“大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，既是大氣環(huán)境質(zhì)量管理的基礎(chǔ)，也是大氣環(huán)境控制效果評(píng)估的依據(jù)。”在6月5日“世界環(huán)境日”前夕，中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所首席科學(xué)家劉文清接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》專訪時(shí)，特別提到大氣監(jiān)測(cè)對(duì)近年來空氣質(zhì)量改善的“基礎(chǔ)性”作用。

立體監(jiān)測(cè)支撐空氣“好轉(zhuǎn)”

污染成因究竟是什么？污染物在城市間是如何傳輸?shù)�？傳輸量是多少？是否能預(yù)測(cè)“污染天”......弄清楚這些問題，需要給大氣做“立體CT”。

從事環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)十年，劉文清“見證”了中國(guó)大氣質(zhì)量的變化。自2013年《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（“大氣十條”）實(shí)施以來，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)的空氣質(zhì)量正在變好，尤其是PM2.5濃度大幅下降。

劉文清介紹，2012年，我國(guó)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》新增指標(biāo)PM2.5、一氧化碳、臭氧等，開始正式布局空氣質(zhì)量新標(biāo)的監(jiān)測(cè)。

截止2017年底，國(guó)家城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)由113個(gè)重點(diǎn)城市擴(kuò)大到338個(gè)地級(jí)市，國(guó)家控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)位（簡(jiǎn)稱“國(guó)控點(diǎn)”）由661個(gè)增加到1436個(gè)。

“大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)僅靠這些地面站是不夠的，它不能完全說清污染過程、污染特征，以及污染來源和變化趨勢(shì)等。”劉文清說。大氣環(huán)境污染的形成、轉(zhuǎn)化、演變和輸送，以及復(fù)雜的物理化學(xué)過程都發(fā)生在對(duì)流層空間內(nèi)，具有極強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)性。

他解釋道，常規(guī)監(jiān)測(cè)站觀測(cè)的都是近地面的大氣污染物，但污染物的垂直分布并不均勻，且高空污染物可通過大氣垂直交換影響近地面。比如對(duì)流層臭氧污染，更多的是在邊界層上層，較高濃度分布在從近地面到1000m的空間范圍。

因此，垂直觀測(cè)對(duì)于全面認(rèn)識(shí)大氣污染必不可少。

此外，就污染物區(qū)域傳輸而言，多是通過邊界層中上層完成的。而且主導(dǎo)風(fēng)向和地形地貌不同時(shí)，污染物傳輸高度也不同，僅僅使用近地面觀測(cè)會(huì)低估城市間污染傳輸?shù)牧俊?/p>

“必須提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的立體化水平，通過多種手段綜合觀測(cè)來認(rèn)識(shí)復(fù)雜的大氣過程。”劉文清表示，這將有助于說清污染源現(xiàn)狀、說清環(huán)境質(zhì)量、說清環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

他指出，“立體監(jiān)測(cè)”，是利用光學(xué)等遙感技術(shù)方法來探測(cè)大氣中污染物的物理、化學(xué)成分及其變化，同時(shí)把大氣的垂直分布特征以“圖景”的方式直觀、定量地呈現(xiàn)出來，可“說清”污染的來源、演變與輸送過程。從而實(shí)現(xiàn)在城市空間尺度上解析每一個(gè)重污染過程。

建成“天地空”綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)

2017年，集結(jié)全國(guó)千余名優(yōu)秀科學(xué)家力量的《大氣重污染成因與治理攻關(guān)項(xiàng)目》（簡(jiǎn)稱“總理攻關(guān)專項(xiàng)”）啟動(dòng)，劉文清團(tuán)隊(duì)擔(dān)綱“天地空一體化大氣環(huán)境跨學(xué)科綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)”研究。

目前已建成了我國(guó)最大規(guī)模的多要素立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，包括臭氧、氣象探空、輻射、氣溶膠粒徑、組分等要素的空間分布，通過自主研發(fā)大氣顆粒物和臭氧監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)等設(shè)備，可獲得污染物、氣象場(chǎng)在不同尺度上的傳輸特性，從點(diǎn)源、面源到區(qū)域的三維分布及其輸送特征。

“與以往監(jiān)測(cè)相比，技術(shù)手段更全面、監(jiān)測(cè)精度更高，在獲取了一系列的排放、氣象、化學(xué)綜合數(shù)據(jù)后，我們可以進(jìn)行多技術(shù)的交叉印證，為更準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)排放源的識(shí)別和動(dòng)態(tài)監(jiān)控提供科學(xué)支撐。”劉文清說。

基于該監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)以及大量數(shù)值模擬，基本弄清了京津冀及周邊地區(qū)大氣污染的成因和污染傳輸路徑，達(dá)成了科學(xué)共識(shí)。

劉文清表示，共識(shí)是，污染排放強(qiáng)度遠(yuǎn)超環(huán)境承載力，本地積累、區(qū)域傳輸和二次轉(zhuǎn)化造成了PM2.5濃度的迅速上升；同時(shí)，靜穩(wěn)、髙濕、逆溫、邊界層降低等氣象條件為重霾事件發(fā)生提供了不利的氣候背景。

此外，也厘清了北京市5個(gè)主要區(qū)域大氣污染傳輸通道的貢獻(xiàn)和影響。“在‘2+26’城市范圍內(nèi)，城市之間大氣污染輸送的影響平均在10%-30%，重污染氣象天氣發(fā)生的時(shí)候，會(huì)提高到20%-50%，因此開展區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控是十分必要的。”劉文清說。

如今，“大氣立體監(jiān)測(cè)”已實(shí)現(xiàn)從垂直定向觀測(cè)向三維掃描觀測(cè)發(fā)展，從固定站點(diǎn)觀測(cè)向走航移動(dòng)觀測(cè)發(fā)展，從顆粒物的空間觀測(cè)向臭氧、VOC等氣態(tài)污染物的空間觀測(cè)，從單一污染要素觀測(cè)向環(huán)境、污染物等多要素協(xié)同觀測(cè)方向不斷發(fā)展。

智能化、立體化水平仍需提升

劉文清表示，治污多年，污染源結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著改變，污染成因也發(fā)生快速變化，最為突出的是臭氧濃度持續(xù)上升。此外，臭氧和PM2.5的共同前體物VOCs（揮發(fā)性有機(jī)化合物）成為“大氣十條”實(shí)施后排放量仍在增長(zhǎng)的唯一污染物。

“PM2.5和臭氧協(xié)同控制成為大氣污染治理的深水區(qū)。”劉文清說。

我國(guó)目前已初步形成了以國(guó)控監(jiān)測(cè)站網(wǎng)絡(luò)為骨干的環(huán)境地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，以及科研型立體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

在劉文清看來，挑戰(zhàn)仍然艱巨。主要在于，針對(duì)環(huán)境污染機(jī)理研究的監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段不足；不能滿足臭氧等二次污染業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)需求，比如光化學(xué)前體物的立體監(jiān)測(cè)、低成本高性能的大氣自由基與環(huán)境污染物探測(cè)等；我國(guó)尚未建立先進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和驗(yàn)證評(píng)價(jià)體系，特別是立體監(jiān)測(cè)技術(shù)需要建立數(shù)據(jù)質(zhì)量保障的規(guī)范體系。

此外，數(shù)據(jù)尚未充分融合共享，一些高端專業(yè)儀器以及核心零部件、核心數(shù)據(jù)庫(kù)仍未擺脫依賴進(jìn)口的局面。

未來，亟需推動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新、國(guó)產(chǎn)儀器的產(chǎn)業(yè)化及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)體系的建立。“融合大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)與相關(guān)學(xué)科，實(shí)現(xiàn)局域微觀精細(xì)化監(jiān)測(cè)；創(chuàng)新地基遙感監(jiān)測(cè)手段，突破衛(wèi)星和機(jī)載高光譜分辨率大氣遙感關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)宏觀大氣環(huán)境的立體化、智能化綜合聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)。”劉文清說。