【獨(dú)家視角】遙感監(jiān)測(cè)細(xì)說那些被粗放式經(jīng)營(yíng)毀掉的清新空氣（下）
來源：中科宇圖天下科技有限公司 閱讀：2430 更新時(shí)間：2014-08-20 13:16
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
我國(guó)重霾污染事件頻頻發(fā)生，自2013年1月在我國(guó)中東部地區(qū)發(fā)生了數(shù)次強(qiáng)霧霾事件以來，2013年3月、5月、國(guó)慶期間、12月以及2014年2月底均發(fā)生影響范圍大、濃度水平高和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的灰霾重污染事件。專家對(duì)重霾事件的成因解釋一般認(rèn)為有以下幾個(gè)方面：即污染排放量大、擴(kuò)散條件不利和區(qū)域污染與本地污染的貢獻(xiàn)疊加。實(shí)際上這三個(gè)因素適用于所有不同程度污染事件的解釋，并非是重霾污染過程的必要條件。利用源解析方法從城市污染采集的樣品分析不同源的貢獻(xiàn)率，需要長(zhǎng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析，但無法獲得源分布狀況，局地監(jiān)測(cè)結(jié)果無法掌握區(qū)域大尺度的成霾機(jī)制。針對(duì)2009和2010兩年每年10月到次年3月的成霾機(jī)制進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)來自南方的水汽和我國(guó)西北地區(qū)的浮塵是導(dǎo)致我國(guó)中東部極端強(qiáng)霾污染事件重要自然因素。下面以2013年1月重霾污染為例，利用多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)，分析宏觀成霾機(jī)制。
（1）強(qiáng)霾分布范圍及其污染物分布
從衛(wèi)星真彩色合成角度可以明顯的看出來，2013年1月8~14日，以及24~30日期間是發(fā)生了強(qiáng)霾時(shí)間，圖4分別是1月9日、14日、27日和30日MODIS數(shù)據(jù)真彩色合成圖，從圖中可以明顯的看出我國(guó)中東部的大部分地區(qū)被一層厚霾所籠罩，而且在14、27和30日霾覆蓋空間上有濃濃的霧。根據(jù)地面能見度的觀測(cè)，1月30日北京市的能見度不足百米。利用MODIS數(shù)據(jù)反演獲得2013年1月8~14日期間霾分布范圍和霾強(qiáng)度（圖5左），以及基于衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)反演獲得霾分布下可吸入顆粒物分布結(jié)果，從圖中可以看出強(qiáng)霾污染期間PM2.5濃度已經(jīng)高達(dá)500以上（圖5中）。利用OMI數(shù)據(jù)反演的二氧化氮分布結(jié)果表明，重霾期間1月10日整個(gè)華北平原具有很高的二氧化氮柱濃度分布（圖5右）。
圖4華北地區(qū)2013年1月不同時(shí)間MODIS數(shù)據(jù)真彩圖
圖5. 2013年1月8～14日期間，我國(guó)中東部地區(qū)強(qiáng)霾覆蓋范圍（左）可吸入顆粒物PM2.5濃度分布（中）和二氧化氮柱濃度（右）分布
（2）強(qiáng)霾的成因分析
利用衛(wèi)星觀測(cè)可以很好的了解到霾分布范圍、霾的強(qiáng)度以及霾發(fā)生期間細(xì)顆粒物濃度與二氧化氮柱濃度值等信息，掌握霾在區(qū)域尺度上的影響狀況。但這些數(shù)據(jù)還無法說明強(qiáng)霾的形成機(jī)制。我們利用紫外氣溶膠指數(shù)觀測(cè)到2013年1月期間我國(guó)大部分地區(qū)上空分布大范圍的浮塵，圖6左是1月份發(fā)生浮塵的頻次圖。結(jié)果表明中東部等地區(qū)分布大范圍的浮塵，其頻次有10次之多。來自西部或西北部中高層的浮塵，達(dá)到我國(guó)中東部地區(qū)后便與邊界層內(nèi)大氣污染物發(fā)生混合。圖6右是利用衛(wèi)星激光雷探測(cè)到的1月12日浮塵與污染物相混合等不同顆粒類型分布狀況。
圖6.左圖是浮塵頻次分布狀況；右圖是浮塵與污染物混合激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果
通過后向軌跡分析并利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP (National Centers for Environmental Prediction)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)了解到，我國(guó)中東部地區(qū)邊界層內(nèi)1月期間的主要風(fēng)向是弱偏南風(fēng)。偏南風(fēng)帶來的水汽使邊界層內(nèi)的相對(duì)濕度增大，濕度增大導(dǎo)致可溶性鹽顆粒物的吸濕增長(zhǎng)，即細(xì)顆粒的粒徑在大濕度環(huán)境下增大，從而使能見度急劇下降，導(dǎo)致灰霾的發(fā)生；姻惨坏┬纬，灰霾大氣中細(xì)粒子對(duì)太陽(yáng)輻射的消光能力非常強(qiáng)，其對(duì)太讓輻射的削弱，會(huì)造成地面的輻射逆溫出的形成。下圖7是基于AIRS數(shù)據(jù)反演獲得的5km以下的大氣溫度廓線分布結(jié)果，穩(wěn)定的逆溫層促使污染物更難擴(kuò)散，從而導(dǎo)致近地面氣溫的持續(xù)下降和相對(duì)濕度的增大，使邊界層內(nèi)的污染濃度持續(xù)升高，引發(fā)一個(gè)極為嚴(yán)重的負(fù)反饋機(jī)制。
圖7. 2013年1月8－14日北京（左）5km以下大氣溫度廓線分布，圖中8日與11日沒有逆溫，其他天均存在明顯的逆溫分布
綜上所述，2013年1月份強(qiáng)霾事件，是污染物和浮塵、水汽相結(jié)合，加速了成霾過程放大了人為排放物污染效果，是自然因素和人為因素共同作用的污染事件。2014年2月底發(fā)生在我國(guó)中東部的極端霾污染事件，也同樣是在排放較大的背景下，遇到來自南方水汽過程，促使了能見度的下降，并引發(fā)了成霾的負(fù)反饋機(jī)制。一但這一成霾物理機(jī)制的形成，只有依靠強(qiáng)西北風(fēng)將重霾吹散或濕沉降的發(fā)生才能結(jié)束。
討論與結(jié)論
（1）重霾污染事件的“元兇”、“幫兇”問題
造成重霾污染事件的原因很清晰，一是有大量的污染物排放到大氣中，這就是污染的“元兇”，二是氣象條件。如有來自西北地區(qū)干燥污染小的風(fēng)可以把排放的污染物吹走，則空氣比較潔凈；一旦沒有風(fēng)，則排放的污染物就會(huì)局地集聚而形成污染物濃度水平漸進(jìn)抬升的態(tài)勢(shì)，此時(shí)如果恰巧有來偏南風(fēng)吹來，則由于偏南風(fēng)帶來的大量水汽，會(huì)促使能見度急劇下降；在冬季，往往由于邊界層較低而很容易引起重度污染，夏季則由于邊界層較高而且沒有冬季采暖一類的污染物排放，所以污染形勢(shì)會(huì)有所緩和；所以來自偏南方向水汽是引起重度霾污染的“幫兇”。若在冬季近地面有偏南方向的氣流，再加上邊界層上有來自西北的浮塵，浮塵會(huì)起到凝結(jié)核的作用，從而加速成霾過程。
（2）重霾污染的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)問題
衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)重霾污染過程時(shí)，可以從霾分布范圍、霾光學(xué)厚度，霾天污染物（如PM2.5和二氧化氮、二氧化硫）的濃度方面來監(jiān)測(cè)污染的分布、濃度水平和動(dòng)態(tài)發(fā)展?fàn)顩r。為了完善衛(wèi)星監(jiān)測(cè)工作，需要進(jìn)一步加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的工作：一是針對(duì)各種不同的衛(wèi)星載荷，實(shí)現(xiàn)多元載荷觀測(cè)結(jié)果的綜合與網(wǎng)絡(luò)快速推送，以便更好的服務(wù)于用戶；二是針對(duì)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)僅能獲得對(duì)流層污染氣體柱濃度這一不足，引入大氣化學(xué)模式，開展邊界層氣態(tài)污染物濃度的監(jiān)測(cè)方法研究；第三由于衛(wèi)星監(jiān)測(cè)模型存在誤差，研究將衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果和地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果同化的方法，以便獲得經(jīng)過地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)校正后的衛(wèi)星遙感反演結(jié)果。
（3）重霾污染的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)與預(yù)警的結(jié)合問題
衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)僅能獲得已經(jīng)形成的污染態(tài)勢(shì)，不能獲得未來的污染預(yù)測(cè)，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)需要和大氣模式相結(jié)合，以便更好地開展霧霾的成因分析和預(yù)報(bào)預(yù)警工作，做好重霾污染事件的科學(xué)應(yīng)急處理。具體應(yīng)包括以下幾個(gè)方面的工作：一是衛(wèi)星監(jiān)測(cè)輔助模式模擬，研究霾污染分布和污染物濃度水平等衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為同化算子，改進(jìn)大氣模式的預(yù)報(bào)精度；二是衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果改進(jìn)大氣模式的排放源清單，即加強(qiáng)“自上而下”的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)排放源的工作，在空間分布和時(shí)間變化方面改進(jìn)現(xiàn)有通過統(tǒng)計(jì)方式的“自下而上”獲得的源清單工作；第三，除了進(jìn)一步研究不同顆粒物成分吸濕增長(zhǎng)引起能見度下降的成霾機(jī)制外，研究大氣模式和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)合開展不同污染水平下的預(yù)警機(jī)制與應(yīng)急措施的評(píng)估方法，為不同污染水平下應(yīng)急預(yù)案的制訂提供科學(xué)支撐。[宇圖]
