抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵前后京津冀PM2.5減排效果圖。上為措施前(8月1日—19日)，下為措施后（8月20日—9月3日）。
每年的秋冬時(shí)節(jié)，是北京進(jìn)入“十面霾伏”的多發(fā)季節(jié)。
如何監(jiān)測(cè)霧霾，以尋找應(yīng)對(duì)之策，不僅是老百姓關(guān)切的話(huà)題，也是科研工作者們致力攻克的技術(shù)難題。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，正成為我國(guó)治理大氣污染的新興手段。
“抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵期間，區(qū)域大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，京津冀及周邊地區(qū)大氣PM2.5濃度同步出現(xiàn)了不同程度的下降，各地空氣質(zhì)量都得到了明顯改善，減排措施十分給力。”近日，北京市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心遙感室主任李令軍在接受記者采訪(fǎng)時(shí)，指著電腦上的一張衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖片介紹說(shuō)。
近年來(lái)，憑借衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心能提供北京及周邊6省區(qū)、市PM2.5、PM10等大氣污染物的空間分布和變化過(guò)程，并且動(dòng)態(tài)監(jiān)控沙塵、秸稈焚燒等大氣污染來(lái)源。并構(gòu)建了覆蓋北京及周邊地區(qū)3年3個(gè)級(jí)別60余種，共計(jì)30TB（計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量單位）的專(zhuān)題產(chǎn)品遙感數(shù)據(jù)庫(kù)。項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，共上報(bào)秸稈焚燒、沙塵、大氣面源以及空氣重污染等監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)與遙感報(bào)告幾百份，已在京津冀環(huán)保部門(mén)廣泛應(yīng)用。他們所承擔(dān)的“北京地區(qū)空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)與工程化應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲2014年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
從“面”上觀(guān)測(cè)空氣質(zhì)量
衛(wèi)星環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在北京的應(yīng)用始于2002年。
“當(dāng)時(shí)我們首次建立衛(wèi)星接收處理系統(tǒng)，嘗試?yán)眠b感手段進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)?！崩盍钴姼嬖V記者，“初期主要以沙塵污染、秸稈焚燒、PM10等監(jiān)測(cè)為主?！?/p>
2012年，監(jiān)測(cè)中心承擔(dān)了“北京地區(qū)空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)與工程化應(yīng)用”重點(diǎn)項(xiàng)目，開(kāi)始全面推動(dòng)遙感技術(shù)在大區(qū)域尺度空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。如今，監(jiān)測(cè)中心基于MODIS、OMI、AIRS等衛(wèi)星傳感器，可以進(jìn)行PM2.5、NO2等多種大氣污染物、霧霾分布、沙塵傳輸、秸稈焚燒、城市熱島、植被指數(shù)等一系列區(qū)域大氣污染和生態(tài)環(huán)境遙感業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
“我們已經(jīng)構(gòu)建起覆蓋北京地區(qū)的3年3個(gè)級(jí)別60余種共計(jì)30TB（計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量單位）的專(zhuān)題產(chǎn)品遙感數(shù)據(jù)庫(kù)，積累了北京及周邊最齊全的大氣遙感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為大氣污染防治提供信息支撐?！崩盍钴娬f(shuō)。
對(duì)于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，目前國(guó)內(nèi)主要是基于地面固定站點(diǎn)的觀(guān)測(cè)儀器獲取大氣污染物的濃度，但是站點(diǎn)的觀(guān)測(cè)結(jié)果只能代表站點(diǎn)所在區(qū)域一定范圍內(nèi)的大氣污染情況，難以全方位反映區(qū)域大氣污染特征。
“全北京分布著35個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，可以連續(xù)不斷地自動(dòng)分析出空氣中顆粒物的濃度及其化學(xué)組分?！崩盍钴姼嬖V記者，自動(dòng)監(jiān)測(cè)站是現(xiàn)在最常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)方法，但分布并不均勻，這些監(jiān)測(cè)站集中在城鎮(zhèn)，廣大的農(nóng)村、邊遠(yuǎn)山區(qū)覆蓋較少。
而衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)正好彌補(bǔ)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布不均的問(wèn)題。通過(guò)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可以快速反映區(qū)域PM2.5的空間分布和變化過(guò)程，能更宏觀(guān)地從“面”上觀(guān)測(cè)空氣質(zhì)量。
李令軍介紹說(shuō)，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)灰霾，可以收集到區(qū)域連續(xù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通常每平方公里就能獲取一組數(shù)據(jù)，這樣的監(jiān)測(cè)密度是普通地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不能覆蓋的。不僅如此，遙感監(jiān)測(cè)還可以實(shí)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）、顆粒物（PM10、PM2.5）質(zhì)量濃度，污染氣體（SO2、NO2、CO等）柱濃度的監(jiān)測(cè)，而這些都是灰霾觸發(fā)的重要物質(zhì)來(lái)源，對(duì)于灰霾預(yù)測(cè)預(yù)警有著極大的作用。
“如果蒙古國(guó)起沙了，監(jiān)測(cè)中心就會(huì)根據(jù)沙塵遷移變化的實(shí)時(shí)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)合大氣流場(chǎng)預(yù)測(cè)，判斷能否影響到北京地區(qū)?！崩盍钴娬f(shuō)，遙感監(jiān)測(cè)能反映污染物的傳輸、積累過(guò)程，有助于認(rèn)識(shí)污染形成和變化的過(guò)程和規(guī)律，從而對(duì)未來(lái)的空氣狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警。
當(dāng)然，要做到對(duì)北京大氣污染的精確監(jiān)測(cè)，只依靠對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，必須要“點(diǎn)面結(jié)合”，需要近地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的校核驗(yàn)證。
“遙感監(jiān)測(cè)和地面監(jiān)測(cè)相比精度還是略差一點(diǎn)。雖然范圍廣、監(jiān)測(cè)效率高，但PM2.5等污染物的具體評(píng)價(jià)濃度還是以近地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)?！崩盍钴娬f(shuō)。
在多項(xiàng)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)重大創(chuàng)新
然而，對(duì)于用衛(wèi)星直接監(jiān)測(cè)霧霾，并用來(lái)分析、預(yù)測(cè)，這在國(guó)際上也屬于前沿科學(xué)，全球還主要處于研究階段，業(yè)務(wù)化應(yīng)用不多。
“國(guó)際上現(xiàn)有的遙感技術(shù)可以反演部分大氣污染參數(shù)，但是許多模型不適用于我國(guó)城市地區(qū)特有的污染情況，并且現(xiàn)有的模型算法大都基于科學(xué)研究試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?jì)算耗時(shí)、效率較低，在空氣環(huán)境質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用上適用性較差?！崩盍钴娬f(shuō)。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面臨著無(wú)先例可參考，需要自己趟出一條路來(lái)的艱難。最終，年輕的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)精誠(chéng)合作，逐個(gè)擊破了各項(xiàng)技術(shù)難題。
他們集成基于國(guó)內(nèi)外十余顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)的共20余套反演算法，并通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)突破與優(yōu)化改進(jìn)，與國(guó)際同類(lèi)研究相比在多項(xiàng)算法上實(shí)現(xiàn)了重大創(chuàng)新。
他們?cè)趪?guó)內(nèi)率先將1公里的MODIS氣溶膠產(chǎn)品用于區(qū)域環(huán)境的業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)，發(fā)展了城市地區(qū)高反射率地表氣溶膠反演技術(shù)，解決了衛(wèi)星產(chǎn)品用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)創(chuàng)了300米分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度反演技術(shù)，城市地區(qū)精度達(dá)85%，推動(dòng)了我國(guó)環(huán)境衛(wèi)星HJ-1A/B寬覆蓋CCD數(shù)據(jù)對(duì)大氣污染的監(jiān)測(cè)作用。
他們還創(chuàng)新性發(fā)展了適用于大區(qū)域PM2.5的衛(wèi)星遙感機(jī)理模型與反演技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了城市群PM2.5衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，精度可達(dá)70%以上，與地面PM2.5站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，為北京地區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供基本信息支持。
他們并且在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了灰霾衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，解決了國(guó)際上缺乏灰霾組分模式和反演方法的難點(diǎn)問(wèn)題，填補(bǔ)了我國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)的空白。
“發(fā)達(dá)國(guó)家沒(méi)有灰霾，國(guó)際氣象組織的氣溶膠組分構(gòu)成中也沒(méi)有灰霾這一類(lèi)型的氣溶膠組成模式，國(guó)際上現(xiàn)有的氣溶膠算法不能有效處理我國(guó)經(jīng)常出現(xiàn)的灰霾污染?！崩盍钴娊榻B說(shuō)。
針對(duì)灰霾組分模式的未知和灰霾狀況下地表反射噪聲估算難度較大兩個(gè)世界性難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了新思路，采用灰霾顆粒物組分電鏡掃描、多角度衛(wèi)星反演硫酸鹽等可溶性鹽和大氣化學(xué)模式CAMQ模擬灰霾組分等綜合技術(shù)手段，解決了灰霾氣溶膠模式問(wèn)題。
他們還突破了衛(wèi)星遙感復(fù)雜模型與海量科學(xué)計(jì)算的工程化技術(shù)瓶頸，顯著提升運(yùn)行效率，創(chuàng)新性的解決了快速實(shí)時(shí)遙感反演的工程化技術(shù)難點(diǎn)，將氣溶膠產(chǎn)品計(jì)算耗時(shí)由30分鐘縮短到2分鐘以?xún)?nèi)，將大氣拉曼散射的計(jì)算時(shí)間縮短為原來(lái)的千分之一。
“這次我們?cè)谟?jì)算方法上做了創(chuàng)新?！崩盍钴娬f(shuō)，衛(wèi)星的“照像”速度非?？?，但遙感傳回的數(shù)據(jù)量卻很大，整軌數(shù)據(jù)在1G左右。過(guò)去分析這些數(shù)據(jù)需要三四個(gè)小時(shí)，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，現(xiàn)在只要幾分鐘就可計(jì)算完成，這對(duì)今后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重大意義。
讓所有污染源都“現(xiàn)原形”
衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)除了能讓灰霾“無(wú)處可逃”外，還開(kāi)創(chuàng)了建筑揚(yáng)塵、平房燃煤、農(nóng)業(yè)等面源的高分衛(wèi)星動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，為從區(qū)域尺度監(jiān)管潛在污染源提供技術(shù)支持，極大地提高了執(zhí)法能力。
比如說(shuō)，利用不同特點(diǎn)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，遙感監(jiān)測(cè)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域林地、草地、耕地、濕地等監(jiān)測(cè)。利用高分辨率的衛(wèi)星傳感器，遙感監(jiān)測(cè)可以監(jiān)控全北京的混凝土攪拌站和建筑裸地。
在空間分辨率可以到亞米級(jí)的衛(wèi)星照相機(jī)鏡頭前，全北京的混凝土攪拌站無(wú)處遁形?！澳男嚢枵驹诠ぷ?，哪些攪拌站是否是違規(guī)建設(shè)，衛(wèi)星圖像清清楚楚?！崩盍钴娬f(shuō)。
據(jù)悉，監(jiān)測(cè)中心會(huì)將衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)提交給北京市環(huán)保局總量處與北京市環(huán)境監(jiān)察總隊(duì)，配合環(huán)境監(jiān)察總隊(duì)進(jìn)行建筑裸地違規(guī)查處工作，配合總量處進(jìn)行面源污染排放環(huán)境統(tǒng)計(jì)。
此外，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)通過(guò)對(duì)PM2.5前體物NO2、SO2的遙感觀(guān)測(cè)，可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估汽車(chē)尾氣和工業(yè)燃煤排放在北京地區(qū)大氣污染中的相對(duì)貢獻(xiàn)，可為排放源控制、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)決策提供基本信息支持。
“我們利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了北京市裸地?fù)P塵、平房燃煤的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為環(huán)境執(zhí)法和環(huán)境統(tǒng)計(jì)提供依據(jù)。”李令軍說(shuō)，建筑工地是一個(gè)容易產(chǎn)生揚(yáng)塵的場(chǎng)所，北京每年有上億平方米的在建裸地，如果管理不好，極容易造成揚(yáng)塵，使得大氣顆粒物濃度上升。
此外，每年6月—10月，結(jié)合地面地理信息數(shù)據(jù)，北京市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心會(huì)對(duì)北京及周邊的農(nóng)業(yè)用地基于衛(wèi)星遙感進(jìn)行每天的火點(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)，并且會(huì)結(jié)合農(nóng)作物種植，提前做預(yù)評(píng)估，為監(jiān)管工作提供一手信息來(lái)源。
助力京津冀聯(lián)防聯(lián)控空氣質(zhì)量
“空氣質(zhì)量監(jiān)管不僅僅是北京的事情，而是一個(gè)區(qū)域的問(wèn)題，需要聯(lián)動(dòng)地看?！崩盍钴姼嬖V記者，在京津冀一體化的大背景下，北京周邊區(qū)域的秸稈焚燒、建筑裸地和燃煤散燒等的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將提供給京津冀及周邊地區(qū)大氣污染防治協(xié)作小組辦公室，供其決策參考。
“你看北京周邊的建筑裸地中，與北京接壤的河北區(qū)縣比較集中，其中廊坊市轄區(qū)數(shù)量最多、面積最大?！崩盍钴娭钢l(wèi)星監(jiān)測(cè)圖片中的一大塊灰色地帶說(shuō)。
據(jù)了解，項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，監(jiān)測(cè)中心共上報(bào)秸稈焚燒、沙塵、大氣面源以及空氣重污染等監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)與遙感報(bào)告數(shù)百份，持續(xù)支撐了北京及周邊省、市、各級(jí)環(huán)保部門(mén)的環(huán)境監(jiān)管工作，已在北京、天津、河北等省市環(huán)保部門(mén)廣泛應(yīng)用。
“我們利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，監(jiān)控整個(gè)北京甚至京津冀的空氣質(zhì)量及其污染來(lái)源，比如哪兒燒秸稈了，我們一目了然。”李令軍說(shuō)。
此外，相關(guān)遙感監(jiān)測(cè)成果多次以環(huán)保信息、工作簡(jiǎn)報(bào)、專(zhuān)項(xiàng)報(bào)告等形式報(bào)送國(guó)務(wù)院辦公廳、京津冀及周邊地區(qū)大氣污染防治協(xié)作小組成員單位以及北京市政府、北京市環(huán)境保護(hù)局等，為北京及區(qū)域大氣污染治理提供了重要的決策支撐。
“目前我們生成的每日京津冀PM2.5的區(qū)域數(shù)據(jù)，就是遙感數(shù)據(jù)配合地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)矯正，得到區(qū)域的PM2.5分布變化情況?！崩盍钴姳硎?，“而目前衛(wèi)星遙感主要的監(jiān)測(cè)范圍已經(jīng)擴(kuò)大到京津冀及周邊7省區(qū)市，將山東、山西、內(nèi)蒙古、河南也包含其中。”
