抗戰勝利70周年閱兵前后京津冀PM2.5減排效果圖。上為措施前(8月1日—19日)，下為措施后（8月20日—9月3日）。
每年的秋冬時節，是北京進入“十面霾伏”的多發季節。
如何監測霧霾，以尋找應對之策，不僅是老百姓關切的話題，也是科研工作者們致力攻克的技術難題。衛星遙感監測技術，正成為我國治理大氣污染的新興手段。
“抗戰勝利70周年閱兵期間，區域大氣環境遙感監測結果顯示，京津冀及周邊地區大氣PM2.5濃度同步出現了不同程度的下降，各地空氣質量都得到了明顯改善，減排措施十分給力。”近日，北京市環境監測中心遙感室主任李令軍在接受記者采訪時，指著電腦上的一張衛星監測圖片介紹說。
近年來，憑借衛星遙感監測技術，北京市環境保護監測中心能提供北京及周邊6省區、市PM2.5、PM10等大氣污染物的空間分布和變化過程，并且動態監控沙塵、秸稈焚燒等大氣污染來源。并構建了覆蓋北京及周邊地區3年3個級別60余種，共計30TB（計算機存儲容量單位）的專題產品遙感數據庫。項目實施以來，共上報秸稈焚燒、沙塵、大氣面源以及空氣重污染等監測簡報與遙感報告幾百份，已在京津冀環保部門廣泛應用。他們所承擔的“北京地區空氣質量遙感監測技術與工程化應用”項目榮獲2014年度北京市科學技術獎二等獎。
從“面”上觀測空氣質量
衛星環境遙感監測技術在北京的應用始于2002年。
“當時我們首次建立衛星接收處理系統，嘗試利用遙感手段進行環境監測。”李令軍告訴記者，“初期主要以沙塵污染、秸稈焚燒、PM10等監測為主。”
2012年，監測中心承擔了“北京地區空氣質量遙感監測技術與工程化應用”重點項目，開始全面推動遙感技術在大區域尺度空氣質量監測的業務應用。如今，監測中心基于MODIS、OMI、AIRS等衛星傳感器，可以進行PM2.5、NO2等多種大氣污染物、霧霾分布、沙塵傳輸、秸稈焚燒、城市熱島、植被指數等一系列區域大氣污染和生態環境遙感業務的動態監測。
“我們已經構建起覆蓋北京地區的3年3個級別60余種共計30TB（計算機存儲容量單位）的專題產品遙感數據庫，積累了北京及周邊最齊全的大氣遙感基礎數據，為大氣污染防治提供信息支撐。”李令軍說。
對于空氣質量監測，目前國內主要是基于地面固定站點的觀測儀器獲取大氣污染物的濃度，但是站點的觀測結果只能代表站點所在區域一定范圍內的大氣污染情況，難以全方位反映區域大氣污染特征。
“全北京分布著35個自動監測站，可以連續不斷地自動分析出空氣中顆粒物的濃度及其化學組分。”李令軍告訴記者，自動監測站是現在最常見的監測方法，但分布并不均勻，這些監測站集中在城鎮，廣大的農村、邊遠山區覆蓋較少。
而衛星遙感監測正好彌補了監測點分布不均的問題。通過衛星遙感數據，可以快速反映區域PM2.5的空間分布和變化過程，能更宏觀地從“面”上觀測空氣質量。
李令軍介紹說，利用衛星遙感技術監測灰霾，可以收集到區域連續的監測數據，通常每平方公里就能獲取一組數據，這樣的監測密度是普通地面監測站點不能覆蓋的。不僅如此，遙感監測還可以實現氣溶膠光學厚度（AOD）、顆粒物（PM10、PM2.5）質量濃度，污染氣體（SO2、NO2、CO等）柱濃度的監測，而這些都是灰霾觸發的重要物質來源，對于灰霾預測預警有著極大的作用。
“如果蒙古國起沙了，監測中心就會根據沙塵遷移變化的實時遙感監測結合大氣流場預測，判斷能否影響到北京地區。”李令軍說，遙感監測能反映污染物的傳輸、積累過程，有助于認識污染形成和變化的過程和規律，從而對未來的空氣狀況進行預測和預警。
當然，要做到對北京大氣污染的精確監測，只依靠對衛星遙感數據并不準確，必須要“點面結合”，需要近地面實時監測數據的校核驗證。
“遙感監測和地面監測相比精度還是略差一點。雖然范圍廣、監測效率高，但PM2.5等污染物的具體評價濃度還是以近地面監測數據為準。”李令軍說。
在多項技術上實現重大創新
然而，對于用衛星直接監測霧霾，并用來分析、預測，這在國際上也屬于前沿科學，全球還主要處于研究階段，業務化應用不多。
“國際上現有的遙感技術可以反演部分大氣污染參數，但是許多模型不適用于我國城市地區特有的污染情況，并且現有的模型算法大都基于科學研究試驗模型，計算耗時、效率較低，在空氣環境質量遙感監測的業務應用上適用性較差。”李令軍說。
項目團隊面臨著無先例可參考，需要自己趟出一條路來的艱難。最終，年輕的項目團隊精誠合作，逐個擊破了各項技術難題。
他們集成基于國內外十余顆衛星數據的共20余套反演算法，并通過關鍵技術突破與優化改進，與國際同類研究相比在多項算法上實現了重大創新。
他們在國內率先將1公里的MODIS氣溶膠產品用于區域環境的業務化監測，發展了城市地區高反射率地表氣溶膠反演技術，解決了衛星產品用于空氣質量監測的關鍵問題，開創了300米分辨率的氣溶膠光學厚度反演技術，城市地區精度達85%，推動了我國環境衛星HJ-1A/B寬覆蓋CCD數據對大氣污染的監測作用。
他們還創新性發展了適用于大區域PM2.5的衛星遙感機理模型與反演技術，實現了城市群PM2.5衛星遙感監測，精度可達70%以上，與地面PM2.5站點網絡結合，為北京地區空氣質量監測提供基本信息支持。
他們并且在國際上首次實現了灰霾衛星遙感監測技術，解決了國際上缺乏灰霾組分模式和反演方法的難點問題，填補了我國環境空氣質量遙感監測的空白。
“發達國家沒有灰霾，國際氣象組織的氣溶膠組分構成中也沒有灰霾這一類型的氣溶膠組成模式，國際上現有的氣溶膠算法不能有效處理我國經常出現的灰霾污染。”李令軍介紹說。
針對灰霾組分模式的未知和灰霾狀況下地表反射噪聲估算難度較大兩個世界性難題，項目團隊提出了新思路，采用灰霾顆粒物組分電鏡掃描、多角度衛星反演硫酸鹽等可溶性鹽和大氣化學模式CAMQ模擬灰霾組分等綜合技術手段，解決了灰霾氣溶膠模式問題。
他們還突破了衛星遙感復雜模型與海量科學計算的工程化技術瓶頸，顯著提升運行效率，創新性的解決了快速實時遙感反演的工程化技術難點，將氣溶膠產品計算耗時由30分鐘縮短到2分鐘以內，將大氣拉曼散射的計算時間縮短為原來的千分之一。
“這次我們在計算方法上做了創新。”李令軍說，衛星的“照像”速度非常快，但遙感傳回的數據量卻很大，整軌數據在1G左右。過去分析這些數據需要三四個小時，通過技術改進，現在只要幾分鐘就可計算完成，這對今后實現數據的實時監測具有重大意義。
讓所有污染源都“現原形”
衛星遙感監測除了能讓灰霾“無處可逃”外，還開創了建筑揚塵、平房燃煤、農業等面源的高分衛星動態監測技術，為從區域尺度監管潛在污染源提供技術支持，極大地提高了執法能力。
比如說，利用不同特點的衛星數據，遙感監測還可以實現對區域林地、草地、耕地、濕地等監測。利用高分辨率的衛星傳感器，遙感監測可以監控全北京的混凝土攪拌站和建筑裸地。
在空間分辨率可以到亞米級的衛星照相機鏡頭前，全北京的混凝土攪拌站無處遁形。“哪些攪拌站在工作，哪些攪拌站是否是違規建設，衛星圖像清清楚楚。”李令軍說。
據悉，監測中心會將衛星遙感監測結果及時提交給北京市環保局總量處與北京市環境監察總隊，配合環境監察總隊進行建筑裸地違規查處工作，配合總量處進行面源污染排放環境統計。
此外，衛星遙感監測通過對PM2.5前體物NO2、SO2的遙感觀測，可動態監測和評估汽車尾氣和工業燃煤排放在北京地區大氣污染中的相對貢獻，可為排放源控制、產業結構優化升級決策提供基本信息支持。
“我們利用衛星遙感技術，實現了北京市裸地揚塵、平房燃煤的動態監測，為環境執法和環境統計提供依據。”李令軍說，建筑工地是一個容易產生揚塵的場所，北京每年有上億平方米的在建裸地，如果管理不好，極容易造成揚塵，使得大氣顆粒物濃度上升。
此外，每年6月—10月，結合地面地理信息數據，北京市環境監測中心會對北京及周邊的農業用地基于衛星遙感進行每天的火點遙感監測，并且會結合農作物種植，提前做預評估，為監管工作提供一手信息來源。
助力京津冀聯防聯控空氣質量
“空氣質量監管不僅僅是北京的事情，而是一個區域的問題，需要聯動地看。”李令軍告訴記者，在京津冀一體化的大背景下，北京周邊區域的秸稈焚燒、建筑裸地和燃煤散燒等的遙感監測數據，將提供給京津冀及周邊地區大氣污染防治協作小組辦公室，供其決策參考。
“你看北京周邊的建筑裸地中，與北京接壤的河北區縣比較集中，其中廊坊市轄區數量最多、面積最大。”李令軍指著衛星監測圖片中的一大塊灰色地帶說。
據了解，項目實施以來，監測中心共上報秸稈焚燒、沙塵、大氣面源以及空氣重污染等監測簡報與遙感報告數百份，持續支撐了北京及周邊省、市、各級環保部門的環境監管工作，已在北京、天津、河北等省市環保部門廣泛應用。
“我們利用衛星數據，監控整個北京甚至京津冀的空氣質量及其污染來源，比如哪兒燒秸稈了，我們一目了然。”李令軍說。
此外，相關遙感監測成果多次以環保信息、工作簡報、專項報告等形式報送國務院辦公廳、京津冀及周邊地區大氣污染防治協作小組成員單位以及北京市政府、北京市環境保護局等，為北京及區域大氣污染治理提供了重要的決策支撐。
“目前我們生成的每日京津冀PM2.5的區域數據，就是遙感數據配合地面監測數據矯正，得到區域的PM2.5分布變化情況。”李令軍表示，“而目前衛星遙感主要的監測范圍已經擴大到京津冀及周邊7省區市，將山東、山西、內蒙古、河南也包含其中。”
