一种基于遥感的灰霾排放源区寻找方法

赵春雷 范俊红 董航宇 李江浩

1河北省气象科学研究所 2河北省气象台 3河北省气象与生态环境重点实验室（石家庄，050021）

一种基于遥感的灰霾排放源区寻找方法

赵春雷1,3范俊红2董航宇1李江浩2

1河北省气象科学研究所 2河北省气象台 3河北省气象与生态环境重点实验室（石家庄，050021）

利用多源卫星遥感资料、气象地面常规观测资料等，通过对2013年11月8—14日京津冀灰霾天气从重、无到再现的过程中气象资料和卫星资料的对比分析，试图找出灰霾的可能排放源区。结果表明：冷空气过境前，灰霾范围最大，主要分布在京津冀的中南部地区，较重区域分布于沿高速和河北省中南部城市群的沿线及周边；对于范围大、强度强的灰霾，MODIS卫星监测和气象台站观测结果比较吻合，但范围小、强度弱的灰霾MODIS卫星监测弥补了气象台站观测不出来的不足；对于范围大、强度强的灰霾，地面风场一般都有辐合配合；冷空气过后灰霾的首要显现区十分明显，并且灰霾在风的作用下扩散的起始位置也在于此，就可以锁定灰霾首要显现区，再利用高分辨率卫星进行污染源区的具体定位，为地方政府和相关部门进行针对性治理提供科学依据。

遥感 天气过程 灰霾 监测 源区

1、引言

霾是一种自然现象,人类活动加剧了这种现象的危害程度。近年来，频繁出现的雾霾天气我国中东部大部地区，广大民众身受其苦。石元春[1]认为工业化过程中,由于大量使用化石能源和排放到空气中的细颗粒物导致有毒雾霾。随着全球经济的不断发展,工业和生活污染物的大气排放总量不断增加,范围继续扩大,灰霾日趋严重。

近年来越来越多的学者致力于雾霾的物理、化学和天气成因的研究上[2-4]。中国科学院“大气灰霾追因与控制”专项组公布的最新研究[5]结果认为013年1月份的雾霾天气是异常天气形势造成中东部大气稳定、人为污染排放、浮尘和丰富水汽共同作用的结果，是一次自然因素和人为因素共同作用的事件。经过源解析技术得知，灰霾中主要的4类有机组分中的烃类有机颗粒物主要来自于汽车尾气和燃煤。汽车的使用已经很普及，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。张小曳等[6]指出雾-霾的主因是严重的气溶胶污染，同时气象条件对其形成、分布、维持与变化的作用显著。

利用遥感数据可以对影响范围广、时间变化快的灰霾进行多维的动态监测。姜杰等[7]论述了基于图像变换的TC法、H0T法和基于反演气溶胶光学厚度的灰霾遥感监测技术，以及造成灰霾天气的秸秆燃烧遥感监测方法。许多学者[8-10]研究了遥感技术在雾、霾监测中的应用，指出遥感技术是灰霾监测的重要途径。

本文以2013年11月8—14日两次冷空气活动为线索，结合遥感监测的灰霾区域，监测灰霾区从重到轻，从轻到无，从无到有的变化过程，通过分析灰霾的生消特征来寻找和确定灰霾排放的源区。

2、资料

本文研究所用资料有2013年11月8—14日11时和14时气象地面常规观测资料，包括地面气压（hPa）、能见度（km）和风（m/s）等，因为11时和14时地面相对湿度一般在80%以下，所以可以用能见度一个要素就可以判断灰霾天气；E0S/M0DIS卫星、中国环境资源卫星和高分一号卫星资料；基础地理信息数据等。

3、冷空气前后灰霾分布与气象条件的关系

3.1 灰霾的天气背景

由图1可知，2013年11月8—14日，有两次冷锋影响京津冀。8日14时，冷锋位于中蒙边界，京津冀处于冷锋前，气压场比较弱，地面风速较小，不利于污染物的扩散，利于霾的形成；10日14时，地面冷锋东移南下，京津冀位于冷锋后部，地面等压线密集、梯度大，地面西北风加大，有利于污染物的扩散，利于霾的消散；11日14时，补充冷空气前锋位于中蒙边界，京津冀位于冷锋前部，气压场较弱，同时处于低压槽中，地面气压梯度较10日减小，利于霾形成；14日11时，补充的冷空气前锋移过京津冀，地面气压梯度加大，地面西北风加大，利于污染物扩散，霾减弱消散。

3.2 冷空气前后灰霾分布

遥感监测就是通过探测远距离物体反射、散射和发射的电磁波,从而提取这些物体的信息,对其进行识别、分析、判断的监测手段,不需要采样就可以获得区域性污染范围、分布、扩散等综合信息。

灰霾主要是由空气中细气溶胶粒子构成，它对太阳光谱的可见光波段有强烈的散射，平时人眼感受到的“灰蒙蒙”的灰霾天，也是这种可见光的散射现象导致的。基于此特点本文利用M0DIS数据，通过多波段阈值方法在E0S/M0DIS卫星过境后提取了京津冀灰霾的发生区域（图2）。

从2013年11月08—14日M0DIS监测的京津冀灰霾分布（图2）来看，京津冀灰霾范围经历了由大到小，再到大的过程。8日14时，冷空气来之前，北京、天津和河北省中南部大部分地区都监测到了霾，较重区域分布于沿高速和河北省中南部城市群的沿线及周边（图2a虚线椭圆范围）。10日14时，冷空气过后，京津冀霾的范围减小，仅存在于北京南部（图2b虚线椭圆范围）和河北省南部地区；11日14时，冷空气过后24小时之后，京津冀的风速变小，在偏西风的作用下，10日14时位于北京南部的小范围霾向东扩散至天津、廊坊、唐山和秦皇岛西部，京津冀霾的范围扩大（图2c虚线椭圆范围）。14日11时，当补充的冷空气下来后，京津冀区域风加大，原位于东部的霾大部分被风驱散到海上，只有在北京与河北交界的地区监测到西北—东南向的与风向一致的霾（图2d虚线椭圆范围）。

3.3 灰霾分布与地面风场关系

图3为2013年11月8日—14日地面风场和＜10km能见度分布。8日14时，从北京向南有东北风和西南风风辐合线，在辐合线附近气象测站的能见度＜10km，有灰霾，与图2a中M0DIS卫星监测到的灰霾区域比较一致；10日14时，冷锋刚过境，地面风速大，将灰霾驱散，气象测站能见度变好，没有观测到能见度＜10km，但图2b中北京南部和河北省南部都还有弱的灰霾；11时14时，但在偏西风作用下，图2c监测到从北京向东灰霾区域扩大，可以看出M0DIS卫星可以检测到弱的灰霾区；14日11时，补充冷空气下来后，京津冀大部分地区地面西北风加大，但从北京南部向东南方向倒沧州西部西北风风速较小，并在气象站点观测到了霾区，与图2d监测到的霾区一致。从以上分析可知，范围大、强度重的灰霾对应地面风场的辐合区；冷空气过境24小时内，霾比较弱，并沿风的方向扩散，霾范围扩大。

4、灰霾源区的追踪

4.1 灰霾扩散

从图2b—图2c，位于北京南部的灰霾在偏西风的作用下，向东扩散至廊坊、天津、唐山和秦皇岛西部；从图2d可以看出，在西北风的作用下，从北京南部向东南到沧州西部的灰霾区是从北京南部扩散所致。

4.2 灰霾源区追踪

2013年11月8日-10日京津冀区域经历了一次冷空气过程后，10日14时灰霾消散，北京南部出现的局地灰霾作为灰霾首先出现的地方，11日14时由北京向东扩散；另外14日11时京津冀经历了又一次冷空气后，首先出现雾霾的地方在北京南部，并沿西北风向东南扩散。两次冷空气过后灰霾的首要显现区十分明显，并且灰霾在风的作用下扩散的起始位置也在于此。从分辨率为30米的2013年11月14日10时22分的中国环境减灾卫星4、3、2通道合成图（图4），可以明显看到从北京到河北的一条东北西南走向的灰霾带。锁定灰霾的首要显现区，然后再对该区域应用高分一号卫星2米分辨率数据融合3、2、1通道合成图（图5），寻找到灰霾的排放源在北京境内。

5、结论

（1）基于M0DIS等卫星数据对京津冀区域灰霾进行监测，并对两次冷空气过境前后的灰霾范围、扩散等进行分析，冷空气过境前，灰霾范围最大，主要分布在京津冀的中南部地区，较重区域分布于沿高速和河北省中南部城市群的沿线及周边。

（2）对于范围大、强度强的灰霾，M0DIS卫星监测和气象台站观测结果比较吻合，但范围小、强度弱的灰霾M0DIS卫星监测弥补了气象台站观测不出来的不足。

（3）对于范围大、强度强的灰霾，地面风场一般都有辐合配合；而对于强度弱、范围小的灰霾，地面一般为风向一致的风场。

（4）冷空气过境后将京津冀所有区域都重置到零污染的共同环境下，区域内各地均处在空气质量较好的本底大气环境下。两次冷空气过后灰霾的首要显现区十分明显，并且灰霾在风的作用下扩散的起始位置也在于此，就可以锁定灰霾首要显现区，再利用高分辨率卫星进行污染源区的具体定位。

（5）本次过程的分析得到的污染排放源位置中心点坐标东经115°58′，北纬39°54′。基于天气过程和卫星遥感的灰霾源区监测方法可为地方政府寻找污染源提供方向，为地方政府和相关部门的污染治理提供科学依据。

[2]杨军,牛忠清,石春娥,等.南京冬季雾霾过程中气溶胶粒子的微物理特征.环境科学,2010,31（7）∶1425-1431.

[3]周巧兰,束炯,王坚捍.上海地区能见度特征分析[J].气象与环境科学, 2009, 32(2)∶ 27-29.

[4]孙燕,张备.南京及周边地区一次严重烟霾天气的分析[J].高原气,2010,29(3)∶794-800.

[5]中科院战略性先导科技专项“大气灰霾追因与控制”最新研究结果.

[6]张小曳,孙俊英,王亚强,等.我国雾-霾成因及其治理的思考.科学通报,2013,58（13）∶1178-1187.

[7]姜杰,查勇,袁杰,等.遥感技术在灰霾监测中的应用综述.环境监测管理与技术,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.

[10]孙涵,孙照渤,李亚春.雾的气象卫星遥感光谱特征.南京气象学院学报,2004,27（3）∶289-301.

的产生机理及应对策略研究，石元春，

∶F205，

∶A

∶1673-7598(2013)04-001-04