【独家视角】遥感监测细说那些被粗放式经营毁掉的清新空气（下）
来源：中科宇图天下科技有限公司 阅读：2217 更新时间：2014-08-20 13:16
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
我国重霾污染事件频频发生，自2013年1月在我国中东部地区发生了数次强雾霾事件以来，2013年3月、5月、国庆期间、12月以及2014年2月底均发生影响范围大、浓度水平高和持续时间长的灰霾重污染事件。专家对重霾事件的成因解释一般认为有以下几个方面：即污染排放量大、扩散条件不利和区域污染与本地污染的贡献叠加。实际上这三个因素适用于所有不同程度污染事件的解释，并非是重霾污染过程的必要条件。利用源解析方法从城市污染采集的样品分析不同源的贡献率，需要长时间统计分析，但无法获得源分布状况，局地监测结果无法掌握区域大尺度的成霾机制。针对2009和2010两年每年10月到次年3月的成霾机制进行了分析研究，发现来自南方的水汽和我国西北地区的浮尘是导致我国中东部极端强霾污染事件重要自然因素。下面以2013年1月重霾污染为例，利用多源卫星数据和地面数据，分析宏观成霾机制。
（1）强霾分布范围及其污染物分布
从卫星真彩色合成角度可以明显的看出来，2013年1月8~14日，以及24~30日期间是发生了强霾时间，图4分别是1月9日、14日、27日和30日MODIS数据真彩色合成图，从图中可以明显的看出我国中东部的大部分地区被一层厚霾所笼罩，而且在14、27和30日霾覆盖空间上有浓浓的雾。根据地面能见度的观测，1月30日北京市的能见度不足百米。利用MODIS数据反演获得2013年1月8~14日期间霾分布范围和霾强度（图5左），以及基于卫星观测数据反演获得霾分布下可吸入颗粒物分布结果，从图中可以看出强霾污染期间PM2.5浓度已经高达500以上（图5中）。利用OMI数据反演的二氧化氮分布结果表明，重霾期间1月10日整个华北平原具有很高的二氧化氮柱浓度分布（图5右）。
图4华北地区2013年1月不同时间MODIS数据真彩图
图5. 2013年1月8～14日期间，我国中东部地区强霾覆盖范围（左）可吸入颗粒物PM2.5浓度分布（中）和二氧化氮柱浓度（右）分布
（2）强霾的成因分析
利用卫星观测可以很好的了解到霾分布范围、霾的强度以及霾发生期间细颗粒物浓度与二氧化氮柱浓度值等信息，掌握霾在区域尺度上的影响状况。但这些数据还无法说明强霾的形成机制。我们利用紫外气溶胶指数观测到2013年1月期间我国大部分地区上空分布大范围的浮尘，图6左是1月份发生浮尘的频次图。结果表明中东部等地区分布大范围的浮尘，其频次有10次之多。来自西部或西北部中高层的浮尘，达到我国中东部地区后便与边界层内大气污染物发生混合。图6右是利用卫星激光雷探测到的1月12日浮尘与污染物相混合等不同颗粒类型分布状况。
图6.左图是浮尘频次分布状况；右图是浮尘与污染物混合激光雷达探测结果
通过后向轨迹分析并利用美国国家环境预报中心NCEP (National Centers for Environmental Prediction)的风场数据了解到，我国中东部地区边界层内1月期间的主要风向是弱偏南风。偏南风带来的水汽使边界层内的相对湿度增大，湿度增大导致可溶性盐颗粒物的吸湿增长，即细颗粒的粒径在大湿度环境下增大，从而使能见度急剧下降，导致灰霾的发生。灰霾一旦形成，灰霾大气中细粒子对太阳辐射的消光能力非常强，其对太让辐射的削弱，会造成地面的辐射逆温出的形成。下图7是基于AIRS数据反演获得的5km以下的大气温度廓线分布结果，稳定的逆温层促使污染物更难扩散，从而导致近地面气温的持续下降和相对湿度的增大，使边界层内的污染浓度持续升高，引发一个极为严重的负反馈机制。
图7. 2013年1月8－14日北京（左）5km以下大气温度廓线分布，图中8日与11日没有逆温，其他天均存在明显的逆温分布
综上所述，2013年1月份强霾事件，是污染物和浮尘、水汽相结合，加速了成霾过程放大了人为排放物污染效果，是自然因素和人为因素共同作用的污染事件。2014年2月底发生在我国中东部的极端霾污染事件，也同样是在排放较大的背景下，遇到来自南方水汽过程，促使了能见度的下降，并引发了成霾的负反馈机制。一但这一成霾物理机制的形成，只有依靠强西北风将重霾吹散或湿沉降的发生才能结束。
讨论与结论
（1）重霾污染事件的“元凶”、“帮凶”问题
造成重霾污染事件的原因很清晰，一是有大量的污染物排放到大气中，这就是污染的“元凶”，二是气象条件。如有来自西北地区干燥污染小的风可以把排放的污染物吹走，则空气比较洁净；一旦没有风，则排放的污染物就会局地集聚而形成污染物浓度水平渐进抬升的态势，此时如果恰巧有来偏南风吹来，则由于偏南风带来的大量水汽，会促使能见度急剧下降；在冬季，往往由于边界层较低而很容易引起重度污染，夏季则由于边界层较高而且没有冬季采暖一类的污染物排放，所以污染形势会有所缓和；所以来自偏南方向水汽是引起重度霾污染的“帮凶”。若在冬季近地面有偏南方向的气流，再加上边界层上有来自西北的浮尘，浮尘会起到凝结核的作用，从而加速成霾过程。
（2）重霾污染的卫星监测问题
卫星遥感监测重霾污染过程时，可以从霾分布范围、霾光学厚度，霾天污染物（如PM2.5和二氧化氮、二氧化硫）的浓度方面来监测污染的分布、浓度水平和动态发展状况。为了完善卫星监测工作，需要进一步加强以下几个方面的工作：一是针对各种不同的卫星载荷，实现多元载荷观测结果的综合与网络快速推送，以便更好的服务于用户；二是针对卫星监测仅能获得对流层污染气体柱浓度这一不足，引入大气化学模式，开展边界层气态污染物浓度的监测方法研究；第三由于卫星监测模型存在误差，研究将卫星监测结果和地面站点监测结果同化的方法，以便获得经过地面监测数据校正后的卫星遥感反演结果。
（3）重霾污染的卫星遥感监测与预警的结合问题
卫星遥感监测仅能获得已经形成的污染态势，不能获得未来的污染预测，卫星监测需要和大气模式相结合，以便更好地开展雾霾的成因分析和预报预警工作，做好重霾污染事件的科学应急处理。具体应包括以下几个方面的工作：一是卫星监测辅助模式模拟，研究霾污染分布和污染物浓度水平等卫星遥感监测数据作为同化算子，改进大气模式的预报精度；二是卫星监测结果改进大气模式的排放源清单，即加强“自上而下”的卫星遥感监测排放源的工作，在空间分布和时间变化方面改进现有通过统计方式的“自下而上”获得的源清单工作；第三，除了进一步研究不同颗粒物成分吸湿增长引起能见度下降的成霾机制外，研究大气模式和卫星遥感监测结合开展不同污染水平下的预警机制与应急措施的评估方法，为不同污染水平下应急预案的制订提供科学支撑。[宇图]
