一種基于遙感的灰霾排放源區尋找方法

趙春雷 范俊紅 董航宇 李江浩

1河北省氣象科學研究所 2河北省氣象臺 3河北省氣象與生態環境重點實驗室（石家莊，050021）

一種基于遙感的灰霾排放源區尋找方法

趙春雷1,3范俊紅2董航宇1李江浩2

1河北省氣象科學研究所 2河北省氣象臺 3河北省氣象與生態環境重點實驗室（石家莊，050021）

利用多源衛星遙感資料、氣象地面常規觀測資料等，通過對2013年11月8—14日京津冀灰霾天氣從重、無到再現的過程中氣象資料和衛星資料的對比分析，試圖找出灰霾的可能排放源區。結果表明：冷空氣過境前，灰霾范圍最大，主要分布在京津冀的中南部地區，較重區域分布于沿高速和河北省中南部城市群的沿線及周邊；對于范圍大、強度強的灰霾，MODIS衛星監測和氣象臺站觀測結果比較吻合，但范圍小、強度弱的灰霾MODIS衛星監測彌補了氣象臺站觀測不出來的不足；對于范圍大、強度強的灰霾，地面風場一般都有輻合配合；冷空氣過后灰霾的首要顯現區十分明顯，并且灰霾在風的作用下擴散的起始位置也在于此，就可以鎖定灰霾首要顯現區，再利用高分辨率衛星進行污染源區的具體定位，為地方政府和相關部門進行針對性治理提供科學依據。

遙感 天氣過程 灰霾 監測 源區

1、引言

霾是一種自然現象,人類活動加劇了這種現象的危害程度。近年來，頻繁出現的霧霾天氣我國中東部大部地區，廣大民眾身受其苦。石元春[1]認為工業化過程中,由于大量使用化石能源和排放到空氣中的細顆粒物導致有毒霧霾。隨著全球經濟的不斷發展,工業和生活污染物的大氣排放總量不斷增加,范圍繼續擴大,灰霾日趨嚴重。

近年來越來越多的學者致力于霧霾的物理、化學和天氣成因的研究上[2-4]。中國科學院“大氣灰霾追因與控制”專項組公布的最新研究[5]結果認為013年1月份的霧霾天氣是異常天氣形勢造成中東部大氣穩定、人為污染排放、浮塵和豐富水汽共同作用的結果，是一次自然因素和人為因素共同作用的事件。經過源解析技術得知，灰霾中主要的4類有機組分中的烴類有機顆粒物主要來自于汽車尾氣和燃煤。汽車的使用已經很普及，主要集中在城市群和公路，燃煤的排放基本都是固定的排放源。張小曳等[6]指出霧-霾的主因是嚴重的氣溶膠污染，同時氣象條件對其形成、分布、維持與變化的作用顯著。

利用遙感數據可以對影響范圍廣、時間變化快的灰霾進行多維的動態監測。姜杰等[7]論述了基于圖像變換的TC法、H0T法和基于反演氣溶膠光學厚度的灰霾遙感監測技術，以及造成灰霾天氣的秸稈燃燒遙感監測方法。許多學者[8-10]研究了遙感技術在霧、霾監測中的應用，指出遙感技術是灰霾監測的重要途徑。

本文以2013年11月8—14日兩次冷空氣活動為線索，結合遙感監測的灰霾區域，監測灰霾區從重到輕，從輕到無，從無到有的變化過程，通過分析灰霾的生消特征來尋找和確定灰霾排放的源區。

2、資料

本文研究所用資料有2013年11月8—14日11時和14時氣象地面常規觀測資料，包括地面氣壓（hPa）、能見度（km）和風（m/s）等，因為11時和14時地面相對濕度一般在80%以下，所以可以用能見度一個要素就可以判斷灰霾天氣；E0S/M0DIS衛星、中國環境資源衛星和高分一號衛星資料；基礎地理信息數據等。

3、冷空氣前后灰霾分布與氣象條件的關系

3.1 灰霾的天氣背景

由圖1可知，2013年11月8—14日，有兩次冷鋒影響京津冀。8日14時，冷鋒位于中蒙邊界，京津冀處于冷鋒前，氣壓場比較弱，地面風速較小，不利于污染物的擴散，利于霾的形成；10日14時，地面冷鋒東移南下，京津冀位于冷鋒后部，地面等壓線密集、梯度大，地面西北風加大，有利于污染物的擴散，利于霾的消散；11日14時，補充冷空氣前鋒位于中蒙邊界，京津冀位于冷鋒前部，氣壓場較弱，同時處于低壓槽中，地面氣壓梯度較10日減小，利于霾形成；14日11時，補充的冷空氣前鋒移過京津冀，地面氣壓梯度加大，地面西北風加大，利于污染物擴散，霾減弱消散。

3.2 冷空氣前后灰霾分布

遙感監測就是通過探測遠距離物體反射、散射和發射的電磁波,從而提取這些物體的信息,對其進行識別、分析、判斷的監測手段,不需要采樣就可以獲得區域性污染范圍、分布、擴散等綜合信息。

灰霾主要是由空氣中細氣溶膠粒子構成，它對太陽光譜的可見光波段有強烈的散射，平時人眼感受到的“灰蒙蒙”的灰霾天，也是這種可見光的散射現象導致的。基于此特點本文利用M0DIS數據，通過多波段閾值方法在E0S/M0DIS衛星過境后提取了京津冀灰霾的發生區域（圖2）。

從2013年11月08—14日M0DIS監測的京津冀灰霾分布（圖2）來看，京津冀灰霾范圍經歷了由大到小，再到大的過程。8日14時，冷空氣來之前，北京、天津和河北省中南部大部分地區都監測到了霾，較重區域分布于沿高速和河北省中南部城市群的沿線及周邊（圖2a虛線橢圓范圍）。10日14時，冷空氣過后，京津冀霾的范圍減小，僅存在于北京南部（圖2b虛線橢圓范圍）和河北省南部地區；11日14時，冷空氣過后24小時之后，京津冀的風速變小，在偏西風的作用下，10日14時位于北京南部的小范圍霾向東擴散至天津、廊坊、唐山和秦皇島西部，京津冀霾的范圍擴大（圖2c虛線橢圓范圍）。14日11時，當補充的冷空氣下來后，京津冀區域風加大，原位于東部的霾大部分被風驅散到海上，只有在北京與河北交界的地區監測到西北—東南向的與風向一致的霾（圖2d虛線橢圓范圍）。

3.3 灰霾分布與地面風場關系

圖3為2013年11月8日—14日地面風場和＜10km能見度分布。8日14時，從北京向南有東北風和西南風風輻合線，在輻合線附近氣象測站的能見度＜10km，有灰霾，與圖2a中M0DIS衛星監測到的灰霾區域比較一致；10日14時，冷鋒剛過境，地面風速大，將灰霾驅散，氣象測站能見度變好，沒有觀測到能見度＜10km，但圖2b中北京南部和河北省南部都還有弱的灰霾；11時14時，但在偏西風作用下，圖2c監測到從北京向東灰霾區域擴大，可以看出M0DIS衛星可以檢測到弱的灰霾區；14日11時，補充冷空氣下來后，京津冀大部分地區地面西北風加大，但從北京南部向東南方向倒滄州西部西北風風速較小，并在氣象站點觀測到了霾區，與圖2d監測到的霾區一致。從以上分析可知，范圍大、強度重的灰霾對應地面風場的輻合區；冷空氣過境24小時內，霾比較弱，并沿風的方向擴散，霾范圍擴大。

4、灰霾源區的追蹤

4.1 灰霾擴散

從圖2b—圖2c，位于北京南部的灰霾在偏西風的作用下，向東擴散至廊坊、天津、唐山和秦皇島西部；從圖2d可以看出，在西北風的作用下，從北京南部向東南到滄州西部的灰霾區是從北京南部擴散所致。

4.2 灰霾源區追蹤

2013年11月8日-10日京津冀區域經歷了一次冷空氣過程后，10日14時灰霾消散，北京南部出現的局地灰霾作為灰霾首先出現的地方，11日14時由北京向東擴散；另外14日11時京津冀經歷了又一次冷空氣后，首先出現霧霾的地方在北京南部，并沿西北風向東南擴散。兩次冷空氣過后灰霾的首要顯現區十分明顯，并且灰霾在風的作用下擴散的起始位置也在于此。從分辨率為30米的2013年11月14日10時22分的中國環境減災衛星4、3、2通道合成圖（圖4），可以明顯看到從北京到河北的一條東北西南走向的灰霾帶。鎖定灰霾的首要顯現區，然后再對該區域應用高分一號衛星2米分辨率數據融合3、2、1通道合成圖（圖5），尋找到灰霾的排放源在北京境內。

5、結論

（1）基于M0DIS等衛星數據對京津冀區域灰霾進行監測，并對兩次冷空氣過境前后的灰霾范圍、擴散等進行分析，冷空氣過境前，灰霾范圍最大，主要分布在京津冀的中南部地區，較重區域分布于沿高速和河北省中南部城市群的沿線及周邊。

（2）對于范圍大、強度強的灰霾，M0DIS衛星監測和氣象臺站觀測結果比較吻合，但范圍小、強度弱的灰霾M0DIS衛星監測彌補了氣象臺站觀測不出來的不足。

（3）對于范圍大、強度強的灰霾，地面風場一般都有輻合配合；而對于強度弱、范圍小的灰霾，地面一般為風向一致的風場。

（4）冷空氣過境后將京津冀所有區域都重置到零污染的共同環境下，區域內各地均處在空氣質量較好的本底大氣環境下。兩次冷空氣過后灰霾的首要顯現區十分明顯，并且灰霾在風的作用下擴散的起始位置也在于此，就可以鎖定灰霾首要顯現區，再利用高分辨率衛星進行污染源區的具體定位。

（5）本次過程的分析得到的污染排放源位置中心點坐標東經115°58′，北緯39°54′。基于天氣過程和衛星遙感的灰霾源區監測方法可為地方政府尋找污染源提供方向，為地方政府和相關部門的污染治理提供科學依據。

[2]楊軍,牛忠清,石春娥,等.南京冬季霧霾過程中氣溶膠粒子的微物理特征.環境科學,2010,31（7）∶1425-1431.

[3]周巧蘭,束炯,王堅捍.上海地區能見度特征分析[J].氣象與環境科學, 2009, 32(2)∶ 27-29.

[4]孫燕,張備.南京及周邊地區一次嚴重煙霾天氣的分析[J].高原氣,2010,29(3)∶794-800.

[5]中科院戰略性先導科技專項“大氣灰霾追因與控制”最新研究結果.

[6]張小曳,孫俊英,王亞強,等.我國霧-霾成因及其治理的思考.科學通報,2013,58（13）∶1178-1187.

[7]姜杰,查勇,袁杰,等.遙感技術在灰霾監測中的應用綜述.環境監測管理與技術,2011,23（2）∶1518.

[8]Jun L, Suzanne W. Seemann, W. Paul Menzel, Liam E. Gumley .0perational Retrieval of Atmospheric Temperature, Moisture, and 0zone from M0DIS Infrared Radiances[J]. Journal of Applied Meteorology, 2002,6.

[9] RAMANATHAN V, RAMANAM V, R0BERTS G, et a.l War-ming trends in Asia amplified by brown cloud solar absorption[J].Nature, 2007, 448(7153)∶ 575-578.

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的產生機理及應對策略研究，石元春，

∶F205，

∶A

∶1673-7598(2013)04-001-04