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）。
每年的秋冬時節(jié)，是北京進入“十面霾伏”的多發(fā)季節(jié)。
如何監(jiān)測霧霾，以尋找應對之策，不僅是老百姓關(guān)切的話題，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)測技術(shù)，正成為我國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?！苯?，北京市環(huán)境監(jiān)測中心遙感室主任李令軍在接受記者采訪時，指著電腦上的一張衛(wèi)星監(jiān)測圖片介紹說。
近年來，憑借衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)，北京市環(huán)境保護監(jiān)測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程，并且動態(tài)監(jiān)控沙塵、秸稈焚燒等大氣污染來源。并構(gòu)建了覆蓋北京及周邊地區(qū)3年3個級別60余種，共計30TB（計算機存儲容量單位）的專題產(chǎn)品遙感數(shù)據(jù)庫。項目實施以來，共上報秸稈焚燒、沙塵、大氣面源以及空氣重污染等監(jiān)測簡報與遙感報告幾百份，已在京津冀環(huán)保部門廣泛應用。他們所承擔的“北京地區(qū)空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測技術(shù)與工程化應用”項目榮獲2014年度北京市科學技術(shù)獎二等獎。
從“面”上觀測空氣質(zhì)量
衛(wèi)星環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)在北京的應用始于2002年。
“當時我們首次建立衛(wèi)星接收處理系統(tǒng)，嘗試利用遙感手段進行環(huán)境監(jiān)測?！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)測為主。”
2012年，監(jiān)測中心承擔了“北京地區(qū)空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測技術(shù)與工程化應用”重點項目，開始全面推動遙感技術(shù)在大區(qū)域尺度空氣質(zhì)量監(jiān)測的業(yè)務應用。如今，監(jiān)測中心基于MODIS、OMI、AIRS等衛(wèi)星傳感器，可以進行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)務的動態(tài)監(jiān)測。
“我們已經(jīng)構(gòu)建起覆蓋北京地區(qū)的3年3個級別60余種共計30TB（計算機存儲容量單位）的專題產(chǎn)品遙感數(shù)據(jù)庫，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。
對于空氣質(zhì)量監(jiān)測，目前國內(nèi)主要是基于地面固定站點的觀測儀器獲取大氣污染物的濃度，但是站點的觀測結(jié)果只能代表站點所在區(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個自動監(jiān)測站，可以連續(xù)不斷地自動分析出空氣中顆粒物的濃度及其化學組分?！崩盍钴姼嬖V記者，自動監(jiān)測站是現(xiàn)在最常見的監(jiān)測方法，但分布并不均勻，這些監(jiān)測站集中在城鎮(zhèn)，廣大的農(nóng)村、邊遠山區(qū)覆蓋較少。
而衛(wèi)星遙感監(jiān)測正好彌補了監(jiān)測點分布不均的問題。通過衛(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程，能更宏觀地從“面”上觀測空氣質(zhì)量。
李令軍介紹說，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測灰霾，可以收集到區(qū)域連續(xù)的監(jiān)測數(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)測密度是普通地面監(jiān)測站點不能覆蓋的。不僅如此，遙感監(jiān)測還可以實現(xiàn)氣溶膠光學厚度（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，而這些都是灰霾觸發(fā)的重要物質(zhì)來源，對于灰霾預測預警有著極大的作用。
“如果蒙古國起沙了，監(jiān)測中心就會根據(jù)沙塵遷移變化的實時遙感監(jiān)測結(jié)合大氣流場預測，判斷能否影響到北京地區(qū)?！崩盍钴娬f，遙感監(jiān)測能反映污染物的傳輸、積累過程，有助于認識污染形成和變化的過程和規(guī)律，從而對未來的空氣狀況進行預測和預警。
當然，要做到對北京大氣污染的精確監(jiān)測，只依靠對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)并不準確，必須要“點面結(jié)合”，需要近地面實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的校核驗證。
“遙感監(jiān)測和地面監(jiān)測相比精度還是略差一點。雖然范圍廣、監(jiān)測效率高，但PM2.5等污染物的具體評價濃度還是以近地面監(jiān)測數(shù)據(jù)為準?！崩盍钴娬f。
在多項技術(shù)上實現(xiàn)重大創(chuàng)新
然而，對于用衛(wèi)星直接監(jiān)測霧霾，并用來分析、預測，這在國際上也屬于前沿科學，全球還主要處于研究階段，業(yè)務化應用不多。
“國際上現(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研究試驗模型，計算耗時、效率較低，在空氣環(huán)境質(zhì)量遙感監(jiān)測的業(yè)務應用上適用性較差?！崩盍钴娬f。
項目團隊面臨著無先例可參考，需要自己趟出一條路來的艱難。最終，年輕的項目團隊精誠合作，逐個擊破了各項技術(shù)難題。
他們集成基于國內(nèi)外十余顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)的共20余套反演算法，并通過關(guān)鍵技術(shù)突破與優(yōu)化改進，與國際同類研究相比在多項算法上實現(xiàn)了重大創(chuàng)新。
他們在國內(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)務化監(jiān)測，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)測的關(guān)鍵問題，開創(chuàng)了300米分辨率的氣溶膠光學厚度反演技術(shù)，城市地區(qū)精度達85%，推動了我國環(huán)境衛(wèi)星HJ-1A/B寬覆蓋CCD數(shù)據(jù)對大氣污染的監(jiān)測作用。
他們還創(chuàng)新性發(fā)展了適用于大區(qū)域PM2.5的衛(wèi)星遙感機理模型與反演技術(shù)，實現(xiàn)了城市群PM2.5衛(wèi)星遙感監(jiān)測，精度可達70%以上，與地面PM2.5站點網(wǎng)絡結(jié)合，為北京地區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測提供基本信息支持。
他們并且在國際上首次實現(xiàn)了灰霾衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)，解決了國際上缺乏灰霾組分模式和反演方法的難點問題，填補了我國環(huán)境空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測的空白。
“發(fā)達國家沒有灰霾，國際氣象組織的氣溶膠組分構(gòu)成中也沒有灰霾這一類型的氣溶膠組成模式，國際上現(xiàn)有的氣溶膠算法不能有效處理我國經(jīng)常出現(xiàn)的灰霾污染?！崩盍钴娊榻B說。
針對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世界性難題，項目團隊提出了新思路，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題。
他們還突破了衛(wèi)星遙感復雜模型與海量科學計算的工程化技術(shù)瓶頸，顯著提升運行效率，創(chuàng)新性的解決了快速實時遙感反演的工程化技術(shù)難點，將氣溶膠產(chǎn)品計算耗時由30分鐘縮短到2分鐘以內(nèi)，將大氣拉曼散射的計算時間縮短為原來的千分之一。
“這次我們在計算方法上做了創(chuàng)新?！崩盍钴娬f，衛(wèi)星的“照像”速度非?？欤b感傳回的數(shù)據(jù)量卻很大，整軌數(shù)據(jù)在1G左右。過去分析這些數(shù)據(jù)需要三四個小時，通過技術(shù)改進，現(xiàn)在只要幾分鐘就可計算完成，這對今后實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測具有重大意義。
讓所有污染源都“現(xiàn)原形”
衛(wèi)星遙感監(jiān)測除了能讓灰霾“無處可逃”外，還開創(chuàng)了建筑揚塵、平房燃煤、農(nóng)業(yè)等面源的高分衛(wèi)星動態(tài)監(jiān)測技術(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，利用不同特點的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，遙感監(jiān)測還可以實現(xiàn)對區(qū)域林地、草地、耕地、濕地等監(jiān)測。利用高分辨率的衛(wèi)星傳感器，遙感監(jiān)測可以監(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的衛(wèi)星照相機鏡頭前，全北京的混凝土攪拌站無處遁形?！澳男嚢枵驹诠ぷ?，哪些攪拌站是否是違規(guī)建設，衛(wèi)星圖像清清楚楚?！崩盍钴娬f。
據(jù)悉，監(jiān)測中心會將衛(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)果及時提交給北京市環(huán)保局總量處與北京市環(huán)境監(jiān)察總隊，配合環(huán)境監(jiān)察總隊進行建筑裸地違規(guī)查處工作，配合總量處進行面源污染排放環(huán)境統(tǒng)計。
此外，衛(wèi)星遙感監(jiān)測通過對PM2.5前體物NO2、SO2的遙感觀測，可動態(tài)監(jiān)測和評估汽車尾氣和工業(yè)燃煤排放在北京地區(qū)大氣污染中的相對貢獻，可為排放源控制、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級決策提供基本信息支持。
“我們利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，實現(xiàn)了北京市裸地揚塵、平房燃煤的動態(tài)監(jiān)測，為環(huán)境執(zhí)法和環(huán)境統(tǒng)計提供依據(jù)。”李令軍說，建筑工地是一個容易產(chǎn)生揚塵的場所，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)測中心會對北京及周邊的農(nóng)業(yè)用地基于衛(wèi)星遙感進行每天的火點遙感監(jiān)測，并且會結(jié)合農(nóng)作物種植，提前做預評估，為監(jiān)管工作提供一手信息來源。
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，而是一個區(qū)域的問題，需要聯(lián)動地看?！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)測圖片中的一大塊灰色地帶說。
據(jù)了解，項目實施以來，監(jiān)測中心共上報秸稈焚燒、沙塵、大氣面源以及空氣重污染等監(jiān)測簡報與遙感報告數(shù)百份，持續(xù)支撐了北京及周邊省、市、各級環(huán)保部門的環(huán)境監(jiān)管工作，已在北京、天津、河北等省市環(huán)保部門廣泛應用。
“我們利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，監(jiān)控整個北京甚至京津冀的空氣質(zhì)量及其污染來源，比如哪兒燒秸稈了，我們一目了然?！崩盍钴娬f。
此外，相關(guān)遙感監(jiān)測成果多次以環(huán)保信息、工作簡報、專項報告等形式報送國務院辦公廳、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)測范圍已經(jīng)擴大到京津冀及周邊7省區(qū)市，將山東、山西、內(nèi)蒙古、河南也包含其中。”
