遙感監(jiān)測細說那些被粗放式經(jīng)營毀掉的清新空氣（上）
來源：中科宇圖天下科技有限公司 閱讀：2995 更新時間：2014-08-20 11:51
由中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，遙感科學國家重點實驗室陳良富，陶金花，王子峰提供文章來源。
大氣灰霾問題已經(jīng)成為“人不分貴賤、地不分南北”的社會焦點，其監(jiān)測、預測及治理越來越得到社會各界的關注，黨中央國務院也高度重視，將其提升到國家生態(tài)文明的戰(zhàn)略高度，并于2013年9月頒布了《大氣污染防治行動計劃》。
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。李克強總理在政府工作報告當中明確提出了“要向對貧困宣戰(zhàn)一樣，堅決向污染宣戰(zhàn)；向霧霾宣戰(zhàn)，不能等風盼雨，要主動出擊。”實際上我國嚴重的大氣污染是長期粗放式經(jīng)營方式導致的，要徹底根治霧霾污染既要從長計議，開展節(jié)能減排，調整產(chǎn)業(yè)結構和能源結構；又需要針對目前嚴重的污染態(tài)勢，開展大氣污染與排放源的監(jiān)測，為污染進一步有效治理與污染預警提供依據(jù)。目前國家部署的地面站點監(jiān)測網(wǎng)，配合衛(wèi)星監(jiān)測就可以在全國范圍內獲得污染狀況。
放大·觀察：衛(wèi)星遙感監(jiān)測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
灰霾是一種大氣現(xiàn)象，衛(wèi)星遙感監(jiān)測可以獲得灰霾的分布范圍，即利用美國NASA（National Aeronautics and Space Adminis-tration）的Terra和Aqua衛(wèi)星搭載的MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradi-ometer）載荷的可見光數(shù)據(jù)、短波紅外和紅外數(shù)據(jù)，我國風云衛(wèi)星FY3-A、B和C衛(wèi)星搭載的MERSI (Medium Resolution Spectral Imager)載荷可見光與短波紅外等數(shù)據(jù)，通過反射率、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（見圖1a真彩圖）進行區(qū)分，從而獲得灰霾分布范圍（見圖1c）。
國際上常用的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公布的氣溶膠光學厚度（AOD），其在灰霾分布地區(qū)缺少反演結果。針對這一個問題對氣溶膠反演方法進行改進，根據(jù)霾污染條件下氣溶膠粒子的特性，結合先驗地表信息，利用MODIS數(shù)據(jù)實現(xiàn)灰霾氣溶膠光學厚度的反演（見圖1d）。
（2）可吸入顆粒物質量濃度的衛(wèi)星遙感監(jiān)測
衛(wèi)星難以直接觀測近地面的顆粒物質量濃度，通；诖髿庹麑託馊苣z信息提取近地面顆粒物含量。即基于衛(wèi)星觀測的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_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，結合衛(wèi)星反演的AOD估算每個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量濃度之間的相關模型，反演出區(qū)域近地面顆粒物干質量濃度。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別與氣溶膠光學厚度反演結果分布圖
從圖中可以明顯看出整個北京市區(qū)空間連續(xù)的PM10與PM2.5分布，其質量濃度與市區(qū)及城鎮(zhèn)分布、機場與工業(yè)區(qū)等分布高度相關。
圖2.基于MODIS 1km氣溶膠光學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
污染氣體二氧化氮、二氧化硫和臭氧的探測主要通過紫外和可見光波段的高光譜探測，利用污染氣體各自的吸收光譜，反演對流層污染氣體的柱濃度。目前在軌運行的衛(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。我國將要發(fā)射的高分五號衛(wèi)星差分吸收光譜儀類似于OMI載荷，可以用于污染氣體的監(jiān)測。圖3是利用OMI載荷數(shù)據(jù)反演的2009年中國地區(qū)二氧化氮和二氧化硫對流層柱濃度分布圖。圖3表明我國華北平原、長江三角洲地區(qū)和關中平原的污染已經(jīng)成片分布，珠三 角、成都、重慶、長沙、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一氧化碳濃度反演的影響問題。目前在軌運行的熱紅外載荷有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年中國地區(qū)二氧化氮（左）、二氧化硫（中）對流層柱濃度和邊界層一氧化碳濃度（右）分布
霧霾是一個全球性的問題，倫敦治理霧霾用了近50年時間，針對我國有的專家預測需要15-20年的時間，那么如何打贏這場持久戰(zhàn)是各級政府、相關領域專家及企業(yè)一直思考的問題。
