本刊記者 王 翩

杜可：用“第三只眼”看城市

本刊記者 王 翩

《2012》，一部描述“世界末日”的科幻片講述了環(huán)境變化中城市的脆弱。在全球氣候變暖的背景下，一場暴雨可以使一座現(xiàn)代化的城市全面癱瘓，復(fù)雜的異常氣候容易導(dǎo)致流行疾病的快速傳播，

今年初，中國人民大學(xué)與公眾環(huán)境研究中心聯(lián)合發(fā)布了2010年度30個中外城市空氣質(zhì)量信息公開評價報告，20個大陸城市無一及格。中國城市雖均開展一定的空氣質(zhì)量信息發(fā)布，但仍處于初級水平。大氣是會流動的，如何準(zhǔn)確的監(jiān)測到“流動的大氣”，成為治理大氣污染的關(guān)鍵所在。

中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所的杜可研究員和他帶領(lǐng)的“環(huán)境光學(xué)與大氣環(huán)境監(jiān)測”創(chuàng)新團(tuán)隊正在這一領(lǐng)域大展拳腳，這個年輕的團(tuán)隊希望借助“第三只眼”，準(zhǔn)確地監(jiān)測到大氣中的污染物，為環(huán)保部門制定有關(guān)政策提供依據(jù)。

海歸博士的“環(huán)?！敝?/h2>

杜可，1998年畢業(yè)于清華大學(xué)，獲環(huán)境工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位。后免試推薦至北京大學(xué)攻讀碩士研究生，2001年獲大氣環(huán)境理學(xué)碩士學(xué)位。2007年畢業(yè)于美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校，獲環(huán)境工程專業(yè)空氣質(zhì)量工程方向博士學(xué)位。之后作為大氣質(zhì)量專家在休斯敦為多家石油及化工企業(yè)提供環(huán)保技術(shù)與管理咨詢服務(wù)。

2002年至2005年，杜可獨立承擔(dān)美國國防部“煙羽不透光度研究”項目，并發(fā)明了“Digital Optical Method”(DOM)應(yīng)用數(shù)字相機觀測可見顆粒物煙羽的不透光度。該方法創(chuàng)造性地應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)結(jié)合大氣輻射傳輸?shù)幕驹?，克服了已有各種方法的局限，使對可見煙羽的不透光度觀測更加客觀、經(jīng)濟、和靈活，具有在全美工業(yè)點源監(jiān)測工作中推廣的潛力。該方法于2009年獲得美國國家發(fā)明專利授權(quán)。2006年美國國家環(huán)保局空氣質(zhì)量規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)辦公室在其頒布的一份備忘錄中指出，在全美推廣數(shù)字?jǐn)z像方法來監(jiān)測工業(yè)排放源排放的煙羽不透光度能夠給美國帶來每年至少2億美元的開支節(jié)省。為此，美國測試與材料協(xié)會（ASTM）專門成立由來自政府，大學(xué)，企業(yè)等部門的專家組成的專家組做此方法的標(biāo)準(zhǔn)化工作，杜可博士作為專家組最初的五名成員之一，為標(biāo)準(zhǔn)方法的建立提供了技術(shù)支持并起草了最初版本的標(biāo)準(zhǔn)方法。在隨后的3年中，來自工業(yè)界，學(xué)術(shù)界，和政府部門的專家加入進(jìn)來，擴大至二十多人，經(jīng)過不斷完善補充，該標(biāo)準(zhǔn)方法最終在2009年作為ASTM的標(biāo)準(zhǔn)方法發(fā)表。美國國家環(huán)保局空氣監(jiān)測與質(zhì)量司前任長官Tom Logan評價“杜博士的煙羽不透光度數(shù)字?jǐn)z像監(jiān)測法在實施成本和準(zhǔn)確性方面都達(dá)到了替代USEPA標(biāo)準(zhǔn)方法（Method 9）的要求…該方法在美國國家科學(xué)院和政府財政辦公室的報告中被強烈推薦……我深信，杜博士在顆粒物排放測定方面的研究，帶來的是新一代的，能適用各樣復(fù)雜環(huán)境條件的，高效且低成本的方法和技術(shù)……”。2011年4月，美國國家環(huán)保局正式公布，將數(shù)字?jǐn)z像觀測煙羽不透光度的方法作為原標(biāo)準(zhǔn)方法的一種替代方法應(yīng)用于全美工業(yè)源排放達(dá)標(biāo)情況監(jiān)測。

2005年至2009年，杜可在美國國防部、能源部、國家環(huán)保署共同主持的戰(zhàn)略環(huán)境研究與發(fā)展計劃（SERDP）項目的支持下開發(fā)了應(yīng)用激光遙感技術(shù)觀測顆粒物煙羽質(zhì)量分布及對排放通量進(jìn)行原位實時觀測的方法。軍事訓(xùn)練活動造成的顆粒物排放問題一直困擾全美各軍事基地。為了達(dá)到“像實戰(zhàn)一樣訓(xùn)練”的目標(biāo)同時又有效控制對周邊地區(qū)的污染需要深入了解該類活動造成的污染排放情況。在這一需求導(dǎo)向下，杜可博士首創(chuàng)垂直掃描式激光雷達(dá)觀測無組織顆粒物排放通量技術(shù)。該項技術(shù)被應(yīng)用到位于美國亞利桑那州、華盛頓州、科羅拉多州等地的美軍基地進(jìn)行現(xiàn)場觀測武裝直升機、火炮和裝甲戰(zhàn)車產(chǎn)生的無組織顆粒物排放，并定量排放因子。其結(jié)果可以應(yīng)用于模擬軍事基地排放對周邊造成污染情況，為評價污染控制措施的有效性，制定合理的環(huán)保規(guī)范提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該項研究的成果以系列論文的形式發(fā)表在2011年ES&T上，該期刊把這項研究作為當(dāng)期的特色文章在其網(wǎng)站上加以推介。由于在該項目中的突出貢獻(xiàn)，杜可博士及其所在團(tuán)隊被授予美國國防部陸軍總署頒發(fā)的研發(fā)團(tuán)隊獎。

找到監(jiān)測污染物的“第三只眼”

由于大氣污染物的濃度和分布是隨時間、空間和氣象、水文條件及污染源排放情況等因素的變化不斷改變的，因此需要及時獲得污染物在環(huán)境中的動態(tài)變化信息，從而正確評價污染狀況，并為研究污染物擴散、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律提供依據(jù)。為實現(xiàn)這一目的，傳統(tǒng)的布點監(jiān)測方式已不能滿足需要，必須發(fā)展能夠在大時空尺度進(jìn)行多維度連續(xù)自動監(jiān)測的新技術(shù)。

“國外的城市環(huán)保已經(jīng)做的不錯了，國內(nèi)的城市建設(shè)更需要我的技術(shù)，我的事業(yè)也需要更廣闊的平臺”，2009年底，杜可博士帶著他在國外學(xué)習(xí)多年的理論和實踐成果，作為海外引進(jìn)人才加入中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，同時組建“環(huán)境光學(xué)與大氣環(huán)境監(jiān)測”創(chuàng)新團(tuán)隊并擔(dān)任負(fù)責(zé)人，繼續(xù)開展應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)及光學(xué)遙感技術(shù)觀測大氣顆粒物光學(xué)特性的研究。新技術(shù)的運用，使他在觀測城市環(huán)境污染中找到了“第三只眼”。

回國以后，國家給予了杜可比國外更廣闊的施展平臺并賦予了他更多更重的科研任務(wù)。在短短的一年間，杜可博士先后獲得國家自然科學(xué)基金項目、環(huán)保部公益科研專項、中科院知識創(chuàng)新工程重要方向項目、福建省重點項目、福建省杰青項目、廈門市杰青項目等項目的支持。梅花香自苦寒來。杜可博士的研究取得了豐碩的成果，已有兩項發(fā)明專利被受理，并投稿多篇國際期刊和會議論文。

光學(xué)遙感讓城市環(huán)境監(jiān)測“細(xì)致入微”

遙感技術(shù)是20世紀(jì)60年代興起的一種探測技術(shù)，是根據(jù)電磁波的理論，應(yīng)用各種傳感儀器對遠(yuǎn)距離目標(biāo)所輻射和反射的電磁波信息，進(jìn)行收集、處理，并最后成像，從而對地面各種景物進(jìn)行探測和識別的一種綜合技術(shù)。遙感信息技術(shù)的應(yīng)用帶來了環(huán)境信息獲取和處理方法的一場革命，重新定義了環(huán)境保護(hù)的研究范圍、內(nèi)容和方法，顛覆了傳統(tǒng)的環(huán)保概念。如今，遙感技術(shù)已然成為環(huán)保領(lǐng)域的一支“生力軍”。

據(jù)杜可博士介紹，遙感技術(shù)不僅具有速度快、成本低、監(jiān)測范圍廣等特點,其還能進(jìn)行長期的動態(tài)監(jiān)測,此外,遙感技術(shù)還能將有時用常規(guī)方法難以揭示的污染源及其擴散的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)出來。

“遙感技術(shù)最突出的功能就是不需要采樣就可以直接進(jìn)行區(qū)域性的跟蹤測量,快速定點定位污染源,核定污染范圍、以及污染物在大氣中的分布、擴散等,從而獲得比較全面的信息?！碧崞疬b感技術(shù)，杜可博士滔滔不絕?！斑b感監(jiān)測技術(shù)按工作平臺類型可分為地基遙感、機載和衛(wèi)星遙感；按工作波段可分為紫外、可見、紅外、微波遙感；按光譜特征可分為多光譜遙感和激光遙感；按電磁波來源又可分成主動遙感和被動遙感……”

城市大氣污染的遙感監(jiān)測主要是通過遙感手段調(diào)查產(chǎn)生大氣污染的污染源的分布、污染源周圍的擴散條件、污染物的擴散影響范圍等。其觀測原理是根據(jù)光與污染物的相互作用，直接或間接地獲取污染物濃度與分布信息。因此，通過遙感監(jiān)測結(jié)果可對城市污染源及其擴散影響、污染程度等進(jìn)行分析研究。此外，對城市大氣的監(jiān)測要結(jié)合環(huán)境監(jiān)測站點的資料進(jìn)行分析，以獲取定量化的大氣污染指標(biāo)。利用地物的波譜測試數(shù)據(jù)、彩色紅外遙感圖像及少量常規(guī)大氣監(jiān)測數(shù)據(jù)，可獲取關(guān)于城市大氣環(huán)境質(zhì)量的基本數(shù)據(jù)，并建立城市大氣污染的評價模型。

環(huán)境光學(xué)技術(shù)檢測汽車尾氣

近年來我國汽車產(chǎn)業(yè)快速增長，一方面促進(jìn)了經(jīng)濟的快速發(fā)展，同時也帶來了嚴(yán)重的空氣污染。環(huán)保部有關(guān)官員曾表示，機動車排放是部分大中城市大氣污染的主要來源，因此，嚴(yán)格控制機動車排放量是治理大氣污染的關(guān)鍵?！袄铆h(huán)境光學(xué)技術(shù)可以監(jiān)測機動車尾氣中黑碳的含量”，杜可博士表示，這正是他們所從事的研究在實際生活中的具體運用。

環(huán)境光學(xué)監(jiān)測技術(shù)的原理是利用尾氣中污染物對光的吸收或散射進(jìn)行分析，從而監(jiān)測出各項污染物的濃度。據(jù)了解，現(xiàn)有的機動車尾氣檢測普遍采用“年檢”方法，并不能完全真實反映車輛在線的排放狀況。杜可博士希望，通過環(huán)境光學(xué)技術(shù)監(jiān)測尾氣中黑碳的含量，可以幫助有關(guān)部門制定機動車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)起到參考作用。