刘文清：给大气做“CT”

 

一

2022年2月，北京。举世瞩目的第二十四届冬奥会正在举行。天空湛蓝，空气清净。来自世界各国和地区的运动员沐浴在阳光下，激情满怀地走向赛场。

与此同时，一支不被人注意的队伍正行进在冬奥会的赛场周边。这支队伍依托经过特殊改装的监测车日夜走航监测赛场。在这之前，经过近三个月的连续监测后，他们已经向北京冬奥组委提交了比赛期间大气情况分析及应对策略。

带领这支队伍的，是一位叫刘文清的科学家。那段日子里，六十八岁的刘文清每天审读数据，并开展大气痕量物质计算。对每一个数据、每一个结论，他都慎之又慎。

这不是刘文清第一次接到这样的重大任务。

2008年中国首次举办夏季奥运会，刘文清接到通知：由他率领的环境光学监测团队承担奥运会大气监测任务。要知道，那时候，中国的大气环境监测正处于艰难的爬坡阶段。承担这样的重大任务，刘文清心里很忐忑。他深知：对于他和他的团队来说，这次机会，必须展示出中国环境光学监测的水平，开创中国环境光学监测的新天地。

那一次，刘文清团队在北京待了六个月。日夜加强观测，很多年轻队员都累得不行，每天晚上，他却仍坚持跟踪分析。“今天的数据出来，对明天的治理就有影响。所以，一刻也不能拖。”

2008年北京奥运会，刘文清获得“奥运会科技贡献奖”，其成果获得“奥运科技成果奖”。

十四年后，刘文清的团队再次被选中。这一次，他们已经底气十足：团队所携带的设备更科学、更先进了，而且全部具有自主知识产权。监测所得的数据相比以前，更加及时、高效、权威。

给大气做“CT”——这是对刘文清和他所从事的科研工作高度精练的概括。2013年，因创新性的环境光学监测技术研究及成果产业化的突出成就，刘文清当选为中国工程院院士。至今，他已在中国的光学研究及大气环境光学监测科学领域奋斗了四十多年。

二

刘文清大学毕业后就来到中国科学院安徽光学精密机械研究所工作。后来，他去国外学习和工作了十几年，1998年春天又重新回到安光所。他说：“我要回到自己的国家，为国家做事。”正是这份家国情怀，让他下决心为祖国的科技发展做出贡献。

回到安光所后，刘文清很快做出了选择——开展大气环境光学监测。在国内，这还是个空白。三年前在国外时，有一次，刘文清看到照射在一座山上的闪亮的激光柱，他好奇：那是用来干什么的？后来得知是在探测大气。当激光穿过大气，会与大气粒子发生相互作用，通过激光与大气中各种物质相互作用产生的信号，可以分析大气中的污染物含量和分布。要知道，那时候国内环境监测还都是传统方法，主要依靠样品采集进行实验室分析。当时刘文清就在想：哪一天，中国的环境监测也能走到这一步？

研究方向明确了，刘文清找到所里志同道合的五六个人，分析国内环境监测的现状，讲到在国外看到的那束激光，讲到国内环境监测仪器设备百分之九十五以上都依赖进口……安光所环境光学监测研究室就这样成立了。

所里挤出二十万元，作为他们的启动经费。这二十万首先用来做什么？刘文清他们明白：这是第一炮，必须成功。大家埋头想了几天，最后决定用来研制点式环境空气二氧化硫监测仪。

那以后的大半年时间，研究室的灯光基本都是通宵亮着。从图纸开始，到一个个螺丝钉、一个个接口焊接，刘文清带领团队，一切都是自己干。他将团队研究工作分成了两块，一块研发电路板，一块攻克软件算法。硬件上的关键部件是数据采集控制和数据处理电路板，如果依靠进口，那不过是组装，必须自主创新。电路设计从A4纸大小，逐渐浓缩至二分之一A4纸大小。密密麻麻的电极管被安置在特定位置。算法上也有突破，团队第一次获得了点式环境空气二氧化硫监测仪的反演算法，通过循环验证，达到了较为满意的效果。

然而，电路设计效果并不理想。于是，刘文清他们向中科大的专家求教。回来后，他们推倒重来，将原来的电路设计改成了集成度更高、可靠性更强的电路设计方案。这一改，制造工艺上的要求又提高了不少。他们不断试验、失败，再试验、再失败……终于，成功地造出了第一块完全合格的高品质点式环境空气二氧化硫监测仪模块。

第二年春天，他们造出了第一台完整的仪器。

虽然那只是一台小小的仪器，并不精美，甚至有些笨拙，但刘文清他们却宝贝得很。这是中国第一台国产点式环境空气二氧化硫监测仪。他们兴奋极了，这台仪器带来的是希望——他们已经悄悄打开了环境光学监测技术的大门。

三

刘文清从地面下到一千多米深的煤矿巷道。此行，他专程来到煤矿，是奔着煤矿有毒气体探测仪器研发过来的。环境光学监测不仅要在实验室里做研究，更要走向产业化应用。

刘文清一次次地倾听工人的意见。井下工人们说得最多的是：原来的仪器不好用，精度不够，用起来让人提心吊胆。

回来后，他下决心：仪器一定要好用、便携、精准。他将设计方案一改再改，直到终于满意了，才着手研制。

移动监测仪研制出来后，他让团队里的年轻人送到矿上，结合应用实际情况再来进行改进。研究室的年轻硕士生、博士生们，常常被刘文清“赶”到产品应用一线去。刘文清更是自己带头到一线去。

如今已经是科研团队主力的一位研究员，一直记得当年跟随刘文清研发机动车尾气探测仪器的经过——

刘文清将大家“赶”到大街上，观察各种机动车。机动车排放污染气体，然而对行驶中的机动车进行探测，难度可想而知。“许多人都觉得不可思议，车子在跑，怎么测？”

还别说，这一看还真看出了思路。车虽然是行驶着的，但任何行驶的物体，在一定的时间内都是静止的。他们很快联想到激光。用两束激光，从道路两侧同时打进行驶中的机动车尾气之中，然后通过反射光谱，反演分析，得出污染物数据。

八百里巢湖，水波浩渺。然而，成片的蓝藻曾经一度污染了水体，湖水发出恶臭。刘文清团队来到巢湖边，沿湖走了一圈又一圈。回去后，他们从零做起，用近一年的时间研制出水体监测仪器。该仪器比国外同类仪器便宜一半，投放巢湖后，数据精准度却大幅度提高。在巢湖的综合治理中，该仪器发挥了很大作用。

2020年春天，为了尽快了解新冠疫情对大气环境的影响等情况，刘文清团队来到一线。他们穿着厚厚的防护服，随大气环境立体监测车频繁地进行网格化走航观测。监测车是出发前团队特意改装的正压实验车，配备了多套大气环境立体探测设备，这些设备完全由刘文清团队研发。每天，从朝霞升起，到临近午夜，团队循环探测，一刻都不松懈。年轻人劝刘文清多休息，不要一直跟车走航。他拒绝了。他说：“我们做科学研究的，就是要在这关键时刻见功夫。科学说到底，还是要为人服务。”他跟团队一道记录数据，分析标志物变化，及时将探测结果报告给决策部门。

四

太原卫星发射中心。中国高分五号卫星发射成功。

作为卫星环境载荷的总设计师，刘文清长长地舒了口气。他梦想中的中国环境光学监测天、地、空一体化体系终于建成。

在卫星发射现场，刘文清流泪了。从二十年前选择开拓环境光学监测开始，从一个接口、一个芯片到一台仪器，从一个数据、一段光谱到一个技术难题，他们所经历的艰难，只有他们自己知道。

现在，我们国家自己的环境光学监测仪器上天了，而且，探测幅宽达到两千六百公里。给大气做的“CT”更清晰了。同时，有了自己的数据，我们在国际上也有了更多的话语权。

至今，刘文清团队已经研发了近百种环境光学监测仪器。这些仪器被大量地应用在国内环境空气监测子站和其他监测点上，占到了国产仪器总量的百分之九十以上。

“我们的仪器设备已经完全自主创新，并且实现了产业化。”刘文清很自豪。

实验室里，摆放着每一个时期他们研发的仪器模型。

世纪之初，代表性的模型是一台点式环境空气二氧化硫监测仪。再后来，是长光程监测设备。到了2008年北京奥运会前后，应用激光技术的激光探测雷达出现了。这些构成了地基观测的基本系统，可以探测地面上、园区内、水域大气污染情况。

2015年前后，空基探测建立。利用航天飞行设备载荷，对地面以上五公里内大气进行探测。

2018年5月，高分卫星搭载了六台环境光学监测仪器，刘文清团队设计制造的就有三台。这些载荷连同后来发射的环境监测卫星等，构成了中国大气环境天基监测系统。

“三基”协同，刘文清团队又完成了一系列的环境监测研究。2022年汤加火山爆发，巨大的火山灰随着大气流动而蔓延。中国卫星获得了实时监测数据，其研究和监测成果处在国际前沿。围绕京津冀天、地、空一体化大气综合环境实验的项目也初显成效，织成了一张时刻监测污染气体和颗粒物的天、地、空大网。

“为大气做‘CT’”，刘文清解释道，“这可不是一般的CT，是给大气这广阔而流动的物体所做的CT。因此，它的要求更高，难度更大。我们也还正在攀登之中。”

“中国向世界承诺2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。对于我们环境监测工程科学来说，还有很多的路要走。”前途漫漫，刘文清他们任重而道远。