“蓝天碧水保卫战”的科学尖兵：刘文清院士和他的科研团队

摘要：晴朗的夜空，是那样的静谧，一道绿色耀眼的光直射天穹，人们纷纷抬首观望，“快看，一束美丽的光！”那是合肥科学岛上的科研人员正在做实验。激光，诞生于20世纪60年代，以其高单色性、高方向性、高亮度的特征一跃而成为区别于传统光源的“光之骄子”。自从激光为雷达配上了最

本期导读

晴朗的夜空，是那样的静谧，一道绿色耀眼的光直射天穹，人们纷纷抬首观望，“快看，一束美丽的光！”那是合肥科学岛上的科研人员正在做实验。激光，诞生于20世纪60年代，以其高单色性、高方向性、高亮度的特征一跃而成为区别于传统光源的“光之骄子”。自从激光为雷达配上了最佳光源—“激光雷达”在大气光学研究和空气污染监测等方面拥有了广阔的应用前景，从地球表面到数万米的高空，都是它显示威力的舞台。中国科学院安徽光学精密机械研究所（简称安徽光机所）在我国率先开拓了环境光学新领域，项目的领军人物是国家环境光学监测仪器工程技术研究中心主任、中国工程院院士刘文清研究员。近30年来，刘文清带领一个近百人的创新科研团队，在环境光学领域潜精研思，为我国的环境光学监测技术研究和开发做出了重大贡献。

刘文清，中国工程院院士、现任中国科学院安徽光学精密机械研究所（以下简称“安光所”）学术所长。主要从事环境监测技术和应用研究，发展了环境光学监测新方法，研发了系列环境监测技术设备并实现产业化，集成了大气污染综合立体监测系统并进行应用示范，开拓形成了我国环境光学监测技术新领域。获国家科技进步二等奖3项，省部级科学技术一等奖5项，发明专利授权50余项，荣获“全国先进工作者”称号。

我有自己的家国情怀

1970年，是一个值得记住的年份。这一年的1月，中国科学技术大学从北京搬迁到安徽合肥，同年12月，安徽光机所在合肥科学岛正式成立。这两家单位都隶属于中国科学院，一个是教育界的知名大学，一个是科技界的重要研究机构。在此后的50多年里，两家单位风雨同舟、共创辉煌，共同为“全国四大科教城市”之一的合肥增光添彩，合肥也因此有了一张“大湖名城，创新高地”的亮丽名片。

刘文清的科学人生与这两家单位的交集，缘于一位科学家—中国科学技术大学郭光灿院士的慧眼识珠。

1954年，刘文清出生在安徽省蚌埠市，因“文化大革命”中断学业，于1970年进入家乡的无线电厂当钳工。心灵手巧的刘文清不但钳工技术过硬，而且不忘在业余时间刻苦学习数理化知识。1973年刘文清出差到合肥，在合肥地图上看到了中国科学技术大学的校名，萌发了无限的向往。没想到一年之后，他的梦想竟然成真。

“文化大革命”后期的大学招生，一般是以单位推荐加考核的方式进行。1975年1月，中国科学技术大学物理系郭光灿老师代表学校来到蚌埠市招生，当时只有2个招生名额，但报名者多达四五十人。面试的一个题目是“数理化在工作中的运用”，其中一个具体的问题是，在一个圆形铁板中截一块方形的铁板，最大的边长应该是多少？刘文清迅速而准确地回答出来，郭光灿老师非常满意。刘文清既有实际操作经验，又有一定的数理基础，在几番考核中表现出的综合素质条件好，郭光灿老师最终代表学校选择了他。

1975年7月，刘文清进入梦寐以求的中国科学技术大学物理系深造，他不但在学习上进步很快，而且在实验技术上充分展示了自己的才华。1978年10月，刘文清毕业后被分配到科学岛上的安徽光机所工作。1987年到意大利米兰工业大学做访问学者，1995年在希腊克里特大学获博士学位，1996年在日本千叶大学做博士后……多年的访学经历，刘文清对发达国家在环境监测领域的科研水平有了深入的了解。他看到日本的激光雷达光束可以在遥远的地方照射到富士山，转一圈就知道污染物在什么地方。而当时，我国在环境光学监测领域还几乎处于空白阶段。

1998年，刘文清选择了回国发展。2005年他出任安徽光机所所长，后又担任了国家环境光学监测仪器工程技术研究中心主任。当有人问及刘文清为什么不留在国外实验室工作时，他说：“我不想一辈子说外语，我有自己的家国情怀。”正是怀着这份家国情怀，刘文清不负众望，勇毅前行，凝聚安徽光机所的科研力量，优先选择了“三气”，即针对城市空气质量、烟道排放的污染气体、机动车尾气的监测作为研究的切入点；后来又在“水体”和“土壤”两个领域开展了监测技术的研究，成功地将光谱学技术应用于环境监测，开拓了我国环境光学监测技术这个新领域。

2013年，刘文清以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被评为中国工程院院士，在科技报国的事业中，成功实现了人生的“蝶变”。

刘文清（右一）带领团队调试高分五号载荷核心部件。图源：中国科学报

为了蓝天碧水的呼唤

21世纪以来，全球性环境危机日益加剧，气温异常飙升，千年冰川融化，随之而来的飓风、暴雨、泥石流、地震、海啸等极端天气或地质灾难频发，已经威胁到人类的生存。2015年，第21届联合国气候变化大会上通过《巴黎协定》；2021年，《联合国气候变化框架公约》第二十六次缔约方大会上，近200个缔约国表态：尽快落实削减碳排放承诺，合作应对全球气候变化。我国也是防治污染和气候治理的积极行动者。

为了打好“蓝天碧水保卫战”，刘文清院士带领团队聚焦国家重大战略需求，决心加快突破关键核心技术，为建设天蓝、水清、草美的生态环境，打造一个“天、地、空一体化”的综合立体环境监测网。

为“双奥之城”做贡献

2008年北京夏季奥运会举办前后，正值北京周边大气环境质量堪忧的时期。着眼于成功举办奥运会的迫切需求，刘文清团队在中国科学院的支持下，联合兄弟单位，主持了“北京及周边地区奥运大气环境监测和预警联合行动计划”项目。在刘文清带领下，建立了以北京市为中心，覆盖奥运会主场馆区域、周边主要污染排放及污染输送通道区域的“大气环境立体综合监测系统”。那段时间里，刘文清总是在奔忙了一天之后，晚上还要汇总各方送来的监测数据，呈报给有关单位，经常要工作到半夜甚至凌晨。

刘文清团队的监测系统由近80台套科研仪器组成，其中95%由团队自主研发制造，为奥运会期间及北京周边区域空气污染的预警和减排措施的制定及实行，发挥了重要的辅助决策作用，受到了奥运会管理部门和北京市领导的赞扬。刘文清和团队的其他3位同志因此荣获了“科技奥运先进个人”称号。

2022年2月北京冬奥会期间，刘文清团队使用车载激光雷达开展了北京及其联防联控区域内的走航监测服务，快速、精确地获取了区域大气颗粒物的分布特征，还成功预测了冬残奥会举办首日发生的一次沙尘污染，研究和分析了其来源、输送过程等，为保障冬奥会和冬残奥会的空气质量做出了重要贡献。

此外，在抗战胜利日大阅兵、北京APEC峰会、G20杭州峰会、厦门金砖国家领导人会议、上海世博会、广州亚运会等重要会议或活动期间，都有刘文清和他的团队的身影，其间的空气质量监测也获得了社会广泛的好评和赞誉。

地球两极实地科考显身手

2010年7月，为了参加“大气成分演化对生态环境影响”项目，刘文清成为一名中国北极科考队成员，飞赴位于挪威北部的新奥尔松地区，在中国首个北极科考站—“黄河站”进行了为期15天的科考工作。

新奥尔松位于挪威的斯瓦尔巴德群岛北部，北纬78度55分，这里有寸草不生的山峦，广阔无垠的苔原和绵延的冰川。作为地球上有常住人口的最北端小镇，镇上的“居民”大多是来自各国的科学家，已经有十多个国家在这里建立了极地考察站。在这片洁白的极地世界里，即使在夏季的7月，平均气温也在0℃左右。刘文清带上团队自主研制的“多轴差分吸收光谱仪”，坐上索道缆车，来到山峰的至高点。在刺骨的寒风中，刘文清花费2个小时才安装好这套监测系统。仪器工作后，开始对大气痕量气体柱浓度进行连续监测，并通过网络实现远程数据传输及监控。迄今为止，这套仪器还在北极地区连续运行，已经成功获取了极地大气成分中的二氧化溴、臭氧、二氧化氮等气体浓度的大量实时监测数据。

刘文清团队中多名年轻的科研人员，后续也参加了北极和南极的科学考察。在驶向南极的科考船“雪龙”号上，刘文清团队研发的自主知识产权设备“被动差分吸收光谱系统”首次搭载到南极，用以开展极地“活性卤素化合物”的探测。

他们通过自主研发的先进科学仪器，证实了一个堪称好消息的现象—南极臭氧层空洞的面积较之以前正在缩小！南极臭氧层空洞的形成，与人类活动中的过度物质排放紧密相关。这个消息证明，世界各国的减排措施正在发挥作用，为地球环境的改善带来了一个福音。

添利器，助巢湖水体治理

遥感，是从卫星或飞机平台上，对地面或近地目标进行非接触性观测。遥感技术可广泛应用于农业估产、灾害监测、水文气象测量、空间探测、军事侦察等方面，是世界各国都非常重视并正在快速发展的领域。

巢湖位于安徽省中部，面积近800平方千米，是中国五大淡水湖之一。湖中水产丰富，盛产银鱼、白虾、湖蟹等，沿湖一带都是鱼米之乡。但是随着周边经济的发展，巢湖的水体也受到了一定程度的污染。

在对巢湖水体的监测和治理中，刘文清科研团队的监测仪器发挥了重要作用。“水体污染光谱监测仪”是他们应用遥感技术研发的另一种实用、高效的科学仪器。自2009年8月该仪器开始在巢湖示范运行至今，已成功实现了巢湖夏秋水质参数及藻类连续在线监测，还提供了多次水华预警。例如在2015年7月，他们的系统监测到，随着水温的升高，巢湖里各种藻类快速复苏，尤其是蓝藻发生大量增殖，科研人员立即通知相关部门实施生物降解等紧急措施。至今，他们还在为巢湖水质环境监测和综合治理提供连续、及时、准确、可靠的科学数据和技术支持。

为高分五号卫星装上一双“慧眼”

2018年5月9日，我国成功发射了高分五号卫星，这是一颗对大气和地面观测的实现高分辨率、全谱段、高光谱的科研卫星。卫星上搭载了安徽光机所自主研制的三个大气环境监测载荷—大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气主要温室气体监测仪和大气气溶胶多角度偏振探测仪。

刘文清院士是“高分五号卫星载荷任务”的总设计师和指挥。在载荷任务的研制过程中，安徽光机所科研人员查资料、做实验，从每一个芯片、每一个接口开始研制。为达到预订的高性能指标，大家废寝忘食、埋头苦干，分管领导经常要把他们“赶”回家去休息。经过几个月的拼搏奋斗，终于为高分五号卫星安装上了一双明亮的“慧眼”。

“高分五号卫星大气环境监测技术”是利用光谱持续遥感成像原理，提供全球大气污染分布特征和时间序列变化。通过高分五号上大气环境监测载荷，可以实时地清晰地掌握世界各地的污染信息。这不仅为我国控制大气污染决策提供了基本数据，还在发展规划和产业结构的调整中发挥了作用，同时在国际环境领域的外交活动、国际合作环保项目的实施中，我国具有了话语权和有力的科技支撑。

以成果转化造福社会

让科技创新成果走出“象牙塔”，尽快落地转化，造福于民，这也是刘文清院士肩负的使命和责任。

近30年来，刘文清日复一日地辛勤工作，带领团队不断攀登环境监测技术研究领域的高峰。大家常说这么一句话：“别人是有事才来加班；刘文清不来加班，肯定是有事才不能来加班。”以实验室为家成了刘文清工作的常态。

如今，刘文清院士和他的团队已经建立了包括400多种大气污染物、100多种水体污染物、20多种土壤重金属污染物的光谱特征数据库，开发了污染物光谱定量解析算法和工程化应用软件。安徽光机所的环境光学监测技术研究成果，成为我国环保技术创新的源头，已取得自主创新成果20余项，授权专利50余项，论文200余篇，实现了产业化的成果有20多个。

探索成果转化的道路是非常艰辛的。刘文清院士积极联合社会资源，与企业建立了长期战略合作关系，将环境光学监测技术的创新成果进行产业转化，形成了一批自主知识产权的产品，已应用于全国多个省市和行业，为我国环境保护建设水平的提升，发挥了重大作用。

为“美丽中国”再立新功

在国家环境光学监测仪器工程技术研究中心展览室里，金色的奖牌和大幅照片，记录着刘文清院士科研团队取得的创新成就：4次荣获国家科学技术进步奖二等奖；荣获环境保护科学技术奖一等奖、二等奖；多次荣获安徽省重大科技成就奖特等奖、一等奖、二等奖……还有党和国家领导人与刘文清院士及获奖人员的集体合影。刘文清院士带领的团队的大气环境监测技术已跻身世界先进行列。奖牌和荣誉，激励着刘文清院士和团队科研人员不忘初心和使命，继续攀登新的高峰，开创新的业绩。

2022年3月19日下午，20多位院士、专家线上线下齐聚合肥，为兴建一个国际一流的合肥综合性国家科学中心环境研究院（简称环境研究院）出谋划策。他们对刘文清院士充满激情的论证报告感到振奋，一致表示支持并建议尽快实施。

作为学科带头人，刘文清院士对环境研究院的发展前景进行了规划和展望：环境研究院将建在合肥的“中国环境谷”。第一，环境研究院致力于研发国际领先的原始创新成果，抢占科技制高点；第二，努力成为国家生态环境科技产业的创新源头、重大关键装备的研发中心；第三，形成国家级战略新兴产业集群，引领环境产业跨越式发展。

期待着刘文清院士和他的团队再接再厉，为实现美丽中国的宏伟蓝图做出更多、更大的贡献。

本文摘编自中国科学院老科学技术工作者协会组织编写的《科学家的故事2》，作者为中国科学院合肥物质科学研究院的张建平、齐琼，标题和内容有调整。

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