京津冀“遙感”空氣質量“天眼”跟蹤沙塵暴

工作人員正在檢查空氣質量監測衛星接收天線。

　　新一輪技術革命和產業革命正在全球范圍內蓬勃興起。面對這一歷史機遇，國家適時提出了“中國制造2025”發展戰略，要求通過創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展，加快從制造大國轉向制造強國。科技創新是驅動中國制造業升級、推動中國經濟轉型的動力之源。在科技創新方面，被賦予“全國科技創新中心”定位的首都北京責無旁貸。

　　前不久，2014年度北京市科學技術獎勵大會召開，共有220項科技成果榮獲北京市科學技術獎。獲獎成果涌現出一批引領產業轉型升級、具有產業競爭力的“高精尖”技術成果；一些獲獎成果還為破解“城市病”困局提供了技術支撐。在此，我們特別選取其中一些有代表性的科技創新成果，讓廣大讀者借由我們的報道，走近這些看起來高不可攀、實則與你我日常生活息息相關的科研成果。

　　獲獎項目

　　“北京地區空氣質量遙感監測技術與工程化應用”能夠提供北京及周邊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。

　　目前，該成果已應用于北京市環境保護的日常監測工作，并構建了覆蓋北京及周邊地區3年3個級別60余種，共計20TB(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上百份，已在京津冀環保部門廣泛應用。

　　上周，北京13年后再次遭遇大范圍強沙塵天氣。北京監測網絡各站點PM10濃度均超過1000微克/立方米，北京市環境保護監測中心發布大氣重污染預報。這次預報的一個重要數據支持就來源于區域沙塵的遙感監測。“北京地區空氣質量遙感監測技術與工程化應用”項目剛剛榮獲北京市科學技術二等獎。憑借衛星遙感監測技術，實現了從蒙古國沙起到過境北京全過程的監控、預測、預警，對于海量數據的計算速度已經縮至短短幾分鐘。

　　□揭秘

　　各種大氣污染都逃不過“天眼”

　　據了解，衛星環境遙感監測技術在北京的應用始于2002年。2004年后，針對北京范圍內的秸稈焚燒、PM10監測已經開始。不過，包括PM2.5、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等大氣污染物在內的整套監測系統建立起來是在2012年。

　　說到衛星遙感的監測流程，北京市環境保護監測中心遙感室李令軍指著機房形態各異的監測設備告訴記者，通俗地說，衛星過境就會給地球“拍照”，數據通過接收天線經調制解調器將電磁信號轉換成原始數據傳入前端計算機。之后，計算機會將這些普通人完全看不懂的數據分發到后端處理系統上進行處理分析，這樣每天包括PM2.5、沙塵、二氧化氮等在內的各類大氣污染數據就解析出來了。

　　“這次我們在計算方法上做了創新。”李令軍說，衛星掃過京津冀區域的速度非常快，只需要幾分鐘，但衛星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。

　　“天眼”監測范圍不止京津冀

　　除了算法上的創新，該項目最主要的成就在于實現了業務化應用，使得北京市環境保護監測中心對北京地區的主要大氣污染物的遙感監測實現了日報，這在國內處于領先地位。

　　監測中心的工作人員告訴記者，要做到對北京大氣污染的精確監測，只依靠對整層空氣進行“拍照”的衛星遙感數據并不準確，衛星遙感“面”上的監測要結合“點”上的監測數據，需要近地面實時監測數據的校核驗證。目前，北京共有35個地面自動監測站，提供“點”上的實時大氣污染物數據。

　　“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，得到近地面的、區域的PM2.5分布變化情況。”上述工作人員表示，“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6省區市，將山東、山西、內蒙古也包含其中。”

　　每天，衛星過境都會接收大量數據，而京津冀PM2.5、PM10監測數據圖一天會出兩張，分別在11點和13點左右。“因為衛星過境的時間基本是固定的，現階段的數據只有這么多了。”李令軍說。

　　今后每10分鐘為PM2.5“畫一次像”

　　事實上，每天11點和13點并不是北京PM2.5濃度最高的時候，這樣的監測可能并不能完全反映出整個區域的污染現狀。

　　“以后的發展趨勢是每小時甚至10分鐘拍照一次，如果這個技術開始應用，就可以把北京全天PM2.5連續的變化過程分析出來，現在正在進行相關研究。”李令軍說，“目前，這樣的靜止衛星已經有了，主要是研究出合適的數據反演方法，制作出精度可靠的PM2.5的數據產品。”

　　而對于數據的用途，監測中心方面表示，現在大部分集中在環保系統內部使用，為環境監管和污染預測提供預警的數據支撐。“上周蒙古國起沙了，監測中心就會根據氣象場分析沙塵的遷移、變化，看能否影響到北京地區。”

　　配合北京市35個地面監測站實時公開的監測數據，區域大氣污染遙感監測數據已逐漸向社會公眾發布，2014年的北京市環境監測公報已發布了一些遙感監測成果。未來越來越多的衛星遙感監測數據會向公眾公開。

　　“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。

　　□對話

　　未來將出PM2.5三維立體圖

　　京華時報：除了大氣遙感技術的應用，監測中心在科技創新方面還有哪些重要成果？

　　北京市環境保護監測中心遙感室工作人員（以下簡稱“監測人員”）：我們利用衛星遙感技術，實現了北京市裸地揚塵、平房燃煤的全監測，為環境執法和環境統計提供依據。北京每年有上億平方米的在建裸地，如果管理不好，在春季比較干燥的時候就會造成揚塵，使得大氣顆粒物濃度上升。

　　京華時報：遙感監測的中長期目標是什么？

　　監測人員：如果京津冀三地將“衛星遙感+地面監測”形成一個監測網絡，這樣對整個區域的大氣污染情況、變化過程、積累程度、重污染的影響就能有更全面深入的認識，在此基礎上建立一個數據共享平臺，更好地服務于大氣污染區域聯防聯控工作。

　　另外，未來我們還需要及時跟進國內外先進的監測技術。我們正在做大氣污染的激光雷達監測，這樣就可以詳細了解從地面到高空大氣污染物的垂直分布。目前衛星遙感只是看面的分布，而激光雷達可以從垂直方向看到每一層污染情況。這樣可以獲取大氣污染完整三維立體圖，使我們更充分了解PM2.5在三維空間是怎么遷移轉化的，由此可以更清楚地理解PM2.5的形成機理。

　　目前北京有4個激光雷達監測點，并且已經開始監測。如果布設更多的監測站點，就可以更清楚了解污染物的區域差異和相互之間的影響。從中長期來看，激光雷達監測點可適當增加，進而延伸到京津冀整個區域，監測的數據也應該更細化。

　　國產專業衛星太少是短板

　　京華時報：在科技創新方面還有哪些困難？

　　監測人員：對大氣污染過程的機理理解還不夠透徹，現在衛星遙感對大氣污染的監控并不連續。因此，衛星遙感監測需要開發更新的數據源，提高監控的頻次。同時，相對于地面監測來說，遙感監測的結果目前精度不夠，以后還應該從反演方法、與其他數據的相互結合方面提高精度。

　　此外，監測中心在遙感監測方面已經投入了大量的人力、物力，但是相對飛速發展的遙感監測技術，需要獲取更多的衛星數據、開發更全面的環境遙感監測產品，需要持續不斷的投入。

　　京華時報：您認為我們當前工作還需要哪些支持？

　　監測人員：目前我們需要在方法上做更多開發研究，在數據資源方面以后是不是可以接入更多的衛星？是不是我們國家可以自己發射專業的大氣環境監測方面的專用衛星？現在我們使用的專用衛星以歐美、日本國家的居多。