碳中和背景下 刘文清院士谈天空地一体化碳源碳汇监测技术

刘文清院士从事环境光学工作二十余年，总结多年的研究成果，新著《环境光学和技术》。为了更好的交流环境光学技术，刘文清院士近日在北京做了报告《碳达峰碳中和背景下 环境光学与技术发展机遇》，报告结束之后，刘院士接受了仪器信息网的采访。

中国工程院院士 安徽光机所所长 刘文清

关于《环境光学和技术》

《环境光学和技术》全书600多页，分为十章，主要内容包括绪论、差分光学吸收光谱技术、可调谐半导体激光吸收光谱技术、傅里叶变换红外光谱技术、非分散红外测量技术、激光雷达技术、光散射测量技术、荧光光谱技术、激光诱导击穿光谱技术和大气环境立体监测技术系统集成及应用。

刘院士为我们简单的介绍了这本书的情况。

“我们从2000年就开始做环境光学研究，很早就想把自己做的研究、成果、经验，甚至一些教训，进行总结、分享。但是一直比较忙，此书的出版还要感谢安徽科学技术出版社，是他们的不断督促，让这本书得以最后出版。”

“这本书比较实际，没有特别多理论方面的内容，主要包括我们的一些实际数据、基本公式推导以及一些第一手资料等，更加偏向技术层面。”

“我们刚开始从事这方面研究的时候，环境领域还不太认可光谱技术，而随着国家环境问题越来越多，需要对快速的环境变化进行观察，尤其是一些污染物痕量气体的相互作用，环境光学技术越来越多的发挥作用。这本书的出版也希望给现在的学生、想做行业交叉研究人员做参考、借鉴。”

新技术、新应用是环境光学发展的驱动器

环境光学就是利用光学的技术来解决环境领域的需求，随着光学技术的发展和环境领域新需求的提出，环境光学技术也在不断发展。

刘院士以空气质量监测子站为例，介绍了技术发展对行业的推动作用。目前空气质量监测子站监测的六个参数的检测采用的是光谱技术，这都是国外三四十年前开发的技术，而其中的光源有氘灯、氙灯、汞灯等。随着光电技术的发展，出现了LED光源，LED光源一是省电一是寿命长，而氘灯和氙灯也就2000个小时的寿命。所以用LED光源代替原来光源，再加上新算法，我们就可以形成自己特有的仪器设备。但是新技术的推动可能需要政府、协会或者公司间联盟来推动，仅靠一家公司可能推动不了。

碳达峰和碳中和是我国未来40年环保的重要任务之一，而碳源碳汇监测技术是双碳目标达成的重要技术支撑。国际大气成分变化探测网络涉及的仪器包括高分辨率FTS光谱仪、雷达、太阳辐射计、微波辐射计、UV-Vis光谱仪等，而这些仪器设备也以进口居多，我们还需要研发国产化的设备。

碳达峰和碳中和下的仪器需求

要想实现碳中和，需要很多技术支撑，比如二氧化碳捕集封存与利用技术、工业减碳技术、新能源替代技术等，但要想评估效果如何，需要的是监测技术。

中国承诺两年一次自报清单、回应质询，但没有自己的排放监测数据，排放清单根据IPCC提供的排放因子计算。但采用国外的排放因子，结果普遍偏高，没有检查核对指标的主动权，没有碳交易的定价权！

因此对于温室气体的监测，需要从点源、多点源、面源、区域、全球等不同空间尺度开发天空地一体化碳源碳汇监测技术。

点源就是工业排放源的碳监测（包括二氧化碳、甲烷等主要温室气体），美国已经在2005年开始在工业排放气体监测设备中增加了CO2作为必须监测指标；多点源就是多个点源监测；面源监测主要针对面源排放，如养殖场，可以采用傅里叶红外技术，测量养殖场边界的二氧化碳和甲烷浓度，从而计算养殖场碳排放情况；区域监测主要针对一个区域，可以采用无人机遥感技术；全球监测需要采用的就是卫星，目前中国、美国、日本、韩国、欧洲等都已经发射了碳卫星，只不过分辨率还有待改进。

如此多的监测需求，全部采用进口设备是不现实的，我国的仪器仪表厂商需要开发相应的仪器设备，并且刘院士相信国内的厂商也具备研发相关设备的实力。未来，对于仪器设备，国家应该会安排一些科研项目，也会有企业进行先期开发，我们还有十几年时间来达到碳达峰，还有40年时间达到碳中和，如果企业从现在开始策划，投入研发，肯定能赶上我国大量碳监测仪器设备需求。

刘院士重点强调了二氧化碳背景站需求。目前二氧化碳浓度大约为400ppm，而每年的变化大约在1-1.5ppm，对于背景站的二氧化碳分析仪来说，相当于测量高背景下的微小变化，因此要求仪器有足够的分辨率。二氧化碳最早的背景站是美国在二十世纪五十年代在夏威夷设立，当时仪器采用的是非分光红外的原理，采用滤光片分光，随着新技术如强增强、强衰荡、量子级联激光器等的出现，二氧化碳分析仪可以利用的技术种类也在增多。二氧化碳有很强的光谱特征，如基频、泛频和二倍泛频，都是不同的吸收截面，而吸收截面越大，仪器分辨率就越高，这样就可以满足二氧化碳的背景值监测。

在接受采访之前，刘院士刚刚参加完习总书记的科学技术大会，刘院士为我们分享了其感想。“习总书记的讲话中提到，科技就是要自强自立，技术是买不来的，技术的垄断可能比市场垄断更重要。我觉得我们还需要把一些关键核心技术掌握在自己手上。而且现在国家支持创业，我看到很多年轻人很有想法，很快组成一个微型公司，将想法变成现实，他做的可能不是整个仪器，可能只是一个部件，这都是非常好的。”