肖延勝

近年來，霧霾、PM2.5等名詞越來越為國內(nèi)外的人們所熟悉。這也意味著大氣污染問題日益嚴(yán)峻并且國際化的趨勢日益明顯?！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，改善對源清單的認(rèn)識，有助于對霾污染源的定位和治理?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授劉誠長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）及霾的時空分布遙感觀測算法研究。

目前我國在大氣污染觀測方面開展的工作，主體是以地面觀測為基礎(chǔ)的大氣質(zhì)量觀測網(wǎng)絡(luò)，缺乏以區(qū)域/全球范圍的大氣觀測為主旨的機(jī)載/星載遙感技術(shù)。我國現(xiàn)在迫切需要獲得國內(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)，本刊就此對他進(jìn)行了專訪。

求學(xué)海德堡

劉誠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)開始了。2006年12月，劉誠來到德國海德堡大學(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，德國海德堡大學(xué)環(huán)境物理研究所所長]。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，針對近紅外通道受云層遮蔽、探測器結(jié)冰等因素影響的關(guān)鍵性技術(shù)問題，我提出了修正算法，并編寫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\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的長時間段連續(xù)觀測結(jié)果。

劉誠的此項(xiàng)研究結(jié)果在同其他衛(wèi)星/地基觀測結(jié)果的對比驗(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)并指出它們對中國地區(qū)大氣模擬結(jié)果的不準(zhǔn)確性。

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

科研的道路沒有止境，對于自己取得的成績，劉誠并沒有滿足。2010年11月，博士順利畢業(yè)的劉誠留在德國，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，劉誠在衛(wèi)星遙感溫室氣體柱濃度的基礎(chǔ)上，又開展了基于衛(wèi)星觀測高光譜數(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（無法獲得與人類活動密切相關(guān)的近地面信息）的局限，第一次成功獲取了從對流層頂部（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語言、C++語言編寫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)其對中國地區(qū)CO廓線模擬的不準(zhǔn)確性，這一發(fā)現(xiàn)為這兩個模型的改進(jìn)提供了重要依據(jù)?！眲⒄\的這項(xiàng)研究成果已經(jīng)于該學(xué)科的頂級雜志（Atmos. Chem. Phys.）上發(fā)表，基于他的努力工作和研究成果，德國馬普學(xué)會對他的總評認(rèn)證為“Excellent”。

功成哈佛

機(jī)會總是偏愛有準(zhǔn)備的人。劉誠的努力工作，讓他的科研之路越來越順風(fēng)順?biāo)?012年，他獲得哈佛大學(xué)博士后全額獎學(xué)金，來到哈佛-史密松天體物理中心從事衛(wèi)星高光譜儀器測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，指導(dǎo)劉誠的是哈佛大學(xué)原子與分子學(xué)部部長Kelly Chance教授，也是美國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，劉誠坦稱，工作中他經(jīng)常碰到各種困難。在哈佛-史密松中心時，他開展針對大氣污染氣體柱濃度/廓線時空分布的最優(yōu)估算法OE（Optimal Estimation）遙感算法研究。 “由于星載和機(jī)載的觀測儀器都存在光譜漂移、輻射率絕對值穩(wěn)定性不高、信噪比低等問題，導(dǎo)致其觀測到的高光譜數(shù)據(jù)精確度達(dá)不到反演需求，無法準(zhǔn)確反演計(jì)算出污染氣體時空分布信息?！眲⒄\說，OE遙感方法對原始觀測數(shù)據(jù)的精度要求很高，因此對高光譜儀器進(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。劉誠心一橫，針對這個問題，夜以繼日地工作，終于研發(fā)出一系列校正算法，并編寫程序應(yīng)用于NASA DISCOVER-AQ 城市環(huán)境觀測項(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)的全過程，最終成功獲取了美國華盛頓特區(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京津冀、長三角、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)?！眲⒄\說著，對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)科的頂級雜志（Atmos. Chem. Phys.），哈佛大學(xué)的Kelly Chance教授高度評價他，認(rèn)為他取得了令人矚目的研究成果。

國內(nèi)發(fā)展

回國后，劉誠的科研項(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發(fā)與應(yīng)用”、“基于機(jī)載/星載觀測的大氣污染氣體整層總量的遙感算法與傳感器特性實(shí)時模擬技術(shù)”等科研工作。

作為一個年紀(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)心他下一步的動向。提到未來的打算，劉誠說，在自己以前研究的基礎(chǔ)上，將開展四個方向的研究：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，而且也為我國的重大需求，如氣候談判、環(huán)境政策等提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐”，劉誠笑著說。