遙感監測細說那些被粗放式經營毀掉的清新空氣（上）
來源：中科宇圖天下科技有限公司 閱讀：2973 更新時間：2014-08-20 11:51
由中國科學院遙感與數字地球研究所，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。
大氣灰霾問題已經成為“人不分貴賤、地不分南北”的社會焦點，其監測、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文明的戰略高度，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“要向對貧困宣戰一樣，堅決向污染宣戰；向霧霾宣戰，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營方式導致的，要徹底根治霧霾污染既要從長計議，開展節能減排，調整產業結構和能源結構；又需要針對目前嚴重的污染態勢，開展大氣污染與排放源的監測，為污染進一步有效治理與污染預警提供依據。目前國家部署的地面站點監測網，配合衛星監測就可以在全國范圍內獲得污染狀況。
放大·觀察：衛星遙感監測下的霾污染成分再現
（1）灰霾分布與氣溶膠衛星遙感監測
灰霾是一種大氣現象，衛星遙感監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衛星搭載的MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradi-ometer）載荷的可見光數據、短波紅外和紅外數據，我國風云衛星FY3-A、B和C衛星搭載的MERSI (Medium Resolution Spectral Imager)載荷可見光與短波紅外等數據，通過反射率、霧霾頂部亮溫與氣壓以及云相態等差異，將霾分布和霧、低云與高云等（見圖1a真彩圖）進行區分，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數據實現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星遙感監測
衛星難以直接觀測近地面的顆粒物質量濃度，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。可利用地基激光雷達與大氣模式分別獲得局地和區域范圍的氣溶膠垂直分布的信息，結合衛星反演的AOD估算每個像元的近地面氣溶膠消光系數。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，因此要將衛星估算的近地面消光系數中的濕度影響去除。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，反演出區域近地面顆粒物干質量濃度。圖2是基于MODIS反演的AOD，經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空間連續的PM10與PM2.5分布，其質量濃度與市區及城鎮分布、機場與工業區等分布高度相關。
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）污染氣體衛星遙感監測
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）等數據，均可用于這幾種污染氣體的反演。我國將要發射的高分五號衛星差分吸收光譜儀類似于OMI載荷，可以用于污染氣體的監測。圖3是利用OMI載荷數據反演的2009年中國地區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、長江三角洲地區和關中平原的污染已經成片分布，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主要集中在西南地區、華北地區等（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紅外高光譜數據反演獲得的2009年一氧化碳濃度分布。
圖3. 2009年中國地區二氧化氮（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是各級政府、相關領域專家及企業一直思考的問題。
