大气污染物卫星遥感监测技术在重污染监测预警方面的应用

冯 琨

(山西省生态环境监测中心，山西 太原 030027)

山西省作为全国的能源和重工业基地，在传统煤烟型污染未得到彻底解决的情况下，叠加以在京津冀及其周边、汾渭平原等区域细颗粒物(PM2.5)、臭氧(O3)为代表的区域性、复合型大气污染[1]，因此，2018年，在全国31个省市自治区中，山西省环境空气质量综合指数排名倒数第一位，在全国169个城市中，山西省6个城市列入全国排名后20名，山西省的环境空气质量形势异常严峻[2]。2019年，太原、阳泉、长治、晋城、吕梁、晋中、临汾、运城等8个城市被列入蓝天保卫战重点防控区域，大气环境污染已成为山西省对外开放和经济可持续发展的重要制约因素。

山西省环境空气质量自动监测体系建设始于2012年，经过监测扩项、事权上收等系列工作，现阶段全省共有各类环境空气质量监测站点264个，其中包括国控站58个、省级城市站204个，大气背景站和区域站各1个，监测项目包括SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5常规六项污染物监测。由于监测站点数量有限，且监测数据代表区域有很大的局限性，因此地面站点监测数据无法全方位反映全部省域空气质量状况[3]。

山西省重污染天气监测预警系统在2015年10月建设完成后，实现以数值模型为基础“3天精细化+7天潜势”空气质量预报预警，为业务预报提供了科学支撑。但由于污染源不确定性等方面因素，在模拟预报的准确率提高上仍具有一定的局限性。在短临预报过程中，除常规固定污染源排放外，预报人员更希望得到突发性污染源的相关信息，如在发生森林大火、秸秆焚烧、沙尘时，及时监测突发性污染源信息，可以帮助预报员对空气质量未来发展趋势进行更为准确的判断。

1 山西省区域大气污染物卫星遥感反演综合监测系统

山西省区域大气污染物卫星遥感反演综合监测系统通过利用卫星遥感数据反演技术，与地面站点监测相呼应，补充监测站点在全省区域监测的不足，实现“天地一体化”的立体监测，判断森林火点、秸秆焚烧、沙尘突发性污染源，捕捉重污染期间整个区域污染生消过程，为预报预警历史回顾分析和经验总结提供依据，以期提高短临预报的准确性，为切实做好大气污染防治提供科学依据和决策支持[4]。

2 重污染时段卫星遥感数据反演案例分析及效果检验

2014年10月，日本发射了Himawari-8地球同步卫星，空间分辨率高达500 m。现以2018年1月10日～2018年1月24日重污染过程为例，应用大气污染物卫星遥感反演综合监测结果对此时段重污染过程进行分析。

2.1 山西省区域内重污染时段案例分析

2018年1月10日～1月24日，山西省区域内连续出现两次重污染过程，第一次重污染过程中1月15日污染最重，AQI指数平均为199.5，污染较重区域主要覆盖省内中南部地区，其中阳泉、临汾、长治、运城、晋城5个城市达到重度或严重污染级别，临汾市污染最重，AQI指数达343，PM2.5质量浓度日均值达293 μg/m3，仅大同市空气质量为良，其余城市AQI指数在142～162范围内；第二次重污染过程中以1月21日污染最重，AQI指数平均为179.2，污染较重区域主要覆盖省内西南部地区，其中阳泉、临汾、运城、晋城、长治5个城市达到重度或严重污染级别，临汾市污染最重，AQI指数达374，PM2.5质量浓度日均值达324 μg/m3，大同、朔州两城市空气质量为良，其余城市AQI指数在123～193范围内。具体如图1、图2所示。

图1 2018年1月10日～1月24日山西省各城市AQI指数变化趋势

图2 重污染时段(2018年1月10日至24日)山西省11个城市六项污染物浓度变化

2.2 卫星遥感反演数据分析及效果

从Himawari-8卫星反演气溶胶光学厚度(AOD)数据来看，1月13日开始污染带开始覆盖我省南部区域，其后三天污染带逐步北上，直至1月15日污染带覆盖面积达到最大，1月16日受到西北冷空气清除作用，污染带向南减退，1月19日除南部山谷部分地区以外，省内区域大部分城市空气质量得到明显改善。整体来看，Himawari-8卫星遥感反演数据与重污染过程实际生消趋势保持一致，但由于地表云覆盖影响，1月15日南部以及第二次污染过程的大部分区域气溶胶光学厚度(AOD)无法反演得到。

从Himawari-8卫星反演的PM2.5浓度来看，山西省区域内污染主要集中在山谷盆地区域，以不利气象条件下污染物的逐步积累为主，没有明显的污染传输过程，而在1月15日污染带逐步蔓延，也逐渐呈现区域复合型污染特征。

Himawari-8卫星反演的PM10浓度来看，污染趋势比较吻合，但数值整体偏低，并没能在1月14日～16日或1月19日～21日反演出南部的PM10质量浓度300 μg/m3以上的高值区域。

Himawari-8卫星反演的地表温度数据来看，在第一次污染过程中1月10日～14日地表温度逐渐升高，14日省内大部分区域地表温度达到零上，太行山沿线以东温度较高，15日以后温度下降，与污染物生消趋势保持一致；第二次污染过程中，19日升温明显，22日后北部、中部地区明显降温，与污染物生消一致。

2.3 卫星遥感反演效果检验

Himawari-8卫星反演PM2.5、PM10反演值与实况监测值二倍误差分析来看，PM2.5反演值在非重污染时段偏高，而在重污染时段明显偏低，PM10反演值整体偏低。

3 结语

综上所述，大气卫星遥感数据在重污染过程的分析中，可以整体把握区域污染生消过程，填补无地面监测站点观测数据的空白，为污染特征分析提供依据。但是，由于重污染时段的发生常集中在大气扩散能力较差的条件下，此时地面气压辐合，天空多云，对于卫星遥感数据采集接收不利，同时，受到重污染时段云遮挡作用的影响，卫星遥感反演数据并不能理想地反映重污染过程各个区域的污染状况，导致PM2.5和PM10污染物浓度反演结果成为现阶段卫星数据在重污染预报中应用的瓶颈。

目前，随着环境空气质量地面监测站点的不断补充以及地面监测技术的不断发展，各省相继完成了县级站事权上收、颗粒物组分站建设以及VOCs自动监测能力建设工作。因此，建议未来在卫星遥感反演的应用方面，将接入上述地面监测数据进行补充，高空与地面数据相互辅助，为环保监管和预报预警提供更加科学有效的数据支持。