大氣污染物衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)在重污染監(jiān)測預(yù)警方面的應(yīng)用

馮 琨

(山西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 太原 030027)

山西省作為全國的能源和重工業(yè)基地，在傳統(tǒng)煤煙型污染未得到徹底解決的情況下，疊加以在京津冀及其周邊、汾渭平原等區(qū)域細顆粒物(PM2.5)、臭氧(O3)為代表的區(qū)域性、復(fù)合型大氣污染[1]，因此，2018年，在全國31個省市自治區(qū)中，山西省環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)排名倒數(shù)第一位，在全國169個城市中，山西省6個城市列入全國排名后20名，山西省的環(huán)境空氣質(zhì)量形勢異常嚴峻[2]。2019年，太原、陽泉、長治、晉城、呂梁、晉中、臨汾、運城等8個城市被列入藍天保衛(wèi)戰(zhàn)重點防控區(qū)域，大氣環(huán)境污染已成為山西省對外開放和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。

山西省環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測體系建設(shè)始于2012年，經(jīng)過監(jiān)測擴項、事權(quán)上收等系列工作，現(xiàn)階段全省共有各類環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點264個，其中包括國控站58個、省級城市站204個，大氣背景站和區(qū)域站各1個，監(jiān)測項目包括SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5常規(guī)六項污染物監(jiān)測。由于監(jiān)測站點數(shù)量有限，且監(jiān)測數(shù)據(jù)代表區(qū)域有很大的局限性，因此地面站點監(jiān)測數(shù)據(jù)無法全方位反映全部省域空氣質(zhì)量狀況[3]。

山西省重污染天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在2015年10月建設(shè)完成后，實現(xiàn)以數(shù)值模型為基礎(chǔ)“3天精細化+7天潛勢”空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警，為業(yè)務(wù)預(yù)報提供了科學(xué)支撐。但由于污染源不確定性等方面因素，在模擬預(yù)報的準確率提高上仍具有一定的局限性。在短臨預(yù)報過程中，除常規(guī)固定污染源排放外，預(yù)報人員更希望得到突發(fā)性污染源的相關(guān)信息，如在發(fā)生森林大火、秸稈焚燒、沙塵時，及時監(jiān)測突發(fā)性污染源信息，可以幫助預(yù)報員對空氣質(zhì)量未來發(fā)展趨勢進行更為準確的判斷。

1 山西省區(qū)域大氣污染物衛(wèi)星遙感反演綜合監(jiān)測系統(tǒng)

山西省區(qū)域大氣污染物衛(wèi)星遙感反演綜合監(jiān)測系統(tǒng)通過利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演技術(shù)，與地面站點監(jiān)測相呼應(yīng)，補充監(jiān)測站點在全省區(qū)域監(jiān)測的不足，實現(xiàn)“天地一體化”的立體監(jiān)測，判斷森林火點、秸稈焚燒、沙塵突發(fā)性污染源，捕捉重污染期間整個區(qū)域污染生消過程，為預(yù)報預(yù)警歷史回顧分析和經(jīng)驗總結(jié)提供依據(jù)，以期提高短臨預(yù)報的準確性，為切實做好大氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)和決策支持[4]。

2 重污染時段衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演案例分析及效果檢驗

2014年10月，日本發(fā)射了Himawari-8地球同步衛(wèi)星，空間分辨率高達500 m。現(xiàn)以2018年1月10日～2018年1月24日重污染過程為例，應(yīng)用大氣污染物衛(wèi)星遙感反演綜合監(jiān)測結(jié)果對此時段重污染過程進行分析。

2.1 山西省區(qū)域內(nèi)重污染時段案例分析

2018年1月10日～1月24日，山西省區(qū)域內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)兩次重污染過程，第一次重污染過程中1月15日污染最重，AQI指數(shù)平均為199.5，污染較重區(qū)域主要覆蓋省內(nèi)中南部地區(qū)，其中陽泉、臨汾、長治、運城、晉城5個城市達到重度或嚴重污染級別，臨汾市污染最重，AQI指數(shù)達343，PM2.5質(zhì)量濃度日均值達293 μg/m3，僅大同市空氣質(zhì)量為良，其余城市AQI指數(shù)在142～162范圍內(nèi)；第二次重污染過程中以1月21日污染最重，AQI指數(shù)平均為179.2，污染較重區(qū)域主要覆蓋省內(nèi)西南部地區(qū)，其中陽泉、臨汾、運城、晉城、長治5個城市達到重度或嚴重污染級別，臨汾市污染最重，AQI指數(shù)達374，PM2.5質(zhì)量濃度日均值達324 μg/m3，大同、朔州兩城市空氣質(zhì)量為良，其余城市AQI指數(shù)在123～193范圍內(nèi)。具體如圖1、圖2所示。

圖1 2018年1月10日～1月24日山西省各城市AQI指數(shù)變化趨勢

圖2 重污染時段(2018年1月10日至24日)山西省11個城市六項污染物濃度變化

2.2 衛(wèi)星遙感反演數(shù)據(jù)分析及效果

從Himawari-8衛(wèi)星反演氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)數(shù)據(jù)來看，1月13日開始污染帶開始覆蓋我省南部區(qū)域，其后三天污染帶逐步北上，直至1月15日污染帶覆蓋面積達到最大，1月16日受到西北冷空氣清除作用，污染帶向南減退，1月19日除南部山谷部分地區(qū)以外，省內(nèi)區(qū)域大部分城市空氣質(zhì)量得到明顯改善。整體來看，Himawari-8衛(wèi)星遙感反演數(shù)據(jù)與重污染過程實際生消趨勢保持一致，但由于地表云覆蓋影響，1月15日南部以及第二次污染過程的大部分區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)無法反演得到。

從Himawari-8衛(wèi)星反演的PM2.5濃度來看，山西省區(qū)域內(nèi)污染主要集中在山谷盆地區(qū)域，以不利氣象條件下污染物的逐步積累為主，沒有明顯的污染傳輸過程，而在1月15日污染帶逐步蔓延，也逐漸呈現(xiàn)區(qū)域復(fù)合型污染特征。

Himawari-8衛(wèi)星反演的PM10濃度來看，污染趨勢比較吻合，但數(shù)值整體偏低，并沒能在1月14日～16日或1月19日～21日反演出南部的PM10質(zhì)量濃度300 μg/m3以上的高值區(qū)域。

Himawari-8衛(wèi)星反演的地表溫度數(shù)據(jù)來看，在第一次污染過程中1月10日～14日地表溫度逐漸升高，14日省內(nèi)大部分區(qū)域地表溫度達到零上，太行山沿線以東溫度較高，15日以后溫度下降，與污染物生消趨勢保持一致；第二次污染過程中，19日升溫明顯，22日后北部、中部地區(qū)明顯降溫，與污染物生消一致。

2.3 衛(wèi)星遙感反演效果檢驗

Himawari-8衛(wèi)星反演PM2.5、PM10反演值與實況監(jiān)測值二倍誤差分析來看，PM2.5反演值在非重污染時段偏高，而在重污染時段明顯偏低，PM10反演值整體偏低。

3 結(jié)語

綜上所述，大氣衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在重污染過程的分析中，可以整體把握區(qū)域污染生消過程，填補無地面監(jiān)測站點觀測數(shù)據(jù)的空白，為污染特征分析提供依據(jù)。但是，由于重污染時段的發(fā)生常集中在大氣擴散能力較差的條件下，此時地面氣壓輻合，天空多云，對于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)采集接收不利，同時，受到重污染時段云遮擋作用的影響，衛(wèi)星遙感反演數(shù)據(jù)并不能理想地反映重污染過程各個區(qū)域的污染狀況，導(dǎo)致PM2.5和PM10污染物濃度反演結(jié)果成為現(xiàn)階段衛(wèi)星數(shù)據(jù)在重污染預(yù)報中應(yīng)用的瓶頸。

目前，隨著環(huán)境空氣質(zhì)量地面監(jiān)測站點的不斷補充以及地面監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，各省相繼完成了縣級站事權(quán)上收、顆粒物組分站建設(shè)以及VOCs自動監(jiān)測能力建設(shè)工作。因此，建議未來在衛(wèi)星遙感反演的應(yīng)用方面，將接入上述地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行補充，高空與地面數(shù)據(jù)相互輔助，為環(huán)保監(jiān)管和預(yù)報預(yù)警提供更加科學(xué)有效的數(shù)據(jù)支持。