大气气溶胶污染遥感监测

x
用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

  随着我国社会经济持续发展,城市化进程不断加快,工业生产、化石燃料燃烧等排放产生大量大气气溶胶粒子,对区域和全球气候、大气环境及公众健康产生了重要的影响。当前,气溶胶及其污染环境研究已成为气候变化和大气环境等相关研究领域的热点问题之一。

  大气气溶胶是指由固体和液体颗粒组成的悬浮在大气中的组合体系,具有一定的稳定性,沉降速度小,尺度在0.001~100μm。气溶胶通过散射和吸收太阳辐射,干扰地球的辐射平衡,对气候产生重要的影响。此外,气溶胶颗粒物还影响近地表的空气环境质量,造成人们心肺功能下降,诱发哮喘、支气管炎等呼吸系统疾病,危害人类生存和身体健康。近年来,以灰霾天气为代表的大气污染现象越来越严重,大气环境污染问题已成为影响城市和区域可持续发展及国际环境外交的重要因素。

  大气污染物主要包括污染气体和颗粒物,后者是中国许多城市的主要污染物。因此,控制颗粒物的排放对改善空气质量具有重要意义。大气污染监测是对其进行有效控制与治理的基础。目前,颗粒物大气污染监测主要包括地基监测和卫星监测。前者是通过在地面布设站点进行人工或仪器自动观测以得到污染物的浓度及时间变化。我国地基大气污染监测点主要分布在城市内,但由于污染物的空间和时间上的多变性,地基监测虽然可以得到较准确的污染物浓度信息,但有限的地面监测点的数据,不能够反映大范围的大气颗粒物的特征。而卫星监测具有宏观、实时、动态探测大气的能力和优势,这为大范围大气污染物的估算和监测提供了有效的技术手段(王桥等,2004)。

  许多学者已经开始利用卫星数据探讨大气颗粒物质量浓度估算及霾检测方法,为大气污染的防治提供新思路。其中,MODIS 数据能够监测局地甚至全球尺度的颗粒物大气污染(Chu et al.,2003;Engel-Cox et al.,2004;Gupta et al.,2006,2007),并且已被广泛运用到大气污染研究中。大量研究表明,气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)与大气颗粒物浓度之间存在一定的相关关系(Wang and Christopher,2003;Hutchison et al.,2005;Vidot et al.,2007;Nicolantonio et al.,2010)。目前卫星遥感监测颗粒物利用的也主要是这一关系,以AOD 来反映大气污染颗粒物状况,但AOD 毕竟不等同于地面颗粒物质量浓度,两者各自具有不同的物理意义:AOD 代表垂直方向上消光系数的积分,与垂直方向气溶胶颗粒总浓度相关;地面颗粒物质量浓度代表地面气溶胶颗粒浓度,容易受到大气条件的影响。因此,两者之间的相关性受季节或天气条件影响较大,因此最好分季节或天气条件,分别建立颗粒物浓度与AOD 之间的相关模型(Barnaba et al.,2010;Tian and Chen,2010b;Zha et al.,2010),或者结合地面温度和相对湿度来改进模型精度(Li et al.,2005;Tian and Chen,2010a;Wang et al.,2010)。

  当大气颗粒物急剧增加时,能见度下降,从而形成霾,它是一种严重的大气污染现象。国际上,利用卫星进行霾监测始于20 世纪90 年代。Dreiling 和Friederich(1997)基于1994 年春季在西伯利亚、阿拉斯加、加拿大等地区获得的遥感和地面数据,分析得出在北极地区的东部和西部出现霾,并给出霾的水平和垂直范围。2002 年,Zhang 等(2002)提出了霾优化变换(haze optimized transformation,HOT)算法用于Landsat TM/ETM + 影像的霾和薄云的检测去除,并明显改善了土地覆被分类的精度(Zhang and Guindon,2003)。

  此外,卫星遥感方法也成为分析气溶胶污染时空变化的主要技术手段之一。20 世纪70 年代,AVHRR 卫星传感器的发射升空,开创了卫星遥感数据研究气溶胶变化的时代。1977 年美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)利用AVHRR 进行AOD 反演,并成功利用AVHRR 反演的AOD 分析了由撒哈拉沙漠输入热带大西洋上空的沙尘气溶胶的含量(Husar et al.,1997),研究了气溶胶在海洋水色遥感中的影响(Gordon,1978)。由于海洋表面反射率数据较易获取,而陆地上空气溶胶反演更为复杂,也更具有实际研究意义,由此开始了陆地气溶胶变化的研究(Tanré et al.,1979)。陆地气溶胶时空变化研究包括区域性的气溶胶变化研究,如Polissar 等(1998)对美国阿拉斯加的大气气溶胶进行了时空变化研究,并获得了相关气溶胶的变化规律。另外也包含全球大尺度的气溶胶时空变化研究,如利用MODIS 数据对全球气溶胶变化进行了分析,发现北美和欧洲在2002~2006 年AOD 呈减少趋势,而东亚和印度的AOD 呈增长趋势(Remer et al.,2008)。在中国,近年来很多学者也开展了类似的工作,利用多年卫星遥感数据分析了全国范围内的气溶胶分布特征(罗宇翔等,2012),还对不同区域进行了气溶胶年际变化分析,结果认为我国陆地气溶胶呈现一定的增长趋势(郑小波等,2011)。另有一些学者针对其中个别区域开展了更为细致的气溶胶时空变化研究,发现经济发达地区气溶胶浓度较高,其中以长江三角洲、环渤海和京津冀地区最为显著(刘灿等,2014)。

  气溶胶时空变化受诸多因素影响,气象因子是其中影响较为显著的因素之一。气象因子中风速、相对湿度等对AOD 均有一定影响。研究表明风速能加速气溶胶扩散,当风速较小时不利于气溶胶扩散;相对湿度也是影响气溶胶变化的因素之一,气溶胶颗粒物能够吸收大气中的水分膨胀,进而改变颗粒物的光学特性和尺度,影响气溶胶浓度和大气能见度。目前多采用地面气象站实测的气象数据来分析气象因子对气溶胶浓度的影响,然而气象站实测数据为近地面气象数据,而气溶胶则分布于整层大气中,仅利用地面监测数据很难全面分析气象因子对气溶胶变化的影响。除气象因子外,外来输入也是区域气溶胶变化的一个影响因素,一些学者利用WRF-CMAQ 等大气模式来模拟外来输入对气溶胶的变化影响,但大气模式操作难度较大且高精度的排放源清单不易获取,直接利用大气模式进行外来输入气溶胶研究存在一定的不确定性,而后向轨迹分析法则是研究气溶胶输送的便捷手段,也是研究区域性粒子传输问题中常用的方法(Seibert et al.,1994;Allen et al.,1999;Abdalmogith and Harrison,2005),并取得了较好的效果。

  目前,卫星遥感反演气溶胶已取得丰富的研究成果,发展了多种气溶胶反演算法。针对海洋上空气溶胶的反演方法比较成熟,如利用改进的甚高分辨率辐射计(AVHRR)反演海洋上空气溶胶光学厚度早在20 世纪70 年代就已经实现业务化。陆地上空气溶胶光学厚度卫星遥感反演方法主要包括暗像元法、结构函数法、深蓝算法、偏振算法和多角度算法等。以上气溶胶反演方法各具优缺点,适用范围也有所不同。总体上,基于太阳后向散射的气溶胶遥感反演,都是依据气溶胶引起的表观反射率变化来反演气溶胶的。除了进行气溶胶特性的反演研究外,利用反演的气溶胶等遥感数据与地面实测及模拟数据相结合进行大气气溶胶颗粒物浓度的估算、霾及其等级检测,以及气溶胶污染监测等研究,有助于全面掌握大气气溶胶的区域分布及其变化规律,为气溶胶大气污染防治提供科学依据和技术支撑。

  《大气气溶胶反演及其污染环境监测遥感》(查勇等著. 北京:科学出版社,2019.3)一书是对作者及其研究团队多年从事大气气溶胶遥感研究工作的成果集成,对有关大气气溶胶反演及其污染环境监测遥感研究进展了系统总结。

  全书共分7 章。

  第1 章主要介绍大气气溶胶的基本概念、气溶胶的物理性质与光学性质、大气辐射传输模型、气溶胶遥感反演的基本原理及方法、气溶胶污染遥感监测等。

  第2 章介绍太阳光度计、激光雷达等地基遥感手段在气溶胶光学特性及组分反演中的应用。

  第3 章研究MODIS、HJ-1、GOCI、PARASOL 等多种卫星遥感数据的气溶胶反演技术与方法。

  

  ▲PARASOL 卫星数据反演气溶胶组分及AOD 流程

  第4 章分析云对气溶胶卫星遥感的影响并发展消减云影响的气溶胶光学厚度反演方法。

  第5 章利用激光雷达、MODIS AOD 产品等数据及霾优化变换和归一化灰霾指数对大气气溶胶颗粒物浓度进行估算。

  第6 章探讨MODIS 卫星遥感数据与地面实测数据相结合的霾及其等级遥感检测分析方法。

  第7 章阐述区域气溶胶污染变化监测及气溶胶域外输入影响的后向轨迹分析。

  本文摘编自《大气气溶胶反演及其污染环境监测遥感》(查勇等著. 北京:科学出版社,2019.3)一书“前言”“第1章 绪论”,有删减,标题为编者所加。

  ISBN 978-7-03-060850-5

  责任编辑:周 丹 沈 旭 石宏杰

  本书是作者对有关大气气溶胶反演及其污染环境监测遥感研究进展的总结,共分7 章,主要包括地基和卫星遥感气溶胶反演技术与方法,云对气溶胶卫星遥感的影响及其消减方法,大气污染气溶胶颗粒物浓度估算,基于MODIS 数据的霾及其等级遥感检测,以及区域气溶胶污染变化监测及其影响分析等内容。

  (本文编辑:刘四旦)

  地球为你而转!

  欢迎关注:赛杰奥(sci_geo)

  科学出版社地球科学订阅号

  原创不易,欢迎分享“在看”▼

特别声明:本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布,仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。

跟贴 跟贴 2 参与 2
© 1997-2019 网易公司版权所有 About NetEase | 公司简介 | 联系方法 | 招聘信息 | 客户服务 | 隐私政策 | 广告服务 | 网站地图 | 意见反馈 | 不良信息举报

赛杰奥

科学出版社地球科学公众号

头像

赛杰奥

科学出版社地球科学公众号

411

篇文章

562

人关注

列表加载中...
请登录后再关注
x

用户登录

网易通行证/邮箱用户可以直接登录:
忘记密码