遙感監(jiān)測(cè)細(xì)說(shuō)那些被粗放式經(jīng)營(yíng)毀掉的清新空氣（上）
來(lái)源：中科宇圖天下科技有限公司 閱讀：2931 更新時(shí)間：2014-08-20 11:51
由中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳良富，陶金花，王子峰提供文章來(lái)源。
大氣灰霾問(wèn)題已經(jīng)成為“人不分貴賤、地不分南北”的社會(huì)焦點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)及治理越來(lái)越得到社會(huì)各界的關(guān)注，黨中央國(guó)務(wù)院也高度重視，將其提升到國(guó)家生態(tài)文明的戰(zhàn)略高度，并于2013年9月頒布了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》。
北京及周邊6省市分別立下了大氣污染治理的軍令狀，而且全國(guó)近24省市自治區(qū)將大氣灰霾治理納入2014年的重要工作。李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告當(dāng)中明確提出了“要向?qū)ω毨麘?zhàn)一樣，堅(jiān)決向污染宣戰(zhàn)；向霧霾宣戰(zhàn)，不能等風(fēng)盼雨，要主動(dòng)出擊。”實(shí)際上我國(guó)嚴(yán)重的大氣污染是長(zhǎng)期粗放式經(jīng)營(yíng)方式導(dǎo)致的，要徹底根治霧霾污染既要從長(zhǎng)計(jì)議，開(kāi)展節(jié)能減排，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)；又需要針對(duì)目前嚴(yán)重的污染態(tài)勢(shì)，開(kāi)展大氣污染與排放源的監(jiān)測(cè)，為污染進(jìn)一步有效治理與污染預(yù)警提供依據(jù)。目前國(guó)家部署的地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，配合衛(wèi)星監(jiān)測(cè)就可以在全國(guó)范圍內(nèi)獲得污染狀況。
放大·觀察：衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)下的霾污染成分再現(xiàn)
（1）灰霾分布與氣溶膠衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)
灰霾是一種大氣現(xiàn)象，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)可以獲得灰霾的分布范圍，即利用美國(guó)NASA（National Aeronautics and Space Adminis-tration）的Terra和Aqua衛(wèi)星搭載的MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradi-ometer）載荷的可見(jiàn)光數(shù)據(jù)、短波紅外和紅外數(shù)據(jù)，我國(guó)風(fēng)云衛(wèi)星FY3-A、B和C衛(wèi)星搭載的MERSI (Medium Resolution Spectral Imager)載荷可見(jiàn)光與短波紅外等數(shù)據(jù)，通過(guò)反射率、霧霾頂部亮溫與氣壓以及云相態(tài)等差異，將霾分布和霧、低云與高云等（見(jiàn)圖1a真彩圖）進(jìn)行區(qū)分，從而獲得灰霾分布范圍（見(jiàn)圖1c）。
國(guó)際上常用的MODIS氣溶膠產(chǎn)品利用地面反射較小暗像元獲得顆粒污染物的消光特性分布，但僅在大氣污染較輕的晴空狀況有效，難以適用于灰霾重污染條件。圖1b為NASA公布的氣溶膠光學(xué)厚度（AOD），其在灰霾分布地區(qū)缺少反演結(jié)果。針對(duì)這一個(gè)問(wèn)題對(duì)氣溶膠反演方法進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)霾污染條件下氣溶膠粒子的特性，結(jié)合先驗(yàn)地表信息，利用MODIS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)灰霾氣溶膠光學(xué)厚度的反演（見(jiàn)圖1d）。
（2）可吸入顆粒物質(zhì)量濃度的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)
衛(wèi)星難以直接觀測(cè)近地面的顆粒物質(zhì)量濃度，通常基于大氣整層氣溶膠信息提取近地面顆粒物含量。即基于衛(wèi)星觀測(cè)的AOD，利用氣溶膠垂直分布信息估算近地面氣溶膠消光系數(shù)？衫玫鼗す饫走_(dá)與大氣模式分別獲得局地和區(qū)域范圍的氣溶膠垂直分布的信息，結(jié)合衛(wèi)星反演的AOD估算每個(gè)像元的近地面氣溶膠消光系數(shù)。由于大量可溶性成分的存在，氣溶膠粒子的消光特性在不同濕度下變化較大，因此要將衛(wèi)星估算的近地面消光系數(shù)中的濕度影響去除。最后基于近地面氣溶膠消光特性與顆粒物質(zhì)量濃度之間的相關(guān)模型，反演出區(qū)域近地面顆粒物干質(zhì)量濃度。圖2是基于MODIS反演的AOD，經(jīng)垂直訂正與濕度訂正后獲得近地面PM10與PM2.5濃度分布。
圖1.華北地區(qū)灰霾氣溶膠分布的識(shí)別與氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果分布圖
從圖中可以明顯看出整個(gè)北京市區(qū)空間連續(xù)的PM10與PM2.5分布，其質(zhì)量濃度與市區(qū)及城鎮(zhèn)分布、機(jī)場(chǎng)與工業(yè)區(qū)等分布高度相關(guān)。
圖2.基于MODIS 1km氣溶膠光學(xué)厚度估算的北京市區(qū)近地面顆粒物濃度，其中左圖為估算的PM10分布，右圖為估算的PM2.5分布。
（3）污染氣體衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)
污染氣體二氧化氮、二氧化硫和臭氧的探測(cè)主要通過(guò)紫外和可見(jiàn)光波段的高光譜探測(cè)，利用污染氣體各自的吸收光譜，反演對(duì)流層污染氣體的柱濃度。目前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星載荷包括SCIAMARCHY（SCanning Imaging AbsorptionspectroMeter for Atmospheric CHartographY）、OMI（Ozone Monitoring Instrument）、GOME-2（The Global Ozone Monitoring Experiment–2）和OMPS（Ozone Mapping & Profiler Suite）等數(shù)據(jù)，均可用于這幾種污染氣體的反演。我國(guó)將要發(fā)射的高分五號(hào)衛(wèi)星差分吸收光譜儀類(lèi)似于OMI載荷，可以用于污染氣體的監(jiān)測(cè)。圖3是利用OMI載荷數(shù)據(jù)反演的2009年中國(guó)地區(qū)二氧化氮和二氧化硫?qū)α鲗又鶟舛确植紙D。圖3表明我國(guó)華北平原、長(zhǎng)江三角洲地區(qū)和關(guān)中平原的污染已經(jīng)成片分布，珠三 角、成都、重慶、長(zhǎng)沙、武漢以及烏魯木齊等城市和地區(qū)也具有較高的二氧化氮濃度值（圖3左）；二氧化硫柱濃度值較高的地區(qū)主要集中在西南地區(qū)、華北地區(qū)等（圖3中）。利用熱紅外高光譜載荷可反演一氧化碳，即利用一氧化碳的熱紅外吸收通道，解決大氣溫度與濕度變化對(duì)一氧化碳濃度反演的影響問(wèn)題。目前在軌運(yùn)行的熱紅外載荷有AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）、IASI（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer）、CIRS（Composite Infrared Spectrometer）以及TANSO-FTS（Thermal And Near infrared Sensorfor carbon Observation, Fourier Transform Spectrometer）等。下圖3右是基于AIRS紅外高光譜數(shù)據(jù)反演獲得的2009年一氧化碳濃度分布。
圖3. 2009年中國(guó)地區(qū)二氧化氮（左）、二氧化硫（中）對(duì)流層柱濃度和邊界層一氧化碳濃度（右）分布
霧霾是一個(gè)全球性的問(wèn)題，倫敦治理霧霾用了近50年時(shí)間，針對(duì)我國(guó)有的專(zhuān)家預(yù)測(cè)需要15-20年的時(shí)間，那么如何打贏這場(chǎng)持久戰(zhàn)是各級(jí)政府、相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜壹捌髽I(yè)一直思考的問(wèn)題。
