“双碳”目标下生态环境监测技术的发展机遇与挑战.pdf
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1、CHINAENVIRONMEIONINDUSTRY院士论坛专刊双碳目标下生态环境监测技术的发展机遇与挑战中国工程院院士、中国科学院安徽光学精密机械研究所学术所长刘文清基本情况生态环境监测技术装备,是信息时代生态环境科技发展的源头,是生态环境科学研究的“先行官”,是我国绿色低碳发展的“倍增器”,也是国民生活中的“物化法官”。环境的变化不但影响着现在和未来的世界,而且也一直是国际科学前沿关注的热点,我国生态环境问题的解决离不开先进的监测技术和仪器装备。中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2 0 35年远景目标纲要对我国绿色生态发展制定了5项预期性指标:单位国内生产总值(G D P)能
2、耗降低13.5%,单位GDP二氧化碳排放降低18%,地级及以上城市空气质量优良天数比率达到87.5%,地表水质量达到或好于II类水体比例达到85%和森林覆盖率达到2 4.1%。5项预期性指标将大大推动中国“绿色生态”发展。我国节能环保产业将实施大气污染物减排、水污染防治和水生态修复、土壤污染防治和安全利用、城镇污水垃圾处理设施、医疗废物危险废物处置和固体废物综合利用、资源节约利用6 项“环境保护和资源节约工程”。绿色发展强力牵引我国环境产业的发展,在国家政策支持下,随着政府层面环保监管力度的不断加强,以及循环经济建设的日益推进,环境产业对国民经济的贡献持续增大,正在成为国民经济的支柱产业之一。
3、2 0 2 1年,全国环保产业营业收入约为2.18 万亿元,较2 0 2 0 年增长约11.8%,比2 0 2 1年GDP增速高3.7 个百分点。从2 0 19 年全球环保产业规模区域分布情况来看,欧美日发达国家占比最高,分别为北美洲38%、欧洲32%、日本16%、亚太地区(除日本)10%、其他国家4%,发展绿色经济成为发达国家发展战略的核心内容和世界发展潮流。环保产业整体发展需求强烈,产业前景广阔我国的环境产业主要包括三类企业:外资企业、国内设备企业及第三方运维企业。高端分析仪器的附加值比较高,但市场主要被国外企业所占领,国内企业主要做的是仪器的系统、运维领域,附加值比较低。从我国的实际情况
4、看,由于体制制约和科技进步等原因,目前我国企业技术创新主体的作用还没有完全发挥出来。近年来,光谱、色谱、质谱技术成为了环境监测中的热点技术,而且设备国产化也取得了长足进步,但是离子源、紫外激光器、中红外激光器、光电信增管(PMT)探测器、多次反射池、四极杆等关键“卡脖子”部件有待进一步突破技术进展环境监测仪器装备与现有其他分析仪器装备有所不同,虽有交叉的共性部分,但在生态环境多变的背景下,其专用性强、使用场合复杂,很难包容在已有的某个分支学科中。至今还没有一种单一技术能满足大气痕量成分监测的多种要求,不同的监测平台各具特点。在线监测准确快速,但只是局地近地面。地基遥感可以获得大气痕量气体的柱浓
5、度和廓线,但也只能在某个地点。机载/球载可以机动准确地获得大气痕量气体的垂直和水平分布,但测量频次受限。卫星遥感覆盖大区域和全球环境,由于大气云和气溶胶的影响,有一定的测量误差,且观测时间也有限。发展更高精度、更多成分、更大范围、更加实用的多平台多维大气环境监测技术才能满足大气成分及其变化的各种需求。大气污染物与温室气体具有显著的协同性,二者22中国环保产业院士论坛专刊同根同源,都涉及大气成分的变化,但是它们的监测技术原理和仪器构成千变万化,取决于所监测对象的浓度和来源。环境光学监测技术从根本上改变了环境研究传统的由点到线再到面的演绎法,为生态环境研究提供了一个全新的研究角度,克服了传统环境研
6、究中的诸多局限性。特别是采用相干光源的激光技术,将测量低层大气环境任意测程上的化学和物理性质的测量手段,从点式传感器转向距离分辨的遥感测量技术,实现了多空间尺度性、多时间尺度性、多参数遥感遥测。基于光学光谱学原理的环境监测技术,由于具有非接触、无采样、高灵敏度、大范围快速监测等特点,是国际上环境监测技术的主要发展方向之一。经过十来年的努力,特别是党的十八大以来,我国一些科研院所和大学等单位,发展了主动及被动差分光学吸收光谱学(DOAS)、主动及被动傅里叶变换红外光谱学(FTIR)、可调谐半导体激光光谱学(T D L A S)、光腔衰荡光谱学(CRDS)大气环境监测激光雷达(LIDAR、R a
7、m a n)、激光诱导荧光光谱学(LIFS)、测量气溶胶颗粒物的光与激光散射技术,以及测量环境中微量重金属含量的激光诱导击穿光谱学(LIBS)等。这些技术可以用于在线现场监测、地基平台监测、机载(无人机)平台监测、球载平台监测和星载平台监测,实现了不同平台的大气环境立体监测。针对大气成分探测的LIDAR主要包括瑞利/米氏/拉曼散射激光雷达、偏振激光雷达、差分吸收激光雷达和光频梳高光谱分辨率激光雷达,其基本结构都包括脉冲激光器、接收望远镜和信号检测器三个基本部分,可实现对温度、湿度、云、气溶胶、水、臭氧、二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和甲烷垂直分布的全时段实时连续探测,此外,基于逆温变化或气溶胶梯
8、度变化可获得边界层高度信息。激光雷达的缺陷在于存在探测盲区,该值取决于脉冲激光器和接收望远镜的间距、脉冲激光器发散角和接收望远镜视场角。激光雷达其在传输溯源分析上的巨大技术优势。在区域空间分布特征信息获取方面,组网观测已得到逐步重视。为了监测全球大气痕量成分变化,相关卫星遥感载荷陆续发射。19 9 6 年,欧洲航天局(ESA)成功发射第一颗高分辨率卫星载荷GOME,实现对全球大气痕量污染气体的全覆盖监测,分辨率达40 km320km。美国国家航空航天局(NASA)2 0 0 6 年成功发射了世界第一颗用于监测全球气溶胶垂直廓线和退偏比等光学特性参数的星载激光雷达CALIPSO。2002一2 0
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