杜可：用“第三只眼”看城市

本刊记者 王 翩

杜可：用“第三只眼”看城市

本刊记者 王 翩

《2012》，一部描述“世界末日”的科幻片讲述了环境变化中城市的脆弱。在全球气候变暖的背景下，一场暴雨可以使一座现代化的城市全面瘫痪，复杂的异常气候容易导致流行疾病的快速传播，

今年初，中国人民大学与公众环境研究中心联合发布了2010年度30个中外城市空气质量信息公开评价报告，20个大陆城市无一及格。中国城市虽均开展一定的空气质量信息发布，但仍处于初级水平。大气是会流动的，如何准确的监测到“流动的大气”，成为治理大气污染的关键所在。

中国科学院城市环境研究所的杜可研究员和他带领的“环境光学与大气环境监测”创新团队正在这一领域大展拳脚，这个年轻的团队希望借助“第三只眼”，准确地监测到大气中的污染物，为环保部门制定有关政策提供依据。

海归博士的“环保”之路

杜可，1998年毕业于清华大学，获环境工程专业学士学位。后免试推荐至北京大学攻读硕士研究生，2001年获大气环境理学硕士学位。2007年毕业于美国伊利诺伊大学香槟分校，获环境工程专业空气质量工程方向博士学位。之后作为大气质量专家在休斯敦为多家石油及化工企业提供环保技术与管理咨询服务。

2002年至2005年，杜可独立承担美国国防部“烟羽不透光度研究”项目，并发明了“Digital Optical Method”(DOM)应用数字相机观测可见颗粒物烟羽的不透光度。该方法创造性地应用数字摄像技术结合大气辐射传输的基本原理，克服了已有各种方法的局限，使对可见烟羽的不透光度观测更加客观、经济、和灵活，具有在全美工业点源监测工作中推广的潜力。该方法于2009年获得美国国家发明专利授权。2006年美国国家环保局空气质量规划与标准办公室在其颁布的一份备忘录中指出，在全美推广数字摄像方法来监测工业排放源排放的烟羽不透光度能够给美国带来每年至少2亿美元的开支节省。为此，美国测试与材料协会（ASTM）专门成立由来自政府，大学，企业等部门的专家组成的专家组做此方法的标准化工作，杜可博士作为专家组最初的五名成员之一，为标准方法的建立提供了技术支持并起草了最初版本的标准方法。在随后的3年中，来自工业界，学术界，和政府部门的专家加入进来，扩大至二十多人，经过不断完善补充，该标准方法最终在2009年作为ASTM的标准方法发表。美国国家环保局空气监测与质量司前任长官Tom Logan评价“杜博士的烟羽不透光度数字摄像监测法在实施成本和准确性方面都达到了替代USEPA标准方法（Method 9）的要求…该方法在美国国家科学院和政府财政办公室的报告中被强烈推荐……我深信，杜博士在颗粒物排放测定方面的研究，带来的是新一代的，能适用各样复杂环境条件的，高效且低成本的方法和技术……”。2011年4月，美国国家环保局正式公布，将数字摄像观测烟羽不透光度的方法作为原标准方法的一种替代方法应用于全美工业源排放达标情况监测。

2005年至2009年，杜可在美国国防部、能源部、国家环保署共同主持的战略环境研究与发展计划（SERDP）项目的支持下开发了应用激光遥感技术观测颗粒物烟羽质量分布及对排放通量进行原位实时观测的方法。军事训练活动造成的颗粒物排放问题一直困扰全美各军事基地。为了达到“像实战一样训练”的目标同时又有效控制对周边地区的污染需要深入了解该类活动造成的污染排放情况。在这一需求导向下，杜可博士首创垂直扫描式激光雷达观测无组织颗粒物排放通量技术。该项技术被应用到位于美国亚利桑那州、华盛顿州、科罗拉多州等地的美军基地进行现场观测武装直升机、火炮和装甲战车产生的无组织颗粒物排放，并定量排放因子。其结果可以应用于模拟军事基地排放对周边造成污染情况，为评价污染控制措施的有效性，制定合理的环保规范提供了基础数据。该项研究的成果以系列论文的形式发表在2011年ES&T上，该期刊把这项研究作为当期的特色文章在其网站上加以推介。由于在该项目中的突出贡献，杜可博士及其所在团队被授予美国国防部陆军总署颁发的研发团队奖。

找到监测污染物的“第三只眼”

由于大气污染物的浓度和分布是随时间、空间和气象、水文条件及污染源排放情况等因素的变化不断改变的，因此需要及时获得污染物在环境中的动态变化信息，从而正确评价污染状况，并为研究污染物扩散、迁移和转化规律提供依据。为实现这一目的，传统的布点监测方式已不能满足需要，必须发展能够在大时空尺度进行多维度连续自动监测的新技术。

“国外的城市环保已经做的不错了，国内的城市建设更需要我的技术，我的事业也需要更广阔的平台”，2009年底，杜可博士带着他在国外学习多年的理论和实践成果，作为海外引进人才加入中国科学院城市环境研究所，同时组建“环境光学与大气环境监测”创新团队并担任负责人，继续开展应用数字摄像技术及光学遥感技术观测大气颗粒物光学特性的研究。新技术的运用，使他在观测城市环境污染中找到了“第三只眼”。

回国以后，国家给予了杜可比国外更广阔的施展平台并赋予了他更多更重的科研任务。在短短的一年间，杜可博士先后获得国家自然科学基金项目、环保部公益科研专项、中科院知识创新工程重要方向项目、福建省重点项目、福建省杰青项目、厦门市杰青项目等项目的支持。梅花香自苦寒来。杜可博士的研究取得了丰硕的成果，已有两项发明专利被受理，并投稿多篇国际期刊和会议论文。

光学遥感让城市环境监测“细致入微”

遥感技术是20世纪60年代兴起的一种探测技术，是根据电磁波的理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术。遥感信息技术的应用带来了环境信息获取和处理方法的一场革命，重新定义了环境保护的研究范围、内容和方法，颠覆了传统的环保概念。如今，遥感技术已然成为环保领域的一支“生力军”。

据杜可博士介绍，遥感技术不仅具有速度快、成本低、监测范围广等特点,其还能进行长期的动态监测,此外,遥感技术还能将有时用常规方法难以揭示的污染源及其扩散的状态发现出来。

“遥感技术最突出的功能就是不需要采样就可以直接进行区域性的跟踪测量,快速定点定位污染源,核定污染范围、以及污染物在大气中的分布、扩散等,从而获得比较全面的信息。”提起遥感技术，杜可博士滔滔不绝。“遥感监测技术按工作平台类型可分为地基遥感、机载和卫星遥感；按工作波段可分为紫外、可见、红外、微波遥感；按光谱特征可分为多光谱遥感和激光遥感；按电磁波来源又可分成主动遥感和被动遥感……”

城市大气污染的遥感监测主要是通过遥感手段调查产生大气污染的污染源的分布、污染源周围的扩散条件、污染物的扩散影响范围等。其观测原理是根据光与污染物的相互作用，直接或间接地获取污染物浓度与分布信息。因此，通过遥感监测结果可对城市污染源及其扩散影响、污染程度等进行分析研究。此外，对城市大气的监测要结合环境监测站点的资料进行分析，以获取定量化的大气污染指标。利用地物的波谱测试数据、彩色红外遥感图像及少量常规大气监测数据，可获取关于城市大气环境质量的基本数据，并建立城市大气污染的评价模型。

环境光学技术检测汽车尾气

近年来我国汽车产业快速增长，一方面促进了经济的快速发展，同时也带来了严重的空气污染。环保部有关官员曾表示，机动车排放是部分大中城市大气污染的主要来源，因此，严格控制机动车排放量是治理大气污染的关键。“利用环境光学技术可以监测机动车尾气中黑碳的含量”，杜可博士表示，这正是他们所从事的研究在实际生活中的具体运用。

环境光学监测技术的原理是利用尾气中污染物对光的吸收或散射进行分析，从而监测出各项污染物的浓度。据了解，现有的机动车尾气检测普遍采用“年检”方法，并不能完全真实反映车辆在线的排放状况。杜可博士希望，通过环境光学技术监测尾气中黑碳的含量，可以帮助有关部门制定机动车尾气排放标准起到参考作用。