第1章　区域空气污染测量的光学遥感技术和原理

由于我国经济的快速发展，工业化和城市化的进程推进了城市群的形成。中国城市群结构体系是由不同发育程度、不同等级、不同行政隶属关系、不同成因和空间区位的城市，通过各种物质流、能量流、信息流和知识流有机耦合而成的空间聚合体和综合集群体。中国正在发展28个不同大小、不同规模和发育程度的城市群。虽然目前我国的城市群发展还处于初级阶段，但是它们已经成为我国经济社会发展的命脉，其中发育程度最高的城市群包括长江三角洲、京津冀和珠江三角洲。由于城市群中大量的生活、生产和交通排放，我国的污染物排放呈现出明显的区域排放特征。通过卫星遥感研究发现，从1996年到2010年间我国NO₂排放呈现明显的区域扩张态势。例如1996～1998年，京津冀地区和长三角地区的排放相对孤立，但是到了2008～2010年，两个区域之间部分的排放强烈增加。伴随着经济的发展和城市群的扩大，排放高值区不断增加，其区域正在向中西部区域扩展。城市群中排放的氮氧化物、硫氧化物、挥发性有机物、臭氧等气态污染物以及黑炭、细粒子等颗粒物之间相互作用，通过多相反应相互转换。多种来源的多种污染物在一定的温度、湿度、阳光等大气条件下发生的多种界面间的相互作用，彼此耦合构成了复杂的大气污染体系，该体系就称为复合型大气污染。

此外，每个城市源排放的污染物也存在长距离的传输，其传输距离由该污染物的大气寿命和大气流场特性决定。图1-1中显示出卫星观测到的阿拉伯半岛的Riyadh市排放的NO₂在不同风向下的传输，可以看到NO₂一般在100km以上的区域传输（Beirle et al，2011）。这种污染物的区域传输，使得城市群的污染相互关联、相互作用。大气污染机理的研究和污染事件的防控已经不能只分析单个城市的污染排放，还要考虑周围区域的贡献。例如近几年中国中东部地区连续发生的大区域雾霾事件，就是城市群污染相互作用的结果（贺克斌，2011；王雪松等，2009）。Hatakeyama等（2004）机载观测表明，中国东部地区污染物的长距离传输，使得中国东海上空的污染物浓度大幅度升高。程念亮等2013年的研究表明中国区域在秋冬季节的强冷锋控制下，东部地区容易发生污染物的长距离传输。2011年陈真等利用CALPUFF空气质量模型研究发现，在长江三角洲区域的传输过程中，存在从一次污染物到二次污染物的转化过程。2008年Wang等在珠江三角洲开展机载测量研究，发现该地区边界层的顶部存在高浓度的O₃、SO₂、NO_x以及颗粒物，这很可能是来自区域的传输过程。

图1-1　阿拉伯半岛的Riyadh市排放的NO₂在不同风向下的传输

以上观测实验和模型研究表明，伴随着城市群的发展，我国区域化的复合污染过程日益明显，它将给人类身体健康、生态环境和气候变化带来新的威胁（Gu et al，2012；Wang et al，2012）。但是现阶段，针对区域性污染和污染传输的观测数据还十分有限，卫星观测数据空间分辨率低，无法反映全天的变化，模型也存在较大的误差。因此亟须发展相关技术手段，观测研究污染物的时空分布和演化特征，认识传输中的大气化学反应机理，进而为评估各种污染源的贡献率和寻找区域大气复合污染的成因，提供足够且准确的观测数据资料。

近几年来，环境光学遥感技术在区域环境监测中的应用发展得很快，随着全球环境问题的日益突出，具有全球覆盖、快速、多光谱、大信息量的遥感技术已成为全球环境变化监测中一种重要的技术手段。充分利用这些技术手段的快速性、高效性、连续性，特别是其空间分布信息，实现对区域大范围的颗粒物和污染气体的立体监测，并通过结合近地面监测数据以及气象资料，从宏观角度掌握污染物的迁移、转化规律，监测污染输送路径，实现区域性环境污染事件以及跨境输送的光学遥感动态跟踪监测，为相关部门预警以及国家环境外交提供参考意见，并且可以为空气质量预报系统加入立体监测信息分析模块，进一步完善空气质量预报模式。