遥感监测细说那些被粗放式经营毁掉的清新空气（上）
来源：中科宇图天下科技有限公司 阅读：2466 更新时间：2014-08-20 11:51
由中国科学院遥感与数字地球研究所，遥感科学国家重点实验室陈良富，陶金花，王子峰提供文章来源。
大气灰霾问题已经成为“人不分贵贱、地不分南北”的社会焦点，其监测、预测及治理越来越得到社会各界的关注，党中央国务院也高度重视，将其提升到国家生态文明的战略高度，并于2013年9月颁布了《大气污染防治行动计划》。
北京及周边6省市分别立下了大气污染治理的军令状，而且全国近24省市自治区将大气灰霾治理纳入2014年的重要工作。李克强总理在政府工作报告当中明确提出了“要向对贫困宣战一样，坚决向污染宣战；向雾霾宣战，不能等风盼雨，要主动出击。”实际上我国严重的大气污染是长期粗放式经营方式导致的，要彻底根治雾霾污染既要从长计议，开展节能减排，调整产业结构和能源结构；又需要针对目前严重的污染态势，开展大气污染与排放源的监测，为污染进一步有效治理与污染预警提供依据。目前国家部署的地面站点监测网，配合卫星监测就可以在全国范围内获得污染状况。
放大·观察：卫星遥感监测下的霾污染成分再现
（1）灰霾分布与气溶胶卫星遥感监测
灰霾是一种大气现象，卫星遥感监测可以获得灰霾的分布范围，即利用美国NASA（National Aeronautics and Space Adminis-tration）的Terra和Aqua卫星搭载的MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradi-ometer）载荷的可见光数据、短波红外和红外数据，我国风云卫星FY3-A、B和C卫星搭载的MERSI (Medium Resolution Spectral Imager)载荷可见光与短波红外等数据，通过反射率、雾霾顶部亮温与气压以及云相态等差异，将霾分布和雾、低云与高云等（见图1a真彩图）进行区分，从而获得灰霾分布范围（见图1c）。
国际上常用的MODIS气溶胶产品利用地面反射较小暗像元获得颗粒污染物的消光特性分布，但仅在大气污染较轻的晴空状况有效，难以适用于灰霾重污染条件。图1b为NASA公布的气溶胶光学厚度（AOD），其在灰霾分布地区缺少反演结果。针对这一个问题对气溶胶反演方法进行改进，根据霾污染条件下气溶胶粒子的特性，结合先验地表信息，利用MODIS数据实现灰霾气溶胶光学厚度的反演（见图1d）。
（2）可吸入颗粒物质量浓度的卫星遥感监测
卫星难以直接观测近地面的颗粒物质量浓度，通常基于大气整层气溶胶信息提取近地面颗粒物含量。即基于卫星观测的AOD，利用气溶胶垂直分布信息估算近地面气溶胶消光系数。可利用地基激光雷达与大气模式分别获得局地和区域范围的气溶胶垂直分布的信息，结合卫星反演的AOD估算每个像元的近地面气溶胶消光系数。由于大量可溶性成分的存在，气溶胶粒子的消光特性在不同湿度下变化较大，因此要将卫星估算的近地面消光系数中的湿度影响去除。最后基于近地面气溶胶消光特性与颗粒物质量浓度之间的相关模型，反演出区域近地面颗粒物干质量浓度。图2是基于MODIS反演的AOD，经垂直订正与湿度订正后获得近地面PM10与PM2.5浓度分布。
图1.华北地区灰霾气溶胶分布的识别与气溶胶光学厚度反演结果分布图
从图中可以明显看出整个北京市区空间连续的PM10与PM2.5分布，其质量浓度与市区及城镇分布、机场与工业区等分布高度相关。
图2.基于MODIS 1km气溶胶光学厚度估算的北京市区近地面颗粒物浓度，其中左图为估算的PM10分布，右图为估算的PM2.5分布。
（3）污染气体卫星遥感监测
污染气体二氧化氮、二氧化硫和臭氧的探测主要通过紫外和可见光波段的高光谱探测，利用污染气体各自的吸收光谱，反演对流层污染气体的柱浓度。目前在轨运行的卫星载荷包括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）等数据，均可用于这几种污染气体的反演。我国将要发射的高分五号卫星差分吸收光谱仪类似于OMI载荷，可以用于污染气体的监测。图3是利用OMI载荷数据反演的2009年中国地区二氧化氮和二氧化硫对流层柱浓度分布图。图3表明我国华北平原、长江三角洲地区和关中平原的污染已经成片分布，珠三 角、成都、重庆、长沙、武汉以及乌鲁木齐等城市和地区也具有较高的二氧化氮浓度值（图3左）；二氧化硫柱浓度值较高的地区主要集中在西南地区、华北地区等（图3中）。利用热红外高光谱载荷可反演一氧化碳，即利用一氧化碳的热红外吸收通道，解决大气温度与湿度变化对一氧化碳浓度反演的影响问题。目前在轨运行的热红外载荷有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。下图3右是基于AIRS红外高光谱数据反演获得的2009年一氧化碳浓度分布。
图3. 2009年中国地区二氧化氮（左）、二氧化硫（中）对流层柱浓度和边界层一氧化碳浓度（右）分布
雾霾是一个全球性的问题，伦敦治理雾霾用了近50年时间，针对我国有的专家预测需要15-20年的时间，那么如何打赢这场持久战是各级政府、相关领域专家及企业一直思考的问题。
