趙春雷 范俊紅 董航宇 李江浩

1河北省氣象科學(xué)研究所 2河北省氣象臺(tái) 3河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（石家莊，050021）

一種基于遙感的灰霾排放源區(qū)尋找方法

趙春雷1,3范俊紅2董航宇1李江浩2

1河北省氣象科學(xué)研究所 2河北省氣象臺(tái) 3河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（石家莊，050021）

利用多源衛(wèi)星遙感資料、氣象地面常規(guī)觀測(cè)資料等，通過(guò)對(duì)2013年11月8—14日京津冀灰霾天氣從重、無(wú)到再現(xiàn)的過(guò)程中氣象資料和衛(wèi)星資料的對(duì)比分析，試圖找出灰霾的可能排放源區(qū)。結(jié)果表明：冷空氣過(guò)境前，灰霾范圍最大，主要分布在京津冀的中南部地區(qū)，較重區(qū)域分布于沿高速和河北省中南部城市群的沿線及周邊；對(duì)于范圍大、強(qiáng)度強(qiáng)的灰霾，MODIS衛(wèi)星監(jiān)測(cè)和氣象臺(tái)站觀測(cè)結(jié)果比較吻合，但范圍小、強(qiáng)度弱的灰霾MODIS衛(wèi)星監(jiān)測(cè)彌補(bǔ)了氣象臺(tái)站觀測(cè)不出來(lái)的不足；對(duì)于范圍大、強(qiáng)度強(qiáng)的灰霾，地面風(fēng)場(chǎng)一般都有輻合配合；冷空氣過(guò)后灰霾的首要顯現(xiàn)區(qū)十分明顯，并且灰霾在風(fēng)的作用下擴(kuò)散的起始位置也在于此，就可以鎖定灰霾首要顯現(xiàn)區(qū)，再利用高分辨率衛(wèi)星進(jìn)行污染源區(qū)的具體定位，為地方政府和相關(guān)部門(mén)進(jìn)行針對(duì)性治理提供科學(xué)依據(jù)。

遙感 天氣過(guò)程 灰霾 監(jiān)測(cè) 源區(qū)

1、引言

霾是一種自然現(xiàn)象,人類(lèi)活動(dòng)加劇了這種現(xiàn)象的危害程度。近年來(lái)，頻繁出現(xiàn)的霧霾天氣我國(guó)中東部大部地區(qū)，廣大民眾身受其苦。石元春[1]認(rèn)為工業(yè)化過(guò)程中,由于大量使用化石能源和排放到空氣中的細(xì)顆粒物導(dǎo)致有毒霧霾。隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,工業(yè)和生活污染物的大氣排放總量不斷增加,范圍繼續(xù)擴(kuò)大,灰霾日趨嚴(yán)重。

近年來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者致力于霧霾的物理、化學(xué)和天氣成因的研究上[2-4]。中國(guó)科學(xué)院“大氣灰霾追因與控制”專(zhuān)項(xiàng)組公布的最新研究[5]結(jié)果認(rèn)為013年1月份的霧霾天氣是異常天氣形勢(shì)造成中東部大氣穩(wěn)定、人為污染排放、浮塵和豐富水汽共同作用的結(jié)果，是一次自然因素和人為因素共同作用的事件。經(jīng)過(guò)源解析技術(shù)得知，灰霾中主要的4類(lèi)有機(jī)組分中的烴類(lèi)有機(jī)顆粒物主要來(lái)自于汽車(chē)尾氣和燃煤。汽車(chē)的使用已經(jīng)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。張小曳等[6]指出霧-霾的主因是嚴(yán)重的氣溶膠污染，同時(shí)氣象條件對(duì)其形成、分布、維持與變化的作用顯著。

利用遙感數(shù)據(jù)可以對(duì)影響范圍廣、時(shí)間變化快的灰霾進(jìn)行多維的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。姜杰等[7]論述了基于圖像變換的TC法、H0T法和基于反演氣溶膠光學(xué)厚度的灰霾遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，以及造成灰霾天氣的秸稈燃燒遙感監(jiān)測(cè)方法。許多學(xué)者[8-10]研究了遙感技術(shù)在霧、霾監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，指出遙感技術(shù)是灰霾監(jiān)測(cè)的重要途徑。

本文以2013年11月8—14日兩次冷空氣活動(dòng)為線索，結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)的灰霾區(qū)域，監(jiān)測(cè)灰霾區(qū)從重到輕，從輕到無(wú)，從無(wú)到有的變化過(guò)程，通過(guò)分析灰霾的生消特征來(lái)尋找和確定灰霾排放的源區(qū)。

2、資料

本文研究所用資料有2013年11月8—14日11時(shí)和14時(shí)氣象地面常規(guī)觀測(cè)資料，包括地面氣壓（hPa）、能見(jiàn)度（km）和風(fēng)（m/s）等，因?yàn)?1時(shí)和14時(shí)地面相對(duì)濕度一般在80%以下，所以可以用能見(jiàn)度一個(gè)要素就可以判斷灰霾天氣；E0S/M0DIS衛(wèi)星、中國(guó)環(huán)境資源衛(wèi)星和高分一號(hào)衛(wèi)星資料；基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等。

3、冷空氣前后灰霾分布與氣象條件的關(guān)系

3.1 灰霾的天氣背景

由圖1可知，2013年11月8—14日，有兩次冷鋒影響京津冀。8日14時(shí)，冷鋒位于中蒙邊界，京津冀處于冷鋒前，氣壓場(chǎng)比較弱，地面風(fēng)速較小，不利于污染物的擴(kuò)散，利于霾的形成；10日14時(shí)，地面冷鋒東移南下，京津冀位于冷鋒后部，地面等壓線密集、梯度大，地面西北風(fēng)加大，有利于污染物的擴(kuò)散，利于霾的消散；11日14時(shí)，補(bǔ)充冷空氣前鋒位于中蒙邊界，京津冀位于冷鋒前部，氣壓場(chǎng)較弱，同時(shí)處于低壓槽中，地面氣壓梯度較10日減小，利于霾形成；14日11時(shí)，補(bǔ)充的冷空氣前鋒移過(guò)京津冀，地面氣壓梯度加大，地面西北風(fēng)加大，利于污染物擴(kuò)散，霾減弱消散。

3.2 冷空氣前后灰霾分布

遙感監(jiān)測(cè)就是通過(guò)探測(cè)遠(yuǎn)距離物體反射、散射和發(fā)射的電磁波,從而提取這些物體的信息,對(duì)其進(jìn)行識(shí)別、分析、判斷的監(jiān)測(cè)手段,不需要采樣就可以獲得區(qū)域性污染范圍、分布、擴(kuò)散等綜合信息。

灰霾主要是由空氣中細(xì)氣溶膠粒子構(gòu)成，它對(duì)太陽(yáng)光譜的可見(jiàn)光波段有強(qiáng)烈的散射，平時(shí)人眼感受到的“灰蒙蒙”的灰霾天，也是這種可見(jiàn)光的散射現(xiàn)象導(dǎo)致的?；诖颂攸c(diǎn)本文利用M0DIS數(shù)據(jù)，通過(guò)多波段閾值方法在E0S/M0DIS衛(wèi)星過(guò)境后提取了京津冀灰霾的發(fā)生區(qū)域（圖2）。

從2013年11月08—14日M0DIS監(jiān)測(cè)的京津冀灰霾分布（圖2）來(lái)看，京津冀灰霾范圍經(jīng)歷了由大到小，再到大的過(guò)程。8日14時(shí)，冷空氣來(lái)之前，北京、天津和河北省中南部大部分地區(qū)都監(jiān)測(cè)到了霾，較重區(qū)域分布于沿高速和河北省中南部城市群的沿線及周邊（圖2a虛線橢圓范圍）。10日14時(shí)，冷空氣過(guò)后，京津冀霾的范圍減小，僅存在于北京南部（圖2b虛線橢圓范圍）和河北省南部地區(qū)；11日14時(shí)，冷空氣過(guò)后24小時(shí)之后，京津冀的風(fēng)速變小，在偏西風(fēng)的作用下，10日14時(shí)位于北京南部的小范圍霾向東擴(kuò)散至天津、廊坊、唐山和秦皇島西部，京津冀霾的范圍擴(kuò)大（圖2c虛線橢圓范圍）。14日11時(shí)，當(dāng)補(bǔ)充的冷空氣下來(lái)后，京津冀區(qū)域風(fēng)加大，原位于東部的霾大部分被風(fēng)驅(qū)散到海上，只有在北京與河北交界的地區(qū)監(jiān)測(cè)到西北—東南向的與風(fēng)向一致的霾（圖2d虛線橢圓范圍）。

3.3 灰霾分布與地面風(fēng)場(chǎng)關(guān)系

圖3為2013年11月8日—14日地面風(fēng)場(chǎng)和＜10km能見(jiàn)度分布。8日14時(shí)，從北京向南有東北風(fēng)和西南風(fēng)風(fēng)輻合線，在輻合線附近氣象測(cè)站的能見(jiàn)度＜10km，有灰霾，與圖2a中M0DIS衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的灰霾區(qū)域比較一致；10日14時(shí)，冷鋒剛過(guò)境，地面風(fēng)速大，將灰霾驅(qū)散，氣象測(cè)站能見(jiàn)度變好，沒(méi)有觀測(cè)到能見(jiàn)度＜10km，但圖2b中北京南部和河北省南部都還有弱的灰霾；11時(shí)14時(shí)，但在偏西風(fēng)作用下，圖2c監(jiān)測(cè)到從北京向東灰霾區(qū)域擴(kuò)大，可以看出M0DIS衛(wèi)星可以檢測(cè)到弱的灰霾區(qū)；14日11時(shí)，補(bǔ)充冷空氣下來(lái)后，京津冀大部分地區(qū)地面西北風(fēng)加大，但從北京南部向東南方向倒滄州西部西北風(fēng)風(fēng)速較小，并在氣象站點(diǎn)觀測(cè)到了霾區(qū)，與圖2d監(jiān)測(cè)到的霾區(qū)一致。從以上分析可知，范圍大、強(qiáng)度重的灰霾對(duì)應(yīng)地面風(fēng)場(chǎng)的輻合區(qū)；冷空氣過(guò)境24小時(shí)內(nèi)，霾比較弱，并沿風(fēng)的方向擴(kuò)散，霾范圍擴(kuò)大。

4、灰霾源區(qū)的追蹤

4.1 灰霾擴(kuò)散

從圖2b—圖2c，位于北京南部的灰霾在偏西風(fēng)的作用下，向東擴(kuò)散至廊坊、天津、唐山和秦皇島西部；從圖2d可以看出，在西北風(fēng)的作用下，從北京南部向東南到滄州西部的灰霾區(qū)是從北京南部擴(kuò)散所致。

4.2 灰霾源區(qū)追蹤

2013年11月8日-10日京津冀區(qū)域經(jīng)歷了一次冷空氣過(guò)程后，10日14時(shí)灰霾消散，北京南部出現(xiàn)的局地灰霾作為灰霾首先出現(xiàn)的地方，11日14時(shí)由北京向東擴(kuò)散；另外14日11時(shí)京津冀經(jīng)歷了又一次冷空氣后，首先出現(xiàn)霧霾的地方在北京南部，并沿西北風(fēng)向東南擴(kuò)散。兩次冷空氣過(guò)后灰霾的首要顯現(xiàn)區(qū)十分明顯，并且灰霾在風(fēng)的作用下擴(kuò)散的起始位置也在于此。從分辨率為30米的2013年11月14日10時(shí)22分的中國(guó)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星4、3、2通道合成圖（圖4），可以明顯看到從北京到河北的一條東北西南走向的灰霾帶。鎖定灰霾的首要顯現(xiàn)區(qū)，然后再對(duì)該區(qū)域應(yīng)用高分一號(hào)衛(wèi)星2米分辨率數(shù)據(jù)融合3、2、1通道合成圖（圖5），尋找到灰霾的排放源在北京境內(nèi)。

5、結(jié)論

（1）基于M0DIS等衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)京津冀區(qū)域灰霾進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)兩次冷空氣過(guò)境前后的灰霾范圍、擴(kuò)散等進(jìn)行分析，冷空氣過(guò)境前，灰霾范圍最大，主要分布在京津冀的中南部地區(qū)，較重區(qū)域分布于沿高速和河北省中南部城市群的沿線及周邊。

（2）對(duì)于范圍大、強(qiáng)度強(qiáng)的灰霾，M0DIS衛(wèi)星監(jiān)測(cè)和氣象臺(tái)站觀測(cè)結(jié)果比較吻合，但范圍小、強(qiáng)度弱的灰霾M0DIS衛(wèi)星監(jiān)測(cè)彌補(bǔ)了氣象臺(tái)站觀測(cè)不出來(lái)的不足。

（3）對(duì)于范圍大、強(qiáng)度強(qiáng)的灰霾，地面風(fēng)場(chǎng)一般都有輻合配合；而對(duì)于強(qiáng)度弱、范圍小的灰霾，地面一般為風(fēng)向一致的風(fēng)場(chǎng)。

（4）冷空氣過(guò)境后將京津冀所有區(qū)域都重置到零污染的共同環(huán)境下，區(qū)域內(nèi)各地均處在空氣質(zhì)量較好的本底大氣環(huán)境下。兩次冷空氣過(guò)后灰霾的首要顯現(xiàn)區(qū)十分明顯，并且灰霾在風(fēng)的作用下擴(kuò)散的起始位置也在于此，就可以鎖定灰霾首要顯現(xiàn)區(qū)，再利用高分辨率衛(wèi)星進(jìn)行污染源區(qū)的具體定位。

（5）本次過(guò)程的分析得到的污染排放源位置中心點(diǎn)坐標(biāo)東經(jīng)115°58′，北緯39°54′。基于天氣過(guò)程和衛(wèi)星遙感的灰霾源區(qū)監(jiān)測(cè)方法可為地方政府尋找污染源提供方向，為地方政府和相關(guān)部門(mén)的污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

[2]楊軍,牛忠清,石春娥,等.南京冬季霧霾過(guò)程中氣溶膠粒子的微物理特征.環(huán)境科學(xué),2010,31（7）∶1425-1431.

[3]周巧蘭,束炯,王堅(jiān)捍.上海地區(qū)能見(jiàn)度特征分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué), 2009, 32(2)∶ 27-29.

[4]孫燕,張備.南京及周邊地區(qū)一次嚴(yán)重?zé)燊蔡鞖獾姆治鯷J].高原氣,2010,29(3)∶794-800.

[5]中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)“大氣灰霾追因與控制”最新研究結(jié)果.

[6]張小曳,孫俊英,王亞強(qiáng),等.我國(guó)霧-霾成因及其治理的思考.科學(xué)通報(bào),2013,58（13）∶1178-1187.

[7]姜杰,查勇,袁杰,等.遙感技術(shù)在灰霾監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用綜述.環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),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]孫涵,孫照渤,李亞春.霧的氣象衛(wèi)星遙感光譜特征.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2004,27（3）∶289-301.

的產(chǎn)生機(jī)理及應(yīng)對(duì)策略研究，石元春，

∶F205，

∶A

∶1673-7598(2013)04-001-04