么多科技人员也在做这方面的工作。环境变好，污染物下降，最受益的是老百姓。

问：您在上大学之前曾经做了5年钳工，什么动力让您一步步成为科学家？

刘文清：我高中毕业后在一家小型国企干钳工。那时候是三班倒，有一天凌晨，那个冲床突然掉下来了，我这个手幸亏拽得快，但是手指头被打掉一小节。当时我就想，我要改变。我父亲是普通群众，我母亲不识字。我觉得知识能够改变命运，所以就不断学习，1975年进入中国科学技术大学物理系学习。

中科大作为科学家的摇篮，培养了我国很多优秀的科技人才，各系的主任和老师，很多都是我国知名科学家。我进入中科大，了解了中科大建校的初衷、历史以及其在国防建设中发挥的作用。在国家需求的牵引下，在老师的熏陶下，在同学们一起努力的氛围中，我立志当一名科学家，为国家的科技发展贡献自己的一点力量，为国家的强大做出贡献。

问：1978年11月您毕业参加工作，那时的工作生活条件怎样？

刘文清：1978年11月，我被分配到合肥市西郊董铺岛上的中国科学院安徽光学精密机械研究所工作。当时的条件很差，那个时候到岛上来只有三班公交车，早上中午下午各一班，要想出岛很困难，来岛上的路非常窄，夏天在路上经常看到蛇。只能在食堂吃饭，没办法自己去做。有一次我从外面办事回来没赶上车，整整走了三个多小时才走回来。

虽然生活条件艰苦，但当时的科研条件和科研任务吸引我留了下来。其实，从立志当科学家，就知道需要耐住寂寞，因为只有刻苦钻研才能取得成果。

问：您后来又攻读研究生，从《新概念英语》开始学习英语，出国留学读医学博士，一路走来，学习对您意味着什么？

刘文清：我觉得艺不压人。会的越多，将来你能够承担的事情就越多、做的贡献就越大。人还是要活到老学到老，因为知识在增加，光靠大学的知识，光靠老师教的知识，肯定不够你工作上用。改革开放初期，为了更好地了解国际上的科研进展，我就补英语，阅读文献。夏天，董铺岛蚊蝇很多，为了不让这些小昆虫打扰我学习《新概念英语》，我就买了一双长靴套住双脚和小腿，躲在蚊帐里背诵一篇篇课文。最终，我把几册《新概念英语》上的课文都背得滚瓜烂熟，而我的双脚也几乎被捂烂。

我觉得不能死读书、读死书，搞自然科学要打牢基础。只要掌握了这个基础，就可以做很多工作。我在国外的时候读的是医学博士。原理是这样的，如果得了癌症，癌细胞对光敏剂的吸收浓度要比正常的细胞要高，所以用特定波长的激光去照射它的时候，光敏剂就会形成活性很强的单态氧，癌细胞就缺氧凋亡。我这么多年来一直不停地在学习，现在用激光监测大气不同高度的污染物，实际上和做X光、做CT方法是一样的，两个光在这不停地扫描，人从中间过去，对他进行成像。

研究对象也好，做医学也好，实际上好多都是相通的。我们有一个团队在做糖尿病检测，一般糖尿病检测要抽血，它不用，用一束LED光照射皮肤，通过检测皮肤荧光光谱的变化，就可以诊断是否患有糖尿病。

问：您出国时，我们和西方发达国家在光学领域上差距还很大，为什么没有留在国外实验室？

刘文清：当时，我们的光学仪器无论是理论、材料还是技术方面都和国外差距很大，环境光学监测仪器在国内是一片空白。我第一次出国是去日本，他们一个大的激光雷达有6层楼高，可以打到日本的富士山，转一圈就知道污染物在什么地方。他们的技术水平还是非常先进的。

当时不管去日本、意大利还是德国，感觉到我们国家科技水平还是比较落后。再一个我们的经济实力比较落后，所以一些高端的仪器设备买起来很费劲。我记得回国的时候，我们老组长买放大器，实际上也就2万美元，现在2万美元不算什么，那时候2万美元对课题组来说很难。这件事对我触动还是很大的。

当时就想让在国外学到的东西在我们自己的实验室开花结果。我从希腊回来之前，我“老板”跟我说，你回去看看你母亲，然后再回来。我回来之后就没再回去，我选择回国发展，首先我要说中国话，尽管外国话我说得很好，但我不想一辈子说外国话，我有自己的家国情怀。

问：中国自己的环境光学监测研究是如何一步步搞起来的？

刘文清：1998年，中科院和国家环保总局的领导商谈提出，中科院可在环境光学研究方面提供科技支撑。那时候我们国家空气质量监测站还不多，所用的设备全是从国外进口，所以我当时就想做这一块。

1999年，我领导的环境光学监测研究室得到20万元启动经费，研制能够监测二氧化硫浓度的空气监测仪。接到任务之后，我就决心将这个项目做成真正实用的环境监测设备，而不是一个“向领导交差”或者圈钱的项目。

从这项研究任务开始，我就带领团队，根据国家对环境监测的需要，开发出了多种监测仪器，并陆续投入使用。我曾先后邀请王大珩等多位院士来研究所，指导开展环境光学的科研布局及建设。2000年4月，由两院院士组成的“先进环保技术领域专题组”，向国家提供了一份《先进环保技术咨询报告》，肯定了我们开发的多种环境监测技术，建议把“DOAS空气质量自动监测系统”“紫外差分烟道在线监测系统”“机动车尾气遥测系统”等列为国家重点发展项目。

就这样，我们的产品一步步发展起来。之前我国的常规污染物在线自动监测仪器几乎是空白，我们研制出的“城市空气质量连续自动监测系统”与企业合作生产后，其产品价格低于国外进口产品的50％。

问：您从事了四十多年科研工作，什么是科研的出发点？

刘文清：作为科研工作者，要有科学家的社会责任，要以研究重大问题、服务国家和社会作为最高目标。国家环境监测技术发展需要我们做的事有很多。选准方向，做国家最需要的事，永远是我们的出发点。

我常对学生说，我们搞科研，一定要思考给国家、社会留下什么。因为第一个，搞科研花的是国家的钱；再一个，博士毕业差不多30岁，我们一个项目一般是3年，到60岁退休，你做10个项目就回家了。

科研不可能搞短平快，没有捷径可走。就是要脚踏实地，不断地去探索、去钻研，而且即使这样也不见得保证每个人都能够成功。因为有些东西它要一定时间后才能出现，并不是说我今天让你做这个，然后过两天你就给我拿出来，绝对不可能，必须要经过一定时间的磨练、失败总结，最后才能够成功。

问：最让您煎熬的科研攻关项目是哪一个？

刘文清：前面提到的，2018年5月9日，我国当日发射成功的高分五号卫星，搭载了我们所自主创新研制的三个大气环境监测载荷，这也标志着我国高光谱分辨遥感卫星技术达到了国际先进水平。

回想研发初期，我们团队在航天质量、标准、接口等问题上经验匮乏，人手也不足。我们不可能买国外的设备装到我们的卫星上去发射，所有的东西都必须是自己的。我们从一个芯片、一个接口开始，通宵达旦查资料，打造了一支吃苦耐劳的攻坚队伍，最终顺利完成了项目交付。

问：对有志于从事科研的年轻人，有什么建议？

刘文清：实际上就两个字，专注。别受社会上这样那样的诱惑。科研没有捷径，达不到那个程度，没有经过那个过程，不可能出成果。所以我跟年轻人说，遇到困难之后，你别去绕，如果你绕过去了，今天算你侥幸，但这个困难将来还会出来，你要把这个困难解决了，搞通了你再去走。所以我觉得还是要专注，还是要能够静下心来。人生短暂，不能虚度光阴。

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