第1章　區域空氣污染測量的光學遙感技術和原理

由于我國經濟的快速發展，工業化和城市化的進程推進了城市群的形成。中國城市群結構體系是由不同發育程度、不同等級、不同行政隸屬關系、不同成因和空間區位的城市，通過各種物質流、能量流、信息流和知識流有機耦合而成的空間聚合體和綜合集群體。中國正在發展28個不同大小、不同規模和發育程度的城市群。雖然目前我國的城市群發展還處于初級階段，但是它們已經成為我國經濟社會發展的命脈，其中發育程度最高的城市群包括長江三角洲、京津冀和珠江三角洲。由于城市群中大量的生活、生產和交通排放，我國的污染物排放呈現出明顯的區域排放特征。通過衛星遙感研究發現，從1996年到2010年間我國NO₂排放呈現明顯的區域擴張態勢。例如1996～1998年，京津冀地區和長三角地區的排放相對孤立，但是到了2008～2010年，兩個區域之間部分的排放強烈增加。伴隨著經濟的發展和城市群的擴大，排放高值區不斷增加，其區域正在向中西部區域擴展。城市群中排放的氮氧化物、硫氧化物、揮發性有機物、臭氧等氣態污染物以及黑炭、細粒子等顆粒物之間相互作用，通過多相反應相互轉換。多種來源的多種污染物在一定的溫度、濕度、陽光等大氣條件下發生的多種界面間的相互作用，彼此耦合構成了復雜的大氣污染體系，該體系就稱為復合型大氣污染。

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

圖1-1　阿拉伯半島的Riyadh市排放的NO₂在不同風向下的傳輸

以上觀測實驗和模型研究表明，伴隨著城市群的發展，我國區域化的復合污染過程日益明顯，它將給人類身體健康、生態環境和氣候變化帶來新的威脅（Gu et al，2012；Wang et al，2012）。但是現階段，針對區域性污染和污染傳輸的觀測數據還十分有限，衛星觀測數據空間分辨率低，無法反映全天的變化，模型也存在較大的誤差。因此亟須發展相關技術手段，觀測研究污染物的時空分布和演化特征，認識傳輸中的大氣化學反應機理，進而為評估各種污染源的貢獻率和尋找區域大氣復合污染的成因，提供足夠且準確的觀測數據資料。

近幾年來，環境光學遙感技術在區域環境監測中的應用發展得很快，隨著全球環境問題的日益突出，具有全球覆蓋、快速、多光譜、大信息量的遙感技術已成為全球環境變化監測中一種重要的技術手段。充分利用這些技術手段的快速性、高效性、連續性，特別是其空間分布信息，實現對區域大范圍的顆粒物和污染氣體的立體監測，并通過結合近地面監測數據以及氣象資料，從宏觀角度掌握污染物的遷移、轉化規律，監測污染輸送路徑，實現區域性環境污染事件以及跨境輸送的光學遙感動態跟蹤監測，為相關部門預警以及國家環境外交提供參考意見，并且可以為空氣質量預報系統加入立體監測信息分析模塊，進一步完善空氣質量預報模式。