向天探测一万米

洪放

中科大门口的青年

20世纪70年代初，从北京搬迁到合肥的中国科学技术大学（以下简称“中科大”）已步入正轨，此后，大学因为城市的支持，得以生根、成长；城市，因为大学获得了科学的滋养，成为中国国家综合性科学中心，同时也被誉为国际一流的科学中心城市。一座城与一所学校，在科技时代演绎了共同发展、共同繁荣的华丽篇章。

1973年的一天，秋风乍起，中科大门前，人们行色匆匆。一个瘦高个青年正站在校门前，望着学校大门及门上“中国科学技术大学”8个大字，脸上写满了羡慕与向往。他在校门前足足伫立了半个小时，才依依不舍地离去。那一刻，他叹了口气：“要是我也能成为这里的学生，在这校园里学习，该多好啊！”

这位青年名叫刘文清，来自安徽蚌埠，是市无线电四厂的一名钳工，虽然年龄还不到20岁，但有着比年龄成熟的思想与个性。他生活在一个贫寒的工人家庭，喜欢读书，且成绩很好，但在那个特殊的年代，他初中毕业便面临着人生的第一次选择：一是继续上学，但名额有限，学校推荐轮不到他；二是去兵团或者工厂；三是去农村。他家兄妹二人，父母便替他做了选择：进工厂。他心有不甘，却也很快接受了现实，成为厂里一名勤奋、好学、肯干的青工。不过，他并没有放弃读书。他觉得学习知识总是有用的，无论是做工人，还是做其他工作，没有知识，没有过硬的本领，都不可能有大的作为。正是这个心理，促使年轻的刘文清一直坚持学习。

回到蚌埠的工厂，刘文清总是想起中科大的大门和门上那8个字。想归想，他却明白，也许自己这一生都不会有进入中科大学习的机会。他有些失望，但并未因此影响工作。他依然是工厂里年轻有为的青工刘文清。

命运往往更青睐有准备的人。刘文清就是被命运青睐的那个人。

1975年1月，中央决定将大学招生的程序由原来的“单位推荐”改为“考试选拔”。中科大开始面向社会招生，以面试为主，蚌埠有两个名额。这个消息在蚌埠的青年人中引起了强烈反响，他们摩拳擦掌，想为此一搏。

刘文清也关注着这个消息，他想参加面试，可是，自己只有初中学历，即使一直在自学，却不够系统。他一方面感到自己与招生要求相距甚远，另一方面却有种说不出的自信。父亲看出了他的心思，对他说：“既然想去，就去吧。试试总比不试好！”

“行。那就试试！”刘文清紧张地走进了考场。

考场上，负责面试的是中科大的郭光灿教授。郭教授三十来岁，戴一副眼镜，透着几分儒雅和高深之气。当时，考生们不会想到，日后，这位负责给他们面试的郭教授成了中国量子科学的奠基人。郭教授先是介绍了招生的有关规定，然后给大家出题，其中一题是问在一块圆形的钢板上截出一个正方形，正方形的最大边长是多少。

题目看似简单，却实用。既涉及理论，又与这些考生的工作经历相关。因为时代的特殊性，不少人都在这道题前倒下了，刘文清却向郭教授递上了自己的答案。

郭教授看完后点了点头，他看到这位年轻人的眸子里闪着渴望之光，便又问了几个问题，然后说：“等通知吧！”

刘文清没有想到，就是这一试，让他试出了一片新天地，开启了他一生的科学事业！

一个月后，刘文清收到了中科大物理系的录取通知书，成了当年中科大在蚌埠录取的两名学生之一。他第一次挺着胸膛走进了中科大，开始为期三年的大学生活。他的老师正是郭光灿教授，郭教授一见到他便说：“能从蚌埠到这里来，不容易，何况你只是初中毕业。不过，我看好你。”

正是郭教授的这句“我看好你”，让刘文清有了动力，有了底气，有了信心。不过，刘文清是一个能够正视自己的人，不仅正视自己的优势，还正视自己的不足。相较于班上其他同学，他没有正规系统地学习过高中数理化，为此，他給自己定了一个目标：用一学期的时间，全面系统地学习一遍高中课程，到学期末，让自己的成绩进入班级前列。

目标定了，刘文清便盯着这个目标，挤出一切可能挤出的时间学。此后，刘文清出入最多的是图书馆和实验室，当然还有篮球场，那是他在紧张学习之余放松的地方。他如饥似渴地跟着郭教授学习，既学老师的知识，也学老师的为人。大学三年，他主修的是激光技术，到毕业时，他成为郭教授最满意和看好的学生之一。当选择毕业去向时，他征求郭教授的意见，留在了位于科学岛的中科院安徽光学精密机械研究所（以下简称“安光所”）。那时，安光所的主要研究方向就是激光技术与应用，刘文清很快成为所里的技术骨干。

当时的科学岛对外还叫董铺岛，是由1956年修建董铺水库而形成。董铺岛三面环水，安静美丽，在董铺水库的波光中十分动人。1965年初，董铺岛被中科院接收，成立了中国科学院合肥分院。1970年底，中科院安光所正式在岛上成立。到了20世纪80年代初，岛上已建立起安光所、等离子所、固体物理所等一批先进的科研机构，承担了大量的国家重点科技开发和研究任务。其中刘文清工作的安光所，是在长春、上海、西安三个光学精密机械所的基础上新成立的光机所，主要开展包括高能激光试验和激光大气传输的研究项目，陆续建成激光器、晶体生长、电子技术等研究室，还建有一个设备齐全的附属工厂。1998年9月，时任中共中央总书记江泽民到岛上视察，提笔写下了“科学岛”三个字，从此，董铺岛便被称为“科学岛”了。

如今的科学岛，一派欣欣向荣的景象。而刘文清上岛时，岛上的设施和条件还比较简陋。不过好在他年轻，有志向，能吃苦。1985年前后，他萌生了出国留学的念头。因为他觉得作为一名科学工作者，眼界与格局决定了其将来的成就，出国可以开拓眼界。这个念头一产生，他就开始付诸行动。首先要过的是英语关。因为客观历史原因，他的英语成绩并不理想，尤其是口语。为此，他制定了英语攻坚计划：一方面，从单词开始学；另一方面，在工资不高（每月50元）的情况下，以分期付款的方式，从所里购置了一台进口录音机，天天跟着录音机练习英语口语。功夫不负有心人，1987年3月，刘文清获得了国际理论物理中心资助到意大利米兰做访问学者的机会。在做访问学者的两年时间里，他积累了更加丰富的知识，回国后，很快拿到了安光所的理学硕士学位。这期间，他主要从事超短脉冲激光器、激光遥感的研究。

1993年3月，刘文清再次踏上了出国学习的征程，远赴希腊克里特研究中心欧共体激光开放研究室做访问学者。1995年，他因在激光与医学领域的技术研究成果被授予希腊克里特大学医学博士学位。

1996年12月，刘文清进入日本千叶大学环境遥感监测中心做外国人研究员。这是他第一次全面接触环境遥感监测技术，也是他学术生涯中最为关键的一段经历。1998年4月，他获得日本文部省资助，在千叶大学环境遥感监测中心做博士后研究。这期间，他多次在国际重要期刊上发表论文，在环境遥感监测科学研究领域崭露头角。在千叶大学时，他的导师竹内延夫曾不止一次地表示希望他留在日本工作，他都拒绝了。他觉得自己是祖国培养起来的科学家，必须为自己的祖国奋斗。

丰富而扎实的学术经历、根植于血液的爱国情怀、对科学前沿的敏锐把握，让已过不惑之年的刘文清在1998年的科技体制与机制改革中，做出了自主创新的选择。后来，他在一些采访中多次表示，他总是想起自己当年站在中科大门前的情景，想起郭光灿教授面试自己的情景，想起自己在岛上苦学英语的情景，想起自己在国外做访问学者和外国人研究员的情景。万千情景相融，最终汇成了一条浩荡奔流的科技创新大河，而他，正是这条河上的击楫者、冲浪者、胜利者。

科学岛上的选择

1998年春天，科学岛上树木葱茏，阳光从茂密的树叶间照射下来，在地上形成了各种斑影。远处，蜀山湖（董铺水库）里湖水荡漾，鸥鸟翔集。这片湖，因为科学岛，因为中国科学院合肥分院，充溢着强烈的科学氛围与学术气息。

然而，这片祥和下却是暗流涌动，一场变革在悄然进行。数千名科技人员，在时代的大潮中，面临着一次艰难的选择。

从20世纪70年代末中国科学技术大会发出“科技是第一生产力”开始，中国科技在改革开放中经历了阵痛、发展，也创造了辉煌。随着这种阵痛、发展和辉煌，中国科技体制也在不断变革。科技体制和机制变革呼唤着更高端的科学研究与更产业化的科技市场应用。科学岛的科研人员自然不断地感受到体制、机制变革所带来的思考、选择、变化和犹豫。往年，大家都喜欢去看青翠的树叶，看那些树丛下打着苞的花木；或者到蜀山湖边去看鸟，看芦苇，看水天一色……但今年，岛上静极了。

这静，符合岛上所有人面临选择时的心境。

这静，也正在孕育着一场新的生机。

权衡、商讨、比较，大家从各自的研究学科出发，总结自身的优势，特别是学科发展的前景，将自己投入到科技体制改革的大潮之中。没有人能避开，每一场改革都是席卷式的，就像春天必将席卷这刚刚苏醒的大地。

安徽光机所九室44岁的研究员刘文清自然也不例外。不过，相比其他人，他很镇定。在这个科研人员密集的岛上，他属于中坚力量。越是中坚力量，越会被改革所裹挟。他明白自己必须在这个春天，为自己将来的学术人生做出一个必须坚持到底的选择。

刘文清将自己关在实验室里思考了三天，想着想着，脑子里灵光闪现，这灵光来自于1996年10月时任中国科学院常务副院长路甬祥到安光所调研后的提议：利用安光所已有的大气光学和激光技术的优势，与基础研究交叉起来发展环境光学，并应用到环境监测等领域，以开辟新方向。

路甬祥院长的提议，当时就让刘文清陷入了思索。在国外学习期间，刘文清系统地了解了国际上环境光学研究与应用的基本情况，在国内，这虽然是一门尚未破土的技术，但其前沿性与应用性都十分被看好。如果能真正实现环境光学研究与应用，那将会为正在建设与发展中的中国，特别是在工业化道路上不断前行的中国提供科学有力的环境监测依据与改进方法。就是这条路了，刘文清在脑子中想象着这条让他激动的科研大道——环境光学监测技术研究与应用。

15年后，当刘文清成为中国工程院院士时，事实证明他当年的选择是多么精准且有意义。这不仅改变了刘文清和他的团队一群人的科技命运，也改变了中国环境监测科学的格局，开拓了中国环境光学监测的新天地。

科学岛上植物的清香不时地被吹进窗子，刘文清拟定了团队的首批名单。这里面有他看好的青年学者刘建国，有同在九室做电子研究的陸亦怀，有做光学研究的谢品华和魏庆农，还有精于制造的张玉钧。

几天后，6个人集中到一起开会。会开得人越来越激动，思路越理越清晰。刘文清说了一段令人感慨的话：“中国环境监测目前都是依赖人工采集样本，使用传统监测手段，准确性、时效性、科学性都难以达到国际先进水平。这里面，最根本的问题有两个：一是环境监测技术的落后，二是环境监测设备严重依赖进口。根据相关资料，到1997年底，中国2000多个县中，还有一半以上没有专业的环境监测设备。对于一些极端环境监测，更缺乏手段和经验。”

几个人算了一笔账：如果在5到10年内实现中国国内环境光学监测设备30％的自主知识产权应用，那将是一个庞大的市场，也会带来环境监测技术的新革命。

“有信心吗？”刘文清问大家。

“有！”这一瞬间，大家都仿佛是将要上战场的士兵。是的，他们将成为驰骋在国际环境光学监测天地里的一支奇兵。

刘文清和刘建国、魏庆农、谢品华等人组建环境光学监测研究与应用团队的消息，很快就在科学岛上传开了。有人担心，有人好奇，有人等着看笑话，更多的人是敬佩他们的选择和勇气。中科院领导在一次次听取刘文清的选择思路后，终于同意了他们自主选择开展环境光学技术研究与应用的方案。院领导说：“我期待你们创造科研的奇迹。”

刘文清说：“我这是赌一把，但我有信心。我希望10年内达到我希望的高度。”

一个肩负使命的人踏上了征程。

1998年5月，仅凭研究所提供的20万元作为科研启动经费，以刘文清为主任的环境光学监测研究室成立，这标志着环境光学新学科方向的诞生。中国环境光学监测研究在科学岛上奏响了华彩激越的乐章！

艰难的第一步

咖啡的香气飘逸在实验室里，刘文清抿了口咖啡，这是他在国外多年养成的习惯。他觉得搞科研就像喝咖啡，总是先苦后甜，经得住咖啡的苦，才能品出咖啡的甜。而且，他特别喜欢咖啡伴侣，这就如同他的团队，有方向，也有团队成员。只有这样，路才能走出来，才能走得更好。

团队的成员已从6位增加到了11位，大家聚在刘文清的实验室里，商量第一步该怎么走。刘文清说：“第一步必须走好，只准成功，不准失败。我们失败不起，只有20万元，钱得用在刀刃上。”

刘文清想瞄准环境光学监测设备这一块，由设备研发带动学科基础研究，进而带动环境光学监测科学在国内的发展。但这个想法明显带着挑战——虽然自己曾在日本千叶大学涉猎过环境光学监测，但由于长期以来都在做激光遥感等高技术研究，在工程设备领域，尤其是环境光学这个陌生的科研领域拓荒，还存在严重的学科交叉和角色转换的问题。这些问题不仅刘文清有，其他人也有。只有在正确的大方向下走好第一步，才能让团队鼓足信心，勇往直前。

大家讨论激烈，实验室里各种想法碰撞出来的火花，比夜空中的烟火还要闪亮。

刘文清说：“岛上那每到夜晚就亮起的激光光束那么美丽。我们也要把我们的事业做成那样。激光照亮夜空，而我们要用我们的技术和成果铺就中国的环境光学监测之路。”

是啊，路总得人来走。刘建国说：“第一步必须走得小而准。选出一个契合我们科研水平，同时又能为今后指明方向的小目标至关重要。”

刘文清同意这种说法，他说：“我也一直在思考。我觉得我们要瞄准‘三气（即空气、烟气和尾气。空气是指影响人类生存环境的大气，烟气主要指燃烧系统排放的废气，尾气则重点针对汽车等排放的废气）来做文章。这方面，我们有一定基础，而且实用性强，国内对这块的需求也很大。目前，國内的环境监测设备99%都依赖从国外进口，每年国家会为此支付大量的外汇，而且，制造技术和数据分析技术都得依赖人家。这个脖子卡了我们十几年，卡得难受，卡得痛苦。我们得在这方面努力，一是做好基础研究，二是强化设备研发。”

“对。两条腿走路，这样，既能在基础研究上出成果，又能通过设备研发推动基础研究向纵深进行。”谢品华快人快语。

陆亦怀沉着冷静，这些天，他也在研究，在思考。他同意刘文清以“三气”为突破口的方案，“三气”涉及国民经济的重要方面，这种研究有价值，也有前途。

三天后，新成立的中科院安徽光学精密机械研究所环境光学监测技术重点实验室正式运作。刚运作的研究室回答了两个重要问题：干什么？怎么干？

干什么？主攻方向是大气污染。刘文清团队在经过深思熟虑后决定：以开展城市空气质量监测为主。仅仅关注平面不够，必须上坐标。既要在学术上站住脚，也要让技术成果实现产业化；既要获得国家环境管理部门的认可，也要为国家的宏观决策管理提供思路。

怎么干？必须研究“三气”中的科学问题：一是城市的空气质量，二是汽车尾气的排放浓度，三是燃煤锅炉的烟气排放浓度。对能耗和污染状况进行监测，为政府和企业提供准确可靠的相关数据，以便控制和降低空气的污染程度。

在技术研发路径上，则是面向国家对空气质量、污染源在线监测的技术需求，发展二氧化硫、二氧化氮、臭氧及颗粒物等光学在线监测技术，改变我国传统的环境监测手段。

方向明确，蓝图绘就，接下来就是团队的奋力拼搏了。他们的第一个项目是研制二氧化硫的空气监测仪。刘文清对团队伙伴和领导表示：“我们不能只满足于向上交差、走走形式，向国家打报告要钱却不正经干事不行，我们的科研项目必须面向国家的战略需求。要做，就得在高起点上做好！”

从20世纪50年代开始，世界环境监测技术先进的国家就将二氧化硫、二氧化氮、臭氧等监测防治作为工作的重中之重。为了更准确有效地获得监测数据，进而分析并提出有针对性的治理方案，德国等国家率先在全球开展了环境光学研究与开发，到1999年，环境光学领域逐渐发展，形成了包括差分光学吸收光谱、可调谐半导体激光吸收光谱、傅立叶变换红外光谱等技术的环境光学监测方法与标准体系。中国虽然也有一部分差分光学吸收光谱（即DOAS）监测设备，但设备和数据都源于国外，整体监测能力薄弱，已经无法适应中国大气环境监测的现实需求。

因此，当刘文清团队提出以二氧化硫监测设备为突破口后，迅速引起了环境监测学界的高度关注。这些关注中，有支持、鼓励，也有观望、揣度。进入这个领域后，刘文清团队马上遇到了一些棘手的问题：一是光源，光源要稳定，二是算法软件，浓度反演计算方法要准确。针对这些难题，刘文清团队一方面派青年骨干到德国海德堡大学等单位开展国际交流合作。另一方面，经过多次试验后，团队决定首先根据紫外荧光法原理研制点式二氧化硫监测仪，成功后再研制化学发光法点式氮氧化物监测仪。

很快，安光所环境光学监测技术重点实验室制造出了第一台点式二氧化硫监测仪。别看它只是一台小小的仪器，却凝聚了中国环境监测和光学科技人员的心血。这是一次新的启程，它关乎中国环境光学监测自主产业化的进程，意义重大，影响深远。

2000年初，囊中羞涩的刘文清团队想方设法筹集经费，参加了国家环保局在北京举行的国际环保仪器展览会。在此之前，每届展览会其实就是外国环保产品的集中展示，而这次令人瞩目的变化是，中国自己生产的点式二氧化硫监测仪正式亮相。这台仪器成了展览会上的明星产品，展览一结束，武汉一公司董事长就专程飞到合肥，与安光所签订了环境光学监测技术重点实验室成立后的第一个技术转让协议。

小试牛刀，便取得如此不凡的成绩，这让刘文清和团队的伙伴们信心大增。他们一鼓作气，很快又研发出了β射线测颗粒物质量浓度技术，并将该技术转让给了河北的一家公司。

有了这两次的成功，刘文清的安光所环境光学监测研究团队在国内的环境监测领域正式亮出了环境光学监测的旗帜。

携手“863”

“863”全称是国家高技术研究发展计划，是20世纪80年代初，在国际上尤其是西方大国不断实施高科技战略的背景下，由中国参加过“两弹一星”研制的王大珩、王淦昌、杨嘉墀、陈芳允等科学家提出的。1986年3月3日，4位科学家给中央发出了“关于跟踪研究外国战略性高技术发展的建议”。

两天后，邓小平即对这份建议作出了重要指示：“宜速决断，不可拖延。”稍后，中央组织了全国200多位专家进行充分论证，于1986年11月启动实施了“高技术研究发展计划”。该计划旨在提高我国的自主创新能力，坚持战略性、前沿性和前瞻性，以前沿技术研究发展为重点。因该报告提交时间为1986年3月，因此又叫“863”计划。

刚刚在环境光学监测领域起步的刘文清希望通过“863”计划，获得政府扶持。这种扶持，既是资金的支持，更是对项目本身的肯定。刘文清团队在空气监测上，已经研发出点式二氧化硫监测仪和β射线测颗粒物质量浓度技术，而在烟气和尾气监测研发上，还没有起步。刘文清决定从汽车尾气监测入手，正式向国家“863”计划申报道边机动车尾气的测量项目。

很快，项目获得通过。这是刘文清团队获得的第一个“863”项目，整个团队都相当兴奋。项目虽然只获得了260万元的资金支持，但项目申报成功背后的意义，是对团队研发方向的肯定，也是对刚刚起步的中国环境光学监测方向的肯定。

项目拿到手，刘文清还是秉持他一贯坚持的原则：不搞虚的，不搞花架子，不唯项目而项目。当时，国外道边机动车尾气测量的类似设备，一套进价就超过260万元，跟“863”计划扶持给他们的资金相当。刘文清要求团队在项目实施的过程中必须达到两个目标：一是建立机动车尾气测量技术规范，二是制造出机动车尾气测量仪器。这两个目标在国内环境监测领域都是新课题，没有资料可查，没有经验可以借鉴，团队只有在理论与实践不断结合、不断碰撞、不断改进的过程中，逐步向这两个目标迈进。

从拿到“863”计划项目的兴奋中抬起头来，刘文清团队很快进入技术研究与设备同步研发的进程。样机到了科学岛后，刘文清亲自到道路上试验。当机动车呼啸而过，从道路两边发射出来的两束激光，瞬间进入机动车排放的尾气之中。很快，光谱仪上就呈现了跃动的光谱。根据算法反演，很快就导出了机动车尾气及污染物的监测结果。

成功了！劉文清与伙伴们击掌相庆。

“863”计划项目从申报到获批，第一次推出了“863”计划环境光学监测产品，而且，就设备当时的性能来看，基本达到了项目设计的初始目标。刘文清团队不仅完成了项目计划指标和技术指标，同时也向国家交出了一份满意的答卷。

2003年，由安光所环境光学监测技术重点实验室团队承担的“863”机动车尾气监测项目，正式通过验收。

从世纪之交第一次获得国家“863”计划支持，20年来，安光所环境光学监测技术重点实验室团队7次获得国家“863”项目支持，这些项目有力地支撑了团队对自主环境光学监测技术的研究与设备开发，使刘文清团队真正成为中国环境光学监测技术的开拓者、领跑者。

一波三折

科学岛上，一晃又过去了三四个春天。

“三气”中的尾气、烟气监测技术研发已日臻成熟，但“大气”监测研究与设备研发才刚刚开始。年轻的博士刘建国、谢品华等人慎重分析后，确定以大气污染监测长程DOAS差分吸收光谱技术为主，将对大气污染源尾气、烟气等的监测扩展到与地球人类活动密不可分的大气环境质量上。

长程DOAS差分吸收光谱仪器是大气环境光学监测最为重要的设备，但国内一直没能研发生产。随着国内环境保护治理规划的实施，环境监测站点会越来越多，所需要的环境监测设备也会越来越多，都依靠进口吗？就眼睁睁地看着中国人每年将大把的外汇送到国外，一直在国外的技术垄断和产品覆盖之下，做中国的环境监测事业吗？

刘文清团队不能，也不甘心。

就是靠着这种不能和不甘心，依靠刘文清的科学方法与理念，由刘建国具体负责，团队在科学岛的实验室里，趴窝似的攻克技术难关，摸索监测设备制造技术。

第一关是光源。团队经过反复考量，决定采用主动DOAS系统光源，进而发展长程DOAS。

光源确定了，收发一体光学系统又成了横在团队面前的一座山。刘文清动员大家在参考国外文献的基础上，出谋划策。他们不断地制备，不断地实验，不断地失败，再不断地制备，不断地实验。终于，当科学岛上的花朵结出可爱的果实时，他们制备和控制出第一台主动DOAS收发一体光学系统。刘文清在咖啡中多加了一袋咖啡伴侣，以咖啡代酒，与伙伴们碰杯。这不单纯是成功者的喜悦，更是一群跋涉者望见曙光时的兴奋。

主动DOAS二氧化硫监测系统涉及上千个元件。而这些元件，95％以上只有国外才有。一方面经费有限，另一方面还不得不购置元件，这让刘文清的眉头又一次拧了起来。他召集团队开会，提出：能自己造的尽量自己造，不到万不得已，不购买元件。

白手起家，自力更生，在新世纪来临之前，中科院安光所刘文清团队不仅在环境光学监测理论研究上取得了初步成果，而且设计制造出了国内第一台主动差分吸收光谱仪，即长程DOAS样机。

按照刘文清的要求，团队分成了两组。一组负责带着产品到相关展览会、交流会等展示交流、演示实验；另一组在研究所对产品继续认真打磨，力求在每一个细节上做到尽善尽美。

恰恰就在这个时候，问题出现了。

外出展示演练小组第一站去的是武汉，在一个60人参加的交流会上，刘建国拿出了长程DOAS差分吸收光谱仪样机。机器在所里已经反复调试过，各种性能都处在正常状态。但当刘建国他们打开电源，操作示范时，仪器却表现出极大的不稳定性，光源效果也很不理想。这让他们一头雾水，甚至有些沮丧。

草草收场了展示演练后，刘建国赶紧给刘文清打电话报告。刘文清也觉得纳闷，问题出在哪里呢？

刘文清指示他們对所有器件重新调试，必须找出症结，解决问题，同时他也提示注意一些外在因素的影响，包括器件本身的不稳定等。

那天晚上，在展示大厅里，刘建国和几个学生通宵达旦，将设备上所有的器件都重新进行了调试，结果良好。他们再回过头来总结，认为器件、组装都没有问题，而事实上却出现了问题，那么，问题可能出在长途运输上。

虽然这次武汉展示演练因为外在因素出了一点状况，但安光所环境光学监测技术重点实验室制造出了中国第一台长程DOAS差分吸收光谱仪的消息，还是让业界震惊。这对于中国环境光学监测科学来说，是第一枚果实，也是人们第一次看到由中国人制造的环境光学监测设备，这标志着中国环境光学监测技术真正进入到了理论与实践相结合的应用阶段。

“吃螃蟹”

“我们就要做第一个吃螃蟹的人。”刘文清时常会一边品着咖啡，一边和团队的伙伴们交心。

团队在一系列环境光学监测技术和设备难题被初步攻克之际，吃起了第一只螃蟹——以技术入股，成立股份制公司，走上了中国环境光学监测设备产业化之路。

到目前为止，这套空气监测系统经过不断改善，已成为国内环境监测子站的主要应用设备。国内环境监测子站产品国产化率由世纪之初的0上升到90%以上，真正实现了环境光学监测技术及设备的中国研发、中国制造、中国使用、中国分析。

刘文清团队成了第一个吃螃蟹的，他们吃出了中国环境光学监测的未来。事实证明：刘文清团队的环境光学监测设备产业化，对中国环境保护作用巨大，它使中国环境监测基本实现了国产化、民族化，还为国防工业等提供了有力的支持。

空气监测光谱技术研发的同时，对一些特殊气体，包括特殊场景污染物的检测，提上了刘文清团队的研发日程。这缘于刘文清、刘建国他们的一次淮南煤矿之行。

淮南煤矿是国家大型煤矿，承担着南煤北运和国家经济发展用煤的重任，开采规模大，工作面延伸范围广，煤层沉积和黏着物丰富。矿上领导告诉他们，毒瓦斯等有毒气体对矿工生产安全造成了重大威胁。现有的瓦斯检测设备已难以适应煤矿发展的需要。回到科学岛后，刘文清团队很快申报了一项国家自然科学基金项目：矿井下毒瓦斯监测技术研究与开发。

在等待国家自然科学基金项目审批的过程中，刘文清和团队伙伴们已经开始着手课题的准备工作。当时国内在煤矿瓦斯监测中主要应用电子监测报警仪，运用光学设备进行毒瓦斯监测在国内是首次。

“大家有信心吗？”刘文清问。

这次很多人沉默了。

沉默不是因为大家没有信心，而是觉得这个课题研究难度大。煤矿深藏于地下，井下结构、环境和场地与之前“三气”监测时有极大的不同，矿井下毒瓦斯的产生、黏着和流动规律，对于团队来说也完全陌生。因此，查阅大量资料、掌握国际前沿研究动态、分析矿井下毒瓦斯形成机理以及成分，是必须做的功课。刘文清自己带头，啃起了书本。在大家心里稍稍有了底气之时，恰好国家自然科学基金项目审批下来了。进了国家自然科学基金的笼子，这只深藏在地下的螃蟹，他们不吃也得吃了。

团队整体下到煤矿，主要集中在淮南和淮北的两座国有大型煤矿。当他们乘坐猴车（矿山架空乘人索道）沿着矿道下井时，既新奇又有些害怕。有人轻声问：“下到多深了？”

矿上的人回答：“1000多米吧。”

搞科学的人很快就在脑子里想象出1000多米深度是个什么概念，刘文清笑着说：“我们打一束激光，那光柱的高度如果向下垂直，就是矿井的深度。”

团队在矿井下测量、分析、实验，渐渐地，他们习惯了矿井下的氛围。这地面以下1000多米的地方，活跃着他们的身影，碰撞着他们思考的光芒，凝聚着他们为项目孜孜以求的智慧与汗水。

从矿上回到科学岛后，刘文清团队用了一年多的时间研发出了光学甲烷检测仪。

2007年底，安光所环境光学监测技术重点实验室研制的甲烷检测仪交付部分煤矿试用，效果出人意料。煤矿普遍反映：好用、简便、精度高。2008年初，项目通过了国家自然科学基金项目组的验收。2010年，项目与一企业合作进入产业化生产，十余年后，光学甲烷检测仪等环境光学毒瓦斯监测系统，已在全国一半以上的矿山使用。

扬名“北京奥运会”

2001年7月13日晚，时任国际奥委会主席萨马兰奇先生宣布：北京成为2008年第29届夏季奥运会举办城市。

申奥成功后，国际奥委会环保专家组多次来到北京，对北京关于环境保护的措施与承诺进行跟踪督查，其中最让专家组关注的就是北京的空气质量，特别是奥运期间的大气环境。当时，我国政府对此作出了庄严承诺：“2008年奥运会期间，北京将会有良好的空气质量，达到国家标准和世界卫生组织的指导值。同时，北京市政府将继续致力于提高全年空气质量。”

为了兑现承诺，保证北京在奥运会期间乃至全年的空气质量达标，2007年6月，北京市政府实行汽车单双尾号限行，同时，中国科学院也正式组织中科院大气所、安光所环境光学监测技术重点实验室等先后召开5次会议，成立了“中国科学院奥运大气环境监测研究项目组”。

安光所在所长刘文清的指导下，集中了全所最精干的力量，拿出了最优良的设备，很快在鸟巢附近建起了一个大型空气监测测试站，通过对周边机动车及工业园区进行测试和动态调整，确保北京的大气环境基本达标。2008年3月，团队正式进入北京开始筹备，一直奋战到奥运会和残奥会圆满结束。

大半年的时间里，刘文清坚持亲临一线，一天天地监测，一天天地走航，处理一个个数据、一条条建议，还有不断的预报预警……刘文清团队当时借住在中科院遥感所，为了强化监测研究的合作精神，他们改变了很多在科学岛时的习惯，特别是在数据交流与融合上，他们与遥感所、大气所等精诚团结，共同切磋。他们向国际社会提供了奥运会和残奥会期间北京主要污染物排放监测的结果，宣布中国政府承诺达标的4种主要污染物在所有时段、所有监测站点的浓度都达到了国家二级标准和世界卫生组织的指导值，实现了中国政府在环境保护和大气监测上的郑重承诺。

经此一役，安光所环境光学监测技术重点实验室在环境监测领域声名大振，也令国际同行刮目相看。刘文清笑了，10年前选择自主创新时，他曾希望自己在10年后能达到一个新高度。现在，他达到了，他给自己的奖励是在咖啡里多加了一块咖啡伴侣。

圆梦傅立叶

2005年初，安光所承接了一项重要的国防科研项目，刘文清一咬牙，从有限的项目经费中拿出一部分，又从所里日常科研经费中挤出一部分，硬是凑了300多万元购买了一台加拿大产的傅立叶红外光谱仪。仪器到了岛上，打开包装，全所却没有人能够安装。随同仪器到来的加拿大工程师为此露出了神气十足的微笑。这深深地刺痛了刘文清的心。他坐在实验室里，沉默了半天。终于，他按捺不住了，将刘建国、徐亮等找到实验室，给他们布置了一个硬任务：攻克红外光谱技术算法研究，着手红外傅立叶国产化研发。

刘文清让刘建国和徐亮好好谋划，拿出切实可行的研究方案，要“越快越好，越早越好！红外傅立叶就是我们的一个梦想，这梦想我们一定要圆”。

为了圆梦，刘文清和刘建国、谢品华牵头指导，徐亮等一批年轻学者承担主要工作。很快，科学岛的安光所环境光学监测技术重点实验室里，出现了令人难以想象的局面：科研人员一边用着进口的红外傅立叶设备，抓紧国防项目的研究，一边抓紧算法攻关，着手傅立叶设备国产化。不到两年的时间，徐亮等人就开发出了基于非线性最小二乘拟合的红外光谱定量分析方法，并建立起了包含有393种组分的标准吸收数据库。这项成果，當时在国际红外光谱算法中也极具先进性。

有了算法，就等于掌握了红外光谱傅立叶技术的整个软件系统，但作为一种光谱仪器，首先必须有硬件。红外傅立叶光谱仪硬件精密、先进、技术含量高，是当时国内光学精密仪器制造方面的一座高峰。但随着中国工业化进程的加快，国际社会对中国“双碳”呼声不断增强，中国自主研发红外傅立叶设备已是燃眉之急。刘文清再次召集刘建国、陆亦怀和徐亮，问他们有没有信心拿下红外傅立叶设备的研发。

“有！”徐亮痛快地回答。

“好。有你这响亮的回答，我觉得离圆梦的那一天不会太远了。行动吧！”刘文清一挥手，他仿佛看见千军万马正奔腾着走上环境光学监测设备产业化的研发之路，在这条路上，正激荡着科技之梦与家国情怀。

2007年，“863”计划“大气多组分污染物及其时空分布连续自动监测技术与设备”项目落户安光所。依靠项目支持，徐亮等人通过自主研制摆扫式傅立叶变换干涉仪系统，相继集成开发了抽取式FTIR监测系统、开放光路式FTIR监测系统和大气污染多组分排放通量SOF-FTIR快速遥测系统。其中摆扫式傅立叶红外干涉仪系统打破了国际技术垄断，提升了我国分析仪器在行业的自主开发水平。

而在红外傅立叶光谱仪研发的过程中，有一个小故事，至今还被科学岛上的人津津乐道——

当初，随加拿大设备来到中国负责维护运营的工程师维修检修时，不愿意带所里的人员一道，但他渐渐发现，安光所里很多科研人员喜欢有事没事地与他搭话，问这问那，问的既有加拿大的风光，也有加拿大的冰酒，但冷不丁的，他们会问上一两个有关红外光谱仪的知识。他起初还存有戒心，可渐渐地，他看到这些科研人员期待的眼神，也观察到安光所正在研制红外傅立叶设备，因此就有意无意地回答他们。特别是2008年奥运会后，安光所环境光学监测团队一举成名，他对这个团队多了一份尊敬，一份情感。他不再避着所里的科研人员，而是邀请他们一道学习。

这台用300多万元从加拿大进口的红外光谱仪用到第四个年头时，有一天，这位工程师对跟着他一起检修仪器的徐亮说：“也许，这是我最后一次来给这台仪器检修了。”

他的语气里，有感慨，有遗憾，也有作为同行的赞许。

徐亮心知肚明，说：“不管怎样，科学岛欢迎您。”

此时，由刘文清挂帅、刘建国等牵头、徐亮等科技人员开发的国产红外光谱仪设备已经研制成功。他们圆满完成了国家“863”计划项目，也为中国环境光学监测仪器大家族增添了一件重器。国产红外光谱仪价格比国外进口价格低了40%，且维修运营方便、快捷。很快，安光所便与企业合作，将其推向市场，全面应用于全国城市大气环境监测子站。中科院和国家有关部门高度肯定了红外光谱技术研发的重大突破，项目相关成果获得2011年国家科学技术进步二等奖，刘文清也因此获得了国家环境保护科学技术一等奖。

2013年12月19日，刘文清顺利地通过了中国工程院院士的评选，当选中国工程院环境与轻纺工程学部院士。

布局立体环境监测

“立体监测体系”这个名词对刘文清团队来说并不陌生，但总觉得与中国的现实情况，或者说与他们一直在进行的环境光学监测还有距离。

刘文清看出了大家的顾虑，说：“这就是我们未来的发展方向。”他娓娓道来：“现阶段，我们就是要在环境光学监测技术已基本实现地基、空基起步的形势下，着手天基开发与研究，争取在不太长的时间内，形成中国环境监测地基、空基、天基一体化的监测体系，让大气中的各种污染源无处遁形。同时，要在监测的空间上做文章，大气、土壤、水、工厂、园区、药品都包罗在我们这个体系中。”

布局大气环境光学立体监测体系，是安光所环境光学监测技术的一个重要分水岭。

地基观测技术是一种传统的环境监测技术，主要利用太阳散射光等自然光源，基于反演算法得到污染气体的斜柱浓度（SCD，污染气体沿光路的积分浓度），并由此进一步解析出污染气体的分布信息。高闽光是安光所培养出来的博士，他所在的研究组解散后，调整方向找到了刘文清，重点研发地基环境污染监测技术与设备。在傅立叶变换红外光谱（FTIR）的算法研究上，高闽光独出机杼，提出了自己的“还原”理论。这个设想得到了刘文清的肯定，刘文清鼓励他沿着这个路子往下走。这些年，高闽光参与了几乎所有的外场地基监测实验，比如在重庆长寿川江船业进行的工业园区污染物分布与垂直分布监测。

环境光学监测空基技术的核心是航空遥感系统，因此，空基探测在技术层面上也被称为机载探测。

早在2005年初，安光所环境光学技术监测重点实验室即开始机载空基环境监测技术研究与设备开发。但当时，团队起步才六七年，自有经费十分有限，所使用的仪器设备也都相当紧张。但刘文清和团队人员没有气馁，他们用一台载荷的经费研制出了三台观测仪器，并很快以此为基础，参与了“十二五”国家重大基础科学设施——国家航空遥感系统的建设。2013年7月，航空遥感系统正式通过国家级验收。

航空遥感系统建成后，中国的环境光学监测探测实现了从近地面向空中纵深，获得的数据更为立体。

大气环境卫星遥感监测软件算法的开发，既是解决天基探测体系的算法需要，同时也能够通过中国自己的算法反演，逐渐提高中国自主监测数据的国际认可度。算法软件开发团队暗暗攒着劲，夜以继日，反复推演，不断校正。有些技术人员连续一两个月吃住都在所里，春节放假，部分技术人员也没回家，只在岛上过了个“攻关时期的特殊春节”。

灯光之下，监测软件算法的开发紧张而有序。而在另一边，天基载荷研发也如火如荼。

2010年，《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006-2020）》确定了16个重大科研专项，其中就有“高分辨率对地观测系统重大专项（即高分专项）”。高分专项首批确定的高分五号卫星涉及环境监测领域的载荷共有6台，安光所刘文清团队争取到了其中3台的研制任务。但因为团队是个航天新兵，所以这3台载荷都被列入了项目风险点。航天项目不可维护、不可维修，必须一次成功，这与地基探测、空基探测项目有着巨大区别。他们给自己上了紧箍咒——零差错。只有零差错，才能确保载荷安全、精准、高效工作。为此，他们从芯片入手，一点点摸索，一步步解决，首先攻克“芯”的问题。在芯片问题解决后，再解决集成和后期校准。

2018年5月9日，太原卫星发射基地，中国高分五号卫星成功发射。卫星上搭载了这3台设备，这些高新技术设备的搭载，使得高分五号成为世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星，我国从此可以定量获得区域上空及全球空气质量变化、污染气体的分布输运数据。

首战告捷，科学岛上不断传来祝贺声。夜晚，刘文清团队的研发人员会不经意地仰望天空，他们想找到“我们自己的高分卫星”。他们一方面开展在轨测试工作，另外一方面研发载荷相关的数据处理软件，完成海量卫星数据的处理，实现污染气体全球分布反演。他们注视天空，如同他们脚踏大地。他们的内心既有大地般的厚实，又有星空般的诗意。在这些奋斗着的科学家心里，高分卫星就是天空中最美丽、最明亮的星星。

2019年3月，高分五号卫星载荷正式交付使用，很快就在一些重大活动和重点区域的大气环境监测上大显身手，为中国环境监测争得了话语权和应有的尊严与国家地位。

战疫——为大气做CT

2020年春天，武汉三镇新冠疫情极其危急，全国力量奔赴武汉火线救援，为武汉的春天写下了浓墨重彩的爱之华章。这从四面八方赶来的人群中，就有一群来自科学岛的科技工作者的身影。而走在最前面的，正是年届七旬的著名环境科学家、中国工程院院士刘文清。

当新冠疫情刚刚在武汉爆发时，刘文清就敏锐地察觉到：应对武汉疫情，不僅仅是医疗系统的事，应该是一个系统工程，包括城市供应、物资、安全等，都必须跟上。而其中对疫情区域大气环境的监测，也必须高度重视。他叮嘱团队随时做好准备，他说环境监测就是给大气做CT，救人的医生去了武汉，诊治大气的环境监测工作者也不能缺席。

果然，疫情发生不到一周，中科院合肥物质院安光所接到了出征武汉的命令。作为工程院院士和著名环境学家的刘文清被委以重任：尽快组建武汉大气环境立体探测实验室，改装疫区大气环境立体探测实验车，对武汉定点医院、方舱医院、隔离点、社区等开展走航观测实验，获取第一手大气环境要素时空分布数据，为武汉的疫情防控和救治提供科学的决策支撑。

为了使走航观测效果更好、更加精准，为了武汉人民的生命安全，刘文清带领团队成员日夜加班，改装正压试验车，车上配备了7套大气环境立体探测设备。这7套设备都是安光所刘文清院士团队攻关研发的，具有完全自主知识产权。事实证明，这些具有完全自主知识产权的设备在抗疫环境监测中大显身手，其性能、指标和数据分析能力，完全能与国外同类先进设备媲美。

疫情之初，大气中病毒载量大，传播速度快。刘文清率实验室一行6人，每天身穿防护服、戴着大口罩，在武汉定点医院、方舱、小区和重要区域走航探测。要说他们一点不惧怕，那是假的，但他们都认识到，这是为国家、为人民生命安全做贡献的时候，不能因为畏难而退缩。科学地做好防护，精心做好探测，是他们的职责所在，也是初心所在。他们通过走航观测，跟踪捕捉大气环境的差异，判断污染物的变化。当时，社会上曾一度流传定点方舱医院的气溶胶泄露。刘文清团队深入方舱医院周边，并结合外部探测，通过数据分析得出结论：虽然医院患者的呼吸、咳嗽会使呼吸气体中的病毒附着在气溶胶上，但不管是在雷神山医院，还是在火神山医院，以及其他方舱医院，病房负压系统工作正常，均未发现气溶胶异常泄露的情况。这一结论让人们高悬的心放了下来，也增加了全社会对抗疫工作的理解。

刘文清团队通过走航探测获得了疫区内重要场所的新型冠状病毒、大气气溶胶、消毒剂挥发气体、有毒有害气体、环境空气质量和气象要素的时空分布和扩散传输特征，为判断病毒在空气中通过气溶胶传播引起的暴露风险、大气环境质量与病毒之间的响应关系、消毒效果与副作用的控制等提供了大量的科学依据。

深耕产业化

良心与社会责任心，正是这“二心”，支撑起了一个科学家和一个科学研究团队不断研究新技术、不断研发新设备、不断推进设备产业化的奋斗历程。算起来，从刘文清团队当年研发点式二氧化硫探测仪器开始，已经20年了。这20年里，刘文清团队成功研发并进入产业化的环境监测设备就有近100种。其中60％以上成为国家“863”重点项目产品、国家重大科研设备项目重点产品、“总理基金”项目重点产品、省部级项目支持重点产品……这一项项技术、一件件产品，成为中国环境监测设备的主力。到2022年底，全国环境监测子站和重点园区、企业等使用的环境监测设备国产化率为90%以上，其中出自安光所刘文清团队的技术转化产品占一半以上。甚至在南极、北极、珠峰、深海，都安装有该团队研发的多种监测仪器。而在设备产业化的同时，刘文清团队的数据分析软件开发也走在同行业的前列，达到了国际先进水平。

“现在，我们设备产业化的年产值超20亿元。”刘文清喜欢抿着咖啡，慢慢地说出这一动人的数字。如果认真地算下来，20多年来，安光所刘文清团队创造的环境光学监测设备系列产值超过150亿元人民币。这不单纯是数字，更是中国自主知识产权环境监测仪器设备成长的轨迹。在这些数字背后，给国民经济、人民安全、防灾减灾、减少碳排放等带来的效益，更是难以统计。

深耕环境监测仪器设备产业化，安光所刘文清团队的足迹随着他们的系列化产品遍布大江南北、雪域高原。除了环境大气的地基、空基和天基探测，应用于特殊场境的环境污染物探测也同样在产业化道路上走出了特色，形成了规模。

助力“双碳”目标

近年来，气候变暖、冰川融化、海平面上升、南极臭氧洞出现，随之而来的还有雾霾天气、火山爆发、地震海啸等极端灾害，严酷的生存环境摆在世界各国的面前。

2021年，中国下达了《中共中央、国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》和《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念，做好碳达峰、碳中和工作的意见》，公布了“碳达峰”“碳中和”的时间表和路线图，中国承诺做防治污染和气候治理的行动派。

为落实“双碳”目标，打好“蓝天保卫战”，刘文清带领团队聚焦国家科技前沿，打造了天地空一体化立体综合观测网，为我国的环境治理起到了保驾护航的作用。

“双碳”目标任重道远，而要实现这一目标，必须尽快打破发达国家在碳源和碳汇监测技术体系中的垄断地位，为我国“碳外交”提供具有国际公信力的全球温室气体监测数据支持。刘文清团队为此正积极谋划加入全球总碳柱观测网（TCCON）。

TCCON是观测温室气体的国际化协作观测网络，利用地基高分辨率傅立叶变换红外光谱仪（FTS）进行温室气体观测，该网络建设的目的是对卫星遥感进行地基验证并监测全球碳循环。目前全球共部署了28个TCCON站点，主要分布在欧美等发达国家和地区。

值得期待的是，由合肥物质院建设运行的高分辨率FTS觀测平台已通过TCCON的数据质量认证，但由于合肥物质院没有加入这一重要组织，TCCON站点仅对我国公开半年至一年前的观测数据，并且限制我们和TCCON站点成员的技术交流和科研合作。我们建立的地基FTS观测站点连续6年获得了合肥地区的温室气体数据，成为国家空间基础设施地面检验点和高分专项国家真实性检验站，精确遥感观测二氧化碳、甲烷等温室气体，突破了我国复杂大气环境下超光谱遥感信息不足、建模误差大的局限性。为此，合肥物质院将正式申请高分辨率FTS观测平台加入TCCON观测网，不仅可共享全球20～30个站点的数据，同时也能增加我国在全球碳排放核算工作上的话语权和主动权，提升我国在温室气体监测和评估领域的国际地位。

20多年来，刘文清和他的团队一直在助力“双碳”目标的道路上兢兢业业，筚路蓝缕，不断奋进，不断作为。“我们没有停止，也无法停止。国家需要我们，我们就得一直努力奋斗下去。”刘文清对助力“双碳”目标有着自己深入的思考，他认为既要减碳，更要发展“碳惠”。简单点说，就是一方面要通过治理，达到减排、减放的效果；另一方面，要充分合理利用碳，再循环利用碳能，让“碳害”变成“碳惠”。

（本刊节选）

〔本刊责任编辑  彭婷婷〕

〔原载安徽科学技术出版社《向天探测10000米：中国大气环境立体监测关键技术攻关纪实》〕