第1章　區(qū)域空氣污染測(cè)量的光學(xué)遙感技術(shù)和原理

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化的進(jìn)程推進(jìn)了城市群的形成。中國(guó)城市群結(jié)構(gòu)體系是由不同發(fā)育程度、不同等級(jí)、不同行政隸屬關(guān)系、不同成因和空間區(qū)位的城市，通過(guò)各種物質(zhì)流、能量流、信息流和知識(shí)流有機(jī)耦合而成的空間聚合體和綜合集群體。中國(guó)正在發(fā)展28個(gè)不同大小、不同規(guī)模和發(fā)育程度的城市群。雖然目前我國(guó)的城市群發(fā)展還處于初級(jí)階段，但是它們已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的命脈，其中發(fā)育程度最高的城市群包括長(zhǎng)江三角洲、京津冀和珠江三角洲。由于城市群中大量的生活、生產(chǎn)和交通排放，我國(guó)的污染物排放呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域排放特征。通過(guò)衛(wèi)星遙感研究發(fā)現(xiàn)，從1996年到2010年間我國(guó)NO₂排放呈現(xiàn)明顯的區(qū)域擴(kuò)張態(tài)勢(shì)。例如1996～1998年，京津冀地區(qū)和長(zhǎng)三角地區(qū)的排放相對(duì)孤立，但是到了2008～2010年，兩個(gè)區(qū)域之間部分的排放強(qiáng)烈增加。伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市群的擴(kuò)大，排放高值區(qū)不斷增加，其區(qū)域正在向中西部區(qū)域擴(kuò)展。城市群中排放的氮氧化物、硫氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物、臭氧等氣態(tài)污染物以及黑炭、細(xì)粒子等顆粒物之間相互作用，通過(guò)多相反應(yīng)相互轉(zhuǎn)換。多種來(lái)源的多種污染物在一定的溫度、濕度、陽(yáng)光等大氣條件下發(fā)生的多種界面間的相互作用，彼此耦合構(gòu)成了復(fù)雜的大氣污染體系，該體系就稱為復(fù)合型大氣污染。

此外，每個(gè)城市源排放的污染物也存在長(zhǎng)距離的傳輸，其傳輸距離由該污染物的大氣壽命和大氣流場(chǎng)特性決定。圖1-1中顯示出衛(wèi)星觀測(cè)到的阿拉伯半島的Riyadh市排放的NO₂在不同風(fēng)向下的傳輸，可以看到NO₂一般在100km以上的區(qū)域傳輸（Beirle et al，2011）。這種污染物的區(qū)域傳輸，使得城市群的污染相互關(guān)聯(lián)、相互作用。大氣污染機(jī)理的研究和污染事件的防控已經(jīng)不能只分析單個(gè)城市的污染排放，還要考慮周圍區(qū)域的貢獻(xiàn)。例如近幾年中國(guó)中東部地區(qū)連續(xù)發(fā)生的大區(qū)域霧霾事件，就是城市群污染相互作用的結(jié)果（賀克斌，2011；王雪松等，2009）。Hatakeyama等（2004）機(jī)載觀測(cè)表明，中國(guó)東部地區(qū)污染物的長(zhǎng)距離傳輸，使得中國(guó)東海上空的污染物濃度大幅度升高。程念亮等2013年的研究表明中國(guó)區(qū)域在秋冬季節(jié)的強(qiáng)冷鋒控制下，東部地區(qū)容易發(fā)生污染物的長(zhǎng)距離傳輸。2011年陳真等利用CALPUFF空氣質(zhì)量模型研究發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)江三角洲區(qū)域的傳輸過(guò)程中，存在從一次污染物到二次污染物的轉(zhuǎn)化過(guò)程。2008年Wang等在珠江三角洲開展機(jī)載測(cè)量研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)邊界層的頂部存在高濃度的O₃、SO₂、NO_x以及顆粒物，這很可能是來(lái)自區(qū)域的傳輸過(guò)程。

圖1-1　阿拉伯半島的Riyadh市排放的NO₂在不同風(fēng)向下的傳輸

以上觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和模型研究表明，伴隨著城市群的發(fā)展，我國(guó)區(qū)域化的復(fù)合污染過(guò)程日益明顯，它將給人類身體健康、生態(tài)環(huán)境和氣候變化帶來(lái)新的威脅（Gu et al，2012；Wang et al，2012）。但是現(xiàn)階段，針對(duì)區(qū)域性污染和污染傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)還十分有限，衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)空間分辨率低，無(wú)法反映全天的變化，模型也存在較大的誤差。因此亟須發(fā)展相關(guān)技術(shù)手段，觀測(cè)研究污染物的時(shí)空分布和演化特征，認(rèn)識(shí)傳輸中的大氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而為評(píng)估各種污染源的貢獻(xiàn)率和尋找區(qū)域大氣復(fù)合污染的成因，提供足夠且準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)資料。

近幾年來(lái)，環(huán)境光學(xué)遙感技術(shù)在區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用發(fā)展得很快，隨著全球環(huán)境問(wèn)題的日益突出，具有全球覆蓋、快速、多光譜、大信息量的遙感技術(shù)已成為全球環(huán)境變化監(jiān)測(cè)中一種重要的技術(shù)手段。充分利用這些技術(shù)手段的快速性、高效性、連續(xù)性，特別是其空間分布信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域大范圍的顆粒物和污染氣體的立體監(jiān)測(cè)，并通過(guò)結(jié)合近地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及氣象資料，從宏觀角度掌握污染物的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律，監(jiān)測(cè)污染輸送路徑，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性環(huán)境污染事件以及跨境輸送的光學(xué)遙感動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)，為相關(guān)部門預(yù)警以及國(guó)家環(huán)境外交提供參考意見，并且可以為空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)加入立體監(jiān)測(cè)信息分析模塊，進(jìn)一步完善空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式。