2012年6月，正逢盛夏的南京突然迎来了“黄泥天”，漫天灰尘遮蔽了行人视线，大气污染指数急剧飙升；同期，武汉市也出现了罕见的沙尘暴天气。这场沙尘，在温暖和煦的江南水乡肆虐足有3天时间，给百姓正常的生产生活带来了极大的不便。

图1 2012年6月10日，被阴霾笼罩的南京玄武湖

（图源：北方新报）

由于具有偶发性，这场自然灾害也并未引起公众太多的注意。但在中国大地上，一场长达十余年之久的大气污染防治和蓝天保卫战已经悄悄地拉开序幕。正如科幻电影《流浪地球》开篇时提到的那样：“最初，没有人在意这场灾难，直到每个人和这场灾难息息相关”。

2013年1月，华北地区突然爆发雾霾重污染，当月足有25天是重污染天，且每次重污染过程具有浓度水平高、影响范围大和持续时间长等特点。北京监测的细颗粒物PM2.5浓度在短短的2个小时内，从200 μg/m3上升到500 μg/m3，科学家称此为新粒子生成的“爆发式”增长。此现象造成华北地区100万平方公里范围的雾霾重污染，这一严峻的大气污染形势，已真实地摆在了人们面前，其背后隐藏着什么样的机制？同年9月，国务院颁布《大气污染防治行动计划》十条措施（简称“大气十条”），我国正式开启了大气污染防治之路。

图2 2013年1月华北地区雾霾卫星图（其中灰蒙蒙的就是雾霾）

在人们的期待下，如何以科学有效的手段开展大气污染防治工作，实现精准治霾，打好这场污染防治攻坚战，成了一个重大的科学和社会“难题”。简单用“污染物排放量大、扩散条件不利、区域污染和本地污染叠加”来解释雾霾成因是不够的。想从源头上治理雾霾，不仅要抓住致霾的真正“元凶”，还需要对气象与污染的相互作用进行严谨细致的研究；但彼时，国内仅建立了有限的环境空气质量常规六参数监测站点，尚未在大气污染成因方面展开区域尺度成体系的研究，如何利用现有科学技术手段，实现对霾污染成因的快速探究，成为摆在科学家们面前的焦点问题。

就在此时，中国科学院空天信息创新研究院（原遥感与数字地球研究所）陈良富研究员，在2013年1月28日的《中国科学报》上指出：除污染物排放量大之外，静稳天气、水汽、浮尘是造成1月雾霾来袭、能见度急剧下降的重要原因，而调整经济和能源结构将是细颗粒物防控的终极手段[1]。2月4日，在中国科学院组织的“大气灰霾追因与控制”媒体通气会上，陈良富详细介绍了华北地区雾霾成因的卫星解析。陈良富团队利用近十年的光学卫星遥感技术研究成果，分析了污染物空间分布特征、不利气象条件，以及气象对污染的负反馈机制，揭示了这次大规模雾霾背后的“元凶”，国内各大媒体都进行了转载报道[2]。

在此之后，陈良富以大气污染防治国家需求为驱动，带领团队建立我国环境空气质量卫星遥感技术体系，积极参与了国家和地方的大气污染防治工作，服务了2008年奥运会到2022年冬奥会等历次国家重大活动的空气质量保障工作，并指导我国自主研发第一颗环境空气质量探测卫星（又称高分五号卫星）、中国科学院首颗地球科学卫星（广目卫星，又称可持续发展科学卫星SDGSAT），为我国环境监测领域做出了巨大贡献。

图4 陈良富研究员在中国科学院首颗地球科学卫星控制中心

对于陈良富研究员，有人说他是“书法圈里唱歌最好的科学家”，也有人说他是“爱折腾”的科研挑战者……人们看得到他的兴趣爱好，看得到他的科研成果，但鲜有人知道，他是一个将历史学家范文澜先生立身处世的“板凳宁坐十年冷，文章不写半句空”挂在办公室20余年之久的实干家；也鲜有人知晓，他是一个日夜操劳、将全部心血投入到服务碳盘点需求的、我国下一代碳卫星总体技术方案研究工作的奉献者。

从“跨行”到“内行”，从霾天向蓝天

2005年，时年40岁的陈良富，又开始了再一次的“折腾”。这次，他“盯”上了白云之上的深邃蓝天，准备转向大气环境遥感探测领域，具体从事以卫星光学遥感手段，对大气环境中颗粒物、污染气体和温室气体等大气成分的探测研究。之所以会选择大气环境卫星遥感这个新的方向，陈良富回忆道：“当时欧洲在该领域领先，十年前就发射了大气环境科学实验卫星，而我国几乎没人从事该领域研究；又因为这个方向与保障人民生活质量和公众健康的需求密切相关，所以我就进来了。”就这样，他组织队伍一头扎进了大气环境监测这个“无人区”。谈及“跨行”的初心，他对学生这样说道：“泱泱大国，在大气环境卫星遥感探测领域还是一片空白，还没有一点技术与人才储备，那就让我们来干吧。”

刚开始进行这一领域的研究时，陈良富率领团队，从基础的晴空气溶胶卫星探测方法研究切入时，发现国际上不做霾天气溶胶探测，而雾霾天正是我国要面对的颗粒物污染场景。但由于当时，霾粒子光散射特性和霾天气溶胶模式都是未知的，他参考前期的珠三角大气环境化学野外观测实验结果，率先建立了以二次可溶性盐为主的气溶胶模式，实现了霾天气溶胶光学厚度的反演，这也是国际上首个将霾气溶胶纳入卫星遥感观测目标的工作。此外，为了从卫星探测中精确获知颗粒物浓度，他分析气溶胶垂直分布及吸收水汽后膨胀（吸湿增长）两个物理机制，创建了从气溶胶消光特性到颗粒物质量浓度的卫星观测物理模型，并开发了城市和区域尺度算法，实现了颗粒物浓度的卫星探测，使我国颗粒物质量浓度卫星探测技术处于国际领跑地位！

图5 2007年基于卫星遥感获得的第一幅北京市PM10浓度空间分布

在污染气体的反演中，德国科学家通过建立差分光谱吸收算法，突破了吸收谱线相重叠的不同气体浓度估算的障碍，从而实现了多种污染气体浓度的反演。陈良富将差分光谱吸收算法，归纳总结为五个关键问题，其中大气拉曼散射效应能使污染气体反演精度估计值低8%～9%左右。

大气拉曼散射是双原子大气分子，如氮气（N2）和氧气（O2），在太阳辐射状况下产生的。由于这一关键模块算法不公开，陈良富就带领博士生查阅量子力学资料，了解到太阳光子与大气分子相互作用，分子的振动和转动能级跃迁会引起散射光的非弹性散射，导致散射光频率偏移。为此，他们自己计算了N2和O2的散射截面，并和太阳光谱卷积获得了大气拉曼散射结果。他们从结果中认识到，不同波长的分子散射截面分布具有相似性，所以在整个二氧化氮观测波长窗口中，将对应每个探测波长计算的拉曼散射，再通过积分获得拉曼散射的总体效应，简化为仅计算某一个波长处的拉曼散射效应，其结果具有同样的效果。

“这是一个惊喜的发现，该算法可以使计算量减小到原来的2‰，从而大大提高了计算效率，为污染气体卫星监测的业务化应用奠定了基础。”陈良富介绍道，“我们的拉曼散射计算，是利用卫星每天探测到的实际太阳光谱进行计算的，比德国科学家用年均太阳辐射光谱计算的拉曼散射效应更贴近实况！”陈良富自豪地说道，“后来德国人也认可我们的算法更真实。”

在此之后，陈良富趁热打铁，带领学生又研究了大气二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）和臭氧（O3）等环境空气质量参数卫星反演技术，还建立了具有挥发性有机物指示作用的甲醛（HCHO）和乙二醛（CHOCHO）卫星反演技术。这样，利用NO2和HCHO的探测结果，可用来判断臭氧污染防控的主导因子，也可用于臭氧污染的前体物溯源工作。另外，陈良富团队还陆续研究建立了大气温室气体二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等气体浓度的反演技术，以及建立了秸秆焚烧、沙尘卫星监测系统，可以说用了近十年时间，最终磨成一剑，初步构建了我国大气环境卫星监测技术体系！

还有件事值得一提：陈良富指导博士生利用美国大气与海洋局（NOAA）的热红外卫星资料（AIRS），实现了大气温室气体N2O垂直廓线的反演，并把结果写成学术论文，发表在2015年的中文学术刊物《光谱学与光谱分析》上。“听说NOAA数据处理团队的负责人拿着这篇论文的英文摘要，在他们内部会议上很不客气地责问‘是谁去指导中国人干的这项工作？’”陈良富笑道：“他们压根就没瞧得上咱们中国人！但我们用他们的卫星数据，发表了国际上第一篇N2O卫星遥感论文，他们心里肯定不是滋味！现在我想起这个事时，内心更多的是欣慰！”

如何精确区分各不同组分，获得准确的大气成分数据，这些也都是国际同行需解决的难题。何况我国雾霾条件下高气溶胶背景，使大气监测尤其是温室气体高精度监测，面临了更大的挑战。可以说，陈良富团队所做出的研究，对我国环境空气质量卫星遥感技术体系建设工作，起到了根本性的支撑作用。基于这些研究成果，该团队为生态环境部卫星中心和相关地方省市，建立了环境空气质量卫星监测业务系统，服务国家大气污染防治行动。

图6 我国大气环境监测数据示意图

上述部分成果，早在北京奥运会空气质量保障活动中就得到了应用。2007年，中国科学院就设立了“北京奥运空气质量行动”计划，在位于奥运村南侧的遥感与数字地球研究所的主楼顶，建立了“天地一体化大气环境监测超级站”，其中陈良富团队负责的卫星遥感监测是其中的一大亮点。在奥运期间，国外专家和记者纷纷来超级站参观了解北京市空气质量。2008年8月，Science记者以封面文章，专门介绍了中国科学院开展的空气质量监测工作，以及我国政府为改善北京空气质量付出的努力。

图7 Science记者以封面文章报道了北京空气质量及其监测工作（文中的遥感应用研究所IRSA，是遥感与数字地球研究所的前身）

回到文章开头，在华北平原发生大面积重霾污染过程时，陈良富团队恰是国内唯一一支对于雾霾污染的卫星探测有着扎实研究积累的科研力量。2013年2月4日，陈良富用紫外、可见光、红外遥感卫星和激光雷达卫星观测资料，向媒体朋友详细解释了大面积雾霾污染的成因。他们探测到了华北地区人为排放带来的高浓度二氧化氮污染气体的空间分布，同时观测到来自西北高空的浮沉，在华北平原下沉与污染物混合，且华北地区底层大气的偏南风带来了充足的水汽，在较低地温和气温背景下大气湿度迅速达到饱和，促进了颗粒物吸湿增长并使能见度极剧下降，结果又反过来削弱了太阳辐射，使地温变的更低而产生了大气逆温层，由此触发污染与气象的负反馈作用机制。这就像稳定的底层大气上，盖了一层不断往下压的厚被子，地面颗粒物浓度变得越来越高。陈良富用简单形象的语言，描述了重霾的形成过程。“因为2013年1月前后期间，污染物的排放量是相近的，但气象条件差异却很大。”陈良富说，“污染物过度排放是元凶，1月的不利气象条件是帮凶，这次重霾污染是人为与自然因素共同作用的结果。”陈良富的科学分析极大程度上缓解了公众的恐“霾”情绪。

为了让更多的人了解雾霾的成因，陈良富为中小学、离退休职工进行了科普宣传。为了进一步推进大气污染防治工作，2014年2月19日，陈良富还受邀登上央视《走近科学》栏目，向大众科普了华北地区冬季雾霾的形成机制。由于雾霾形成机制中，在有一定污染物累积的背景下，空气的湿度越高，就越容易促使雾霾的形成。为此，陈良富对原《北京市空气重污染应急预案》中有关“根据蓝、黄、橙、红4个级别空气重污染等级，实施不同强度的道路洒水”措施，提出了异议。“霾天洒水，如同火上加油！”陈良富比喻说。雾霾天应该停止道路洒水，一是因为道路扬尘不是灰霾天的主要污染来源，即便有扬尘也可以通过其他清扫方式来处理；二是洒在路面的水份很快蒸发后，提高了空气湿度，反而会加重雾霾污染。

历经五年的“大气十条”实施成效如何？2017年底，陈良富参与了中国工程院组织的全国和主要地区的空气质量改善评估工作，他们团队基于独立探测技术的污染物减排变化卫星监测结果，纳入了大气污染防治成效的评估报告。

图8 陈良富研究员登上《走进科学》栏目，向公众介绍了“霾伏的真相”

到了“三年蓝天保卫战”和“空气质量持续改善行动”时期，传统末端治理方式正向四大结构调整和末端治理双轮驱动转变，逐步过渡到精准、科学和依法治污，推动经济高质量发展，并通过系统治理协同推进降碳、减污、扩绿、增长，实现环境效益、经济效益和社会效益多赢。

为此，陈良富团队又开始基于卫星监测和大数据技术，研究科学精确治理污染的技术方案。他认为：对于大气污染只解释成因是不够的，一定要开展精准的污染溯源，从行业源解析向精确到某个排放企业具体位置的污染溯源、并量化其排放量的方向推进，以便更好地服务高效执法和提升企业污染防治水平。在此观点下，陈良富主张建立热点网络，利用卫星栅格式的数据特点，重点关注统计分析污染频次高发的网格单元；并利用实时卫星监测扫描数据，对污染物浓度超标的热点网格进行预警，进而迅速捕捉该网格内的排放源，并确定其影响范围，实现对污染源的精准管控。

图9 陈良富带领团队参与了历次国家重大活动的空气质量保障任务

2023年成都举办大运会，陈良富团队参与了四川省大气污染卫星监测溯源平台建设，实现了大气污染超标的自动报警和精确溯源，为大运会期间的空气质量保障提供了重要的技术支撑。该溯源技术体系入选工信部“数字化绿色化协同转型发展优秀案例”，中国环境监测总站年度“优秀生态环境智慧监测创新应用案例”。2024年的两会后，生态环境部将大气污染监测与溯源技术，作为阐释高质量发展的典型例子在央视《新闻直播间》节目做了报道，以推进卫星、航空等遥感技术加速融入生态环境监测体系。未来，陈良富设想将AI大模型技术应用在大气环境监测中，让智能算法对污染做分析，智能生成污染源调查报告和污染防控解决方案。

图10 陈良富团队建立的大气污染卫星监测溯源平台在央视节目报道

除了大气环境监测，卫星遥感探测技术也支撑了自2007年以来生态环境部的秸秆焚烧监测，并以此延伸到森林野火探测应用。2017年4月26日～5月2日期间，在内蒙毕拉河发生了一场野火，火势持续数天后国家林火监测系统才检测到异常，但那时火线已经长达20余公里，最终调用了大量人力和物力花了数天时间才把大火扑灭。从新闻上看到此消息后，陈良富查询了秸秆焚烧卫星监测系统的探测记录，发现该系统在明火出现之初就已经发现了高温异常，并有火场蔓延到被扑灭时的持续监测记录，但之前，由于仅关注秸秆焚烧而将林火异常作为噪声处理，并未加以利用。

为此，陈良富团队立即研发了一套森林野火监测系统，这套系统利用十几颗卫星实现全国每天二百多次的监测，极大提升了监测频次，并创新了火情发布模式，将原来“自上而下”的人工逐层下达模式，改为自动速报给火场属地的相关防火员与责任人手机。目前，这套系统一直在为国家应急部和众多省市的林火监测所应用。他常以此事为例，劝勉团队成员：“科研人员的创新研究，不能仅仅局限于发表论文，更要将研究成果用起来。”

除了带领团队做实事外，陈良富还有一个同样不愿挂在嘴上、却积极用自己的学识与智慧践行的理念：科学家要通过各种途径为国家服务。

2015年底，当时中国科学院遥感与数字地球研究所新领导班子召开发展方向研讨会，会上，陈良富提出了三点建议，其中之一就是基于卫星遥感技术应用于社会可持续发展，即可以集成研究所已经成熟的卫星遥感技术在农业生产、土地利用、灾害与环境污染监测等应用成果，为国家提供专题报告。他的建议，被组织形成中国科学院的遥感监测绿皮书《中国可持续发展遥感监测报告》，并由社会科学文献出版社出版，陈良富团队的大气环境监测评估内容是其中的重要组成部分。

图11 陈良富在《中国可持续发展遥感监测报告》首发会上的报告现场

作为指导专家，陈良富还参与了高分五号卫星的科学与应用需求分析，以及载荷指标设计指导等多项工作。

2016年6月30日，在高分五号卫星载荷初样转正样的评审会上，当大多数专家还在质疑这颗卫星的立项意义时，陈良富站出来为这颗卫星正名。因为高分五号卫星首次搭载了颗粒物、污染气体和温室气体三个探测载荷，当时正是国家需要开展全国尺度卫星监测的关键时期，这个项目正是关切百姓健康的一个大事，因此，他建议专家支持这个项目。并且，他还高度赞扬了卫星总体带领几个载荷单位科学家，在很短的时间里创新研制了大气超光谱探测载荷和多角度偏振载荷，填补了我国在该领域的空白。但最核心的发言内容，是他利用自己学识，从专业角度高度评价了高分五号卫星三个载荷搭载在一个平台上，在国际上都具有的科学性和先进性。

首先，高分五号卫星搭载的多角度偏振载荷，对细颗粒物探测敏感，其空间分辨率是全球该类载荷最高的，这正是我国PM2.5探测的迫切需求。其次，该载荷还可探测颗粒物的其它光学与微物理参数，与温室气体载荷相组合，可以实现大气温室气体浓度的高精度估算，从而解决了全球碳排放的卫星核查，必须面对高气溶胶背景影响的关键难题。而当时，美国和日本等国家的碳监测卫星，还处在仅配置了用于识别云分布的4波段CCD探测器阶段。第三，现有国际上的污染气体探测载荷，在高气溶胶区域的监测结果都有高估现象，而高分五号卫星搭载的气溶胶全要素探测能力，正好可以矫正污染气体估算偏差！总体来说，我国高分五号卫星搭载的这三个载荷，不仅全面提升了我国大气成分超高光谱探测载荷的研制水平，而且在载荷配置和监测数据的综合处理设计方案，都达到国际领跑水平。

由于非常清晰地阐述这颗卫星的科技创新和潜在应用价值，他说服了其他评审专家。卫星工程主管与应用单位主管感慨到：“以后我们国产卫星的研制，要设立首席科学家制度，一定要有陈教授这样站位高、有学识、敢说话的首席科学家。”

这颗卫星对于国家环境质量探测技术发展的深层次价值如何？曾有人问过他，高分五号卫星载荷研制过程中克服了什么难点，他的回答很实在：“这颗卫星的研制与发射，标志着我国超高光谱成像与数据处理技术达到一个新的水平，开启了我国对大气成分进行体系化监测的先例！”“研制工作的难点，一是确保载荷产出高质量数据，这样的超高光谱数据需要高精度的辐射与光谱定标；二是数据处理上，如何消除高气溶胶背景对气体浓度反演的影响。”如何将卫星所采集到的数据，处理得更精确更好用，以辅助各级政府的污染防治业务决策，这才是这颗卫星最有意义的地方。在研究成果应用的过程中，也需要去创新很多工程应用技术。

回顾在大气环境卫星遥感领域探索的二十余年经历，陈良富总结说：“这的确是一个不断挑战科学难题的过程，也不断提升了自我认知水平，并使我逐步领悟到了一位科学工作者的人生意义。做探索、做创新就要看能够为社会和国家带来什么样的实际价值，归根到底，还是要以推动科技进步和服务国家为本，为祖国的繁荣昌盛贡献一份力量。”

[1].陈良富：要控PM2.5先调经济能源结构，《中国科学报》，2013-01-28，https://www.cas.cn/xw/zjsd/201301/t20130128_3757676.shtml；

[2].揭露雾霾背后“元凶”，《经济日报》，2013-02-04 03版（中国科学网站转，https://www.cas.cn/xw/cmsm/201302/t20130204_3760907.shtml）；

陈良富，中国科学院空天信息创新研究院二级研究员，博士生导师。1986年毕业于江西师范大学获本科学位，1991年毕业于陕西师范大学获硕士学位，1999年毕业于北京大学获博士学位留校任教，2001年调入中国科学院遥感应用研究所。2001与2004年先后两次在法国国家科学研究中心“图象、信息与遥感研究所”做访问学者。

主要从事卫星遥感基础理论、方法与应用技术体系研究。任“十三五”、“十四五”科技部大气环境领域重点专项总体专家组成员，中国光学学会环境光学专委会副主任，中国环境学会大气环境专委会、臭氧专委会、减污降碳专委会副主任；任中国科学院首颗地球科学卫星（广目卫星，又称可持续发展科学卫星SDGSAT）科学应用系统总设计师，是我国下一代碳卫星总体技术方案负责人。先后承担国家攀登计划、科技部973和863计划项目，以及对地观测领域重点专项项目，国家自然基金重点项目、中国科学院知识创新工程项目、中国科学院碳、灰霾先导专项，以及生态环境部项目研究。

研究成果主要包括：开拓并建立了我国大气环境卫星遥感理论与应用技术体系，指导了生态环境部大气环境卫星设计与卫星系统的建设，构建了我国下一代碳卫星总体技术方案。研究成果已应用于我国环境空气质量监测业务，并服务于自2008年北京奥运会以来国家重大事件的空气质量保障工作。先后获国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步奖2项目，发表论文490余篇，专利24项。