肖延勝

近年來(lái)，霧霾、PM2.5等名詞越來(lái)越為國(guó)內(nèi)外的人們所熟悉。這也意味著大氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻并且國(guó)際化的趨勢(shì)日益明顯?！皡^(qū)域污染物總量數(shù)據(jù)能幫助掌握重點(diǎn)城市污染物排放量，改善對(duì)源清單的認(rèn)識(shí)，有助于對(duì)霾污染源的定位和治理?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授劉誠(chéng)長(zhǎng)期從事全球大氣污染氣體（NO2，SO2，HCHO，O3等）、大氣溫室氣體（CO2，CH4，CO等）及霾的時(shí)空分布遙感觀測(cè)算法研究。

目前我國(guó)在大氣污染觀測(cè)方面開(kāi)展的工作，主體是以地面觀測(cè)為基礎(chǔ)的大氣質(zhì)量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，缺乏以區(qū)域/全球范圍的大氣觀測(cè)為主旨的機(jī)載/星載遙感技術(shù)。我國(guó)現(xiàn)在迫切需要獲得國(guó)內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域及全球大氣污染/溫室氣體成份狀況，以及重點(diǎn)城市污染物排放量的數(shù)據(jù)。劉誠(chéng)在大氣成分的衛(wèi)星遙感技術(shù)方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)，本刊就此對(duì)他進(jìn)行了專訪。

求學(xué)海德堡

劉誠(chéng)在大氣污染方面卓有成效的研究早在他求學(xué)期間就已經(jīng)開(kāi)始了。2006年12月，劉誠(chéng)來(lái)到德國(guó)海德堡大學(xué)物理系攻讀博士學(xué)位，師從Ulrich Platt教授[大氣差分吸收光譜技術(shù)（DOAS）創(chuàng)始人，德國(guó)海德堡大學(xué)環(huán)境物理研究所所長(zhǎng)]。其間，他成功研發(fā)了基于高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的大氣溫室氣體柱濃度遙感算法，相關(guān)科研成果發(fā)表在氣象與大氣學(xué)科的頂級(jí)雜志（Atmos. Chem. Phys.）上。

“在研究組前期研發(fā)的最優(yōu)化迭代差分吸收光譜算法基礎(chǔ)上，針對(duì)近紅外通道受云層遮蔽、探測(cè)器結(jié)冰等因素影響的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題，我提出了修正算法，并編寫(xiě)修正程序提高了反演精度，從而成功高精度的獲取了基于歐洲高光譜載荷SCIAMACHY的全球溫室氣體分布數(shù)據(jù)?！眲⒄\(chéng)告訴記者，該算法彌補(bǔ)了被云層遮蔽地區(qū)數(shù)據(jù)的缺失，獲得了基于SCIAMACHY的長(zhǎng)時(shí)間段連續(xù)觀測(cè)結(jié)果。

劉誠(chéng)的此項(xiàng)研究結(jié)果在同其他衛(wèi)星/地基觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證中取得了很好的一致性。該算法顯著提高了衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度；在與歐美著名大氣化學(xué)模型的比較驗(yàn)證中，發(fā)現(xiàn)并指出它們對(duì)中國(guó)地區(qū)大氣模擬結(jié)果的不準(zhǔn)確性。

劉誠(chéng)的博士論文就以此項(xiàng)研究為主，在答辯時(shí)以滿分通過(guò)，并且被評(píng)為海德堡大學(xué)物理學(xué)院優(yōu)秀博士論文?！癙latt教授在給我的評(píng)價(jià)中，說(shuō)我在大氣科學(xué)和痕量氣體遙感領(lǐng)域有卓越的經(jīng)驗(yàn)和技能，對(duì)工作極有熱情，富于團(tuán)隊(duì)合作精神?！闭f(shuō)起導(dǎo)師對(duì)自己的評(píng)價(jià)，劉誠(chéng)顯得有些不好意思。

科研的道路沒(méi)有止境，對(duì)于自己取得的成績(jī)，劉誠(chéng)并沒(méi)有滿足。2010年11月，博士順利畢業(yè)的劉誠(chéng)留在德國(guó)，于馬普化學(xué)所繼續(xù)從事相關(guān)研究工作。

在馬普化學(xué)所，劉誠(chéng)在衛(wèi)星遙感溫室氣體柱濃度的基礎(chǔ)上，又開(kāi)展了基于衛(wèi)星觀測(cè)高光譜數(shù)據(jù)的大氣溫室氣體廓線反演算法的研究。他首次提出利用“云約束”法反演大氣溫室氣體廓線分布，改變了當(dāng)時(shí)溫室氣體廓線衛(wèi)星反演算法只能獲取中高空氣體廓線（無(wú)法獲得與人類活動(dòng)密切相關(guān)的近地面信息）的局限，第一次成功獲取了從對(duì)流層頂部（10～12km）到近地面（500m）垂直分辨率為1km的溫室氣體廓線分布。

“我用IDL語(yǔ)言、C++語(yǔ)言編寫(xiě)fortran程序，結(jié)合云數(shù)據(jù)，第一次從衛(wèi)星近紅外高光譜數(shù)據(jù)成功反演大氣溫室氣體廓線。”劉誠(chéng)停了一下，繼續(xù)向記者解釋這項(xiàng)研究的重要性，“這項(xiàng)研究成果在與歐美著名大氣化學(xué)模型MATCH（例如Lawrence et al.2003）和 EMAC（例如J?ckel et al.2013）的比較驗(yàn)證中，我發(fā)現(xiàn)其對(duì)中國(guó)地區(qū)CO廓線模擬的不準(zhǔn)確性，這一發(fā)現(xiàn)為這兩個(gè)模型的改進(jìn)提供了重要依據(jù)?！眲⒄\(chéng)的這項(xiàng)研究成果已經(jīng)于該學(xué)科的頂級(jí)雜志（Atmos. Chem. Phys.）上發(fā)表，基于他的努力工作和研究成果，德國(guó)馬普學(xué)會(huì)對(duì)他的總評(píng)認(rèn)證為“Excellent”。

功成哈佛

機(jī)會(huì)總是偏愛(ài)有準(zhǔn)備的人。劉誠(chéng)的努力工作，讓他的科研之路越來(lái)越順風(fēng)順?biāo)?012年，他獲得哈佛大學(xué)博士后全額獎(jiǎng)學(xué)金，來(lái)到哈佛-史密松天體物理中心從事衛(wèi)星高光譜儀器測(cè)試校正與反演算法研發(fā)，并成功研發(fā)出大氣污染氣體總量的衛(wèi)星遙感算法。當(dāng)時(shí)，指導(dǎo)劉誠(chéng)的是哈佛大學(xué)原子與分子學(xué)部部長(zhǎng)Kelly Chance教授，也是美國(guó)第一顆靜止高光譜環(huán)境衛(wèi)星TEMPO的首席科學(xué)家（PI）。

科研的道路并不總是一帆風(fēng)順的，劉誠(chéng)坦稱，工作中他經(jīng)常碰到各種困難。在哈佛-史密松中心時(shí)，他開(kāi)展針對(duì)大氣污染氣體柱濃度/廓線時(shí)空分布的最優(yōu)估算法OE（Optimal Estimation）遙感算法研究。 “由于星載和機(jī)載的觀測(cè)儀器都存在光譜漂移、輻射率絕對(duì)值穩(wěn)定性不高、信噪比低等問(wèn)題，導(dǎo)致其觀測(cè)到的高光譜數(shù)據(jù)精確度達(dá)不到反演需求，無(wú)法準(zhǔn)確反演計(jì)算出污染氣體時(shí)空分布信息。”劉誠(chéng)說(shuō)，OE遙感方法對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度要求很高，因此對(duì)高光譜儀器進(jìn)行高質(zhì)量的校正與標(biāo)定，是準(zhǔn)確獲取污染氣體含量分布的前提。

有困難就要解決。劉誠(chéng)心一橫，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，夜以繼日地工作，終于研發(fā)出一系列校正算法，并編寫(xiě)程序應(yīng)用于NASA DISCOVER-AQ 城市環(huán)境觀測(cè)項(xiàng)目，獨(dú)立完成由高光譜數(shù)據(jù)校正到最終數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)的全過(guò)程，最終成功獲取了美國(guó)華盛頓特區(qū)等大型城市和重點(diǎn)區(qū)域污染物（NO2，HCHO，O3）分布情況。

“該算法同樣也適用于中國(guó)京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等重污染地區(qū)，這些總量分布數(shù)據(jù)能為污染源的確定（地理位置和排放量）及治理政策的制定提供重要依據(jù)。”劉誠(chéng)說(shuō)著，對(duì)自己的科研成果感到自豪。這也難怪，他的相關(guān)研究成果再一次登上了該學(xué)科的頂級(jí)雜志（Atmos. Chem. Phys.），哈佛大學(xué)的Kelly Chance教授高度評(píng)價(jià)他，認(rèn)為他取得了令人矚目的研究成果。

國(guó)內(nèi)發(fā)展

回國(guó)后，劉誠(chéng)的科研項(xiàng)目不斷，目前他承擔(dān)著“高性能傅里葉變換紅外光譜分析儀器開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”、“基于機(jī)載/星載觀測(cè)的大氣污染氣體整層總量的遙感算法與傳感器特性實(shí)時(shí)模擬技術(shù)”等科研工作。

作為一個(gè)年紀(jì)輕輕就已當(dāng)上教授，而且已發(fā)表SCI/EI收錄文章30余篇的學(xué)者，我們?nèi)滩蛔￡P(guān)心他下一步的動(dòng)向。提到未來(lái)的打算，劉誠(chéng)說(shuō)，在自己以前研究的基礎(chǔ)上，將開(kāi)展四個(gè)方向的研究：高光譜衛(wèi)星儀器校正與標(biāo)定；大氣污染/溫室氣體衛(wèi)星遙感算法的研發(fā)；大氣霾前體物衛(wèi)星遙感技術(shù)及應(yīng)用；研發(fā)獲取區(qū)域或典型城市大氣中污染物排放總量的綜合觀測(cè)技術(shù)和方法。

“希望我研究得出的這些數(shù)據(jù)可用于研究全球范圍的污染運(yùn)輸以及變化趨勢(shì)，而且也為我國(guó)的重大需求，如氣候談判、環(huán)境政策等提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐”，劉誠(chéng)笑著說(shuō)。