碳中和背景下我国大气光学监测技术的需求与挑战
碳中和背景下我国大气光学监测技术的需求与挑战
碳中和目标的实现离不开精准的大气监测技术。本文综述了我国在大气光学监测技术领域的发展现状，并探讨了在碳中和背景下该领域面临的需求与挑战。
PM2.5和O3协同控制、碳达峰和碳中和等目标的实现依赖于污染和温室气体监测技术的发展。光学监测技术以其可扩展性强、灵敏度高、检测目标广等技术特点，在污染/温室气体监测方面具有明显优势，已成为环境监测技术发展的重要方向。
刘文清院士团队回顾了大气光学检测技术的研发进展，并对碳中和背景下我国大气光学监测技术的需求与挑战进行了展望。
经过多年的关键技术创新与突破，目前以差分吸收光谱技术（DOAS）、光腔衰荡光谱技术（CRDS）、激光雷达技术（LIDAR）、激光外差光谱技术（LHS）、可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）、傅立叶变换红外光谱技术（FTIR）和激光诱导荧光技术（FAGE）等为主体的环境光学监测技术体系已经建立。目前自主研发的技术和设备基本可以满足我国环境管理的需要，在远程化、智能化、支撑科学决策和精准监管等方面取得了很大提升，技术水平基本处于与世界水平的并跑阶段。
图1 环境光学大气环境监测技术
然而，随着 "减污降碳"战略的持续推进，污染/温室气体的来源、排放组分和排放浓度都发生了重大变化，对监测技术的发展提出了新的更高要求。应更加注重：
新型光学检测技术与立体监测系统的构建
在卫星遥感方面，应重点发展国产高轨静止卫星有效载荷和算法，以满足大范围、高时空分辨率、更多污染/温室气体组分的需求。在空基监测方面，应发展无人机遥感技术和相应的新型无人机遥感有效载荷，以满足更高的监测时空分辨率和排放源米级精确定位的需求。在地基监测方面，应开发新型光学原位监测技术、新型光学立体监测技术（水平和垂直检测）和新型光学成像监测技术，以满足更高精度的浓度定量、更强的新成分检测和更精确的传输/扩散评估需求。此外，多平台、多技术联合观测已成为大气污染/温室气体监测的重要手段。通过建设全时段、全尺度、全频谱、全要素的卫星遥感观测网络和地面立体遥感监测网络，可以实现对污染/温室气体在多空间尺度和时间尺度上的有效监测。
更加注重学科交叉与跨圈层研究
多圈交叉研究必将成为地球科学研究的重要方向和必然趋势。大气科学研究必须充分利用现代科学手段，如先进的探测手段（卫星遥感等）和先进的计算工具（人工智能和超级计算机等）。此外，大气科学的发展还应利用高等数学、物理学、化学和生物学等学科的成果和方法，以及先进的5G通信技术、GPS技术等。此外，随着大数据时代的到来以及超级计算机和处理器技术的发展，地球学科以及仪器学科与人工智能技术结合也应得到重视。重点发展方向包括构建多组分驱动的机器学习网络体系结构和发展基于机器学习的预测技术。
加强对温室气体的监测研究
建立中国自主可控、国际可信的碳源汇监测与评价体系亟需解决的关键问题是 ：（1）如何在复杂的多圈生态环境相互作用下，准确监测人为碳排放，降低区域碳源汇核算的不确定性？(2）如何将立体观测与多圈地球模型相结合，预测碳源与碳汇的演变？
解决上述问题的主要技术需求包括：（1）自主研发高端碳源汇监测技术与装备及核心部件；（2）部署污染源与温室气体背景监测网络；（3）建立自主可控的全球碳监测与评价系统及算法软件；（4）建立功能完善、开放高效的碳源汇监测技术验证与评价平台。
图2 我国大气环境光学监测技术发展展望