每年的秋冬时节，是北京进入“十面霾伏”的多发季节。
如何监测雾霾，以寻找应对之策，不仅是老百姓关切的话题，也是科研工作者们致力攻克的技术难题。卫星遥感监测技术，正成为我国治理大气污染的新兴手段。
“抗战胜利70周年阅兵期间，区域大气环境遥感监测结果显示，京津冀及周边地区大气PM2.5浓度同步出现了不同程度的下降，各地空气质量都得到了明显改善，减排措施十分给力。”近日，北京市环境监测中心遥感室主任李令军表示。
近年来，凭借卫星遥感监测技术，北京市环境保护监测中心能提供北京及周边6省区、市PM2.5、PM10等大气污染物的空间分布和变化过程，并且动态监控沙尘、秸秆焚烧等大气污染来源。并构建了覆盖北京及周边地区3年3个级别60余种，共计30TB(计算机存储容量单位)的专题产品遥感数据库。项目实施以来，共上报秸秆焚烧、沙尘、大气面源以及空气重污染等监测简报与遥感报告几百份，已在京津冀环保部门广泛应用。他们所承担的“北京地区空气质量遥感监测技术与工程化应用”项目荣获2014年度北京市科学技术奖二等奖。
从“面”上观测空气质量
卫星环境遥感监测技术在北京的应用始于2002年。
“当时我们首次建立卫星接收处理系统，尝试利用遥感手段进行环境监测。”李令军表示，“初期主要以沙尘污染、秸秆焚烧、PM10等监测为主。”
2012年，监测中心承担了“北京地区空气质量遥感监测技术与工程化应用”重点项目，开始全面推动遥感技术在大区域尺度空气质量监测的业务应用。如今，监测中心基于MODIS、OMI、AIRS等卫星传感器，可以进行PM2.5、NO2等多种大气污染物、雾霾分布、沙尘传输、秸秆焚烧、城市热岛、植被指数等一系列区域大气污染和生态环境遥感业务的动态监测。
“我们已经构建起覆盖北京地区的3年3个级别60余种共计30TB(计算机存储容量单位)的专题产品遥感数据库，积累了北京及周边最齐全的大气遥感基础数据，为大气污染防治提供信息支撑。”李令军说。
对于空气质量监测，目前国内主要是基于地面固定站点的观测仪器获取大气污染物的浓度，但是站点的观测结果只能代表站点所在区域一定范围内的大气污染情况，难以全方位反映区域大气污染特征。
“全北京分布着35个自动监测站，可以连续不断地自动分析出空气中颗粒物的浓度及其化学组分。”李令军说，自动监测站是现在最常见的监测方法，但分布并不均匀，这些监测站集中在城镇，广大的农村、边远山区覆盖较少。
而卫星遥感监测正好弥补了监测点分布不均的问题。通过卫星遥感数据，可以快速反映区域PM2.5的空间分布和变化过程，能更宏观地从“面”上观测空气质量。
李令军介绍说，利用卫星遥感技术监测灰霾，可以收集到区域连续的监测数据，通常每平方公里就能获取一组数据，这样的监测密度是普通地面监测站点不能覆盖的。不仅如此，遥感监测还可以实现气溶胶光学厚度(AOD)、颗粒物(PM10、PM2.5)质量浓度，污染气体(SO2、NO2、CO等)柱浓度的监测，而这些都是灰霾触发的重要物质来源，对于灰霾预测预警有着极大的作用。
“如果蒙古国起沙了，监测中心就会根据沙尘迁移变化的实时遥感监测结合大气流场预测，判断能否影响到北京地区。”李令军说，遥感监测能反映污染物的传输、积累过程，有助于认识污染形成和变化的过程和规律，从而对未来的空气状况进行预测和预警。
当然，要做到对北京大气污染的精确监测，只依靠对卫星遥感数据并不准确，必须要“点面结合”，需要近地面实时监测数据的校核验证。
“遥感监测和地面监测相比精度还是略差一点。虽然范围广、监测效率高，但PM2.5等污染物的具体评价浓度还是以近地面监测数据为准。”李令军说。
在多项技术上实现重大创新
然而，对于用卫星直接监测雾霾，并用来分析、预测，这在国际上也属于前沿科学，全球还主要处于研究阶段，业务化应用不多。
“国际上现有的遥感技术可以反演部分大气污染参数，但是许多模型不适用于我国城市地区特有的污染情况，并且现有的模型算法大都基于科学研究试验模型，计算耗时、效率较低，在空气环境质量遥感监测的业务应用上适用性较差。”李令军说。
项目团队面临着无先例可参考，需要自己趟出一条路来的艰难。最终，年轻的项目团队精诚合作，逐个击破了各项技术难题。
他们集成基于国内外十余颗卫星数据的共20余套反演算法，并通过关键技术突破与优化改进，与国际同类研究相比在多项算法上实现了重大创新。
他们在国内率先将1公里的MODIS气溶胶产品用于区域环境的业务化监测，发展了城市地区高反射率地表气溶胶反演技术，解决了卫星产品用于空气质量监测的关键问题，开创了300米分辨率的气溶胶光学厚度反演技术，城市地区精度达85%，推动了我国环境卫星HJ-1A/B宽覆盖CCD数据对大气污染的监测作用。
他们还创新性发展了适用于大区域PM2.5的卫星遥感机理模型与反演技术，实现了城市群PM2.5卫星遥感监测，精度可达70%以上，与地面PM2.5站点网络结合，为北京地区空气质量监测提供基本信息支持。
他们并且在国际上首次实现了灰霾卫星遥感监测技术，解决了国际上缺乏灰霾组分模式和反演方法的难点问题，填补了我国环境空气质量遥感监测的空白。
“发达国家没有灰霾，国际气象组织的气溶胶组分构成中也没有灰霾这一类型的气溶胶组成模式，国际上现有的气溶胶算法不能有效处理我国经常出现的灰霾污染。”李令军介绍说。
针对灰霾组分模式的未知和灰霾状况下地表反射噪声估算难度较大两个世界性难题，项目团队提出了新思路，采用灰霾颗粒物组分电镜扫描、多角度卫星反演硫酸盐等可溶性盐和大气化学模式CAMQ模拟灰霾组分等综合技术手段，解决了灰霾气溶胶模式问题。
他们还突破了卫星遥感复杂模型与海量科学计算的工程化技术瓶颈，显著提升运行效率，创新性的解决了快速实时遥感反演的工程化技术难点，将气溶胶产品计算耗时由30分钟缩短到2分钟以内，将大气拉曼散射的计算时间缩短为原来的千分之一。
“这次我们在计算方法上做了创新。”李令军说，卫星的“照像”速度非常快，但遥感传回的数据量却很大，整轨数据在1G左右。过去分析这些数据需要三四个小时，通过技术改进，现在只要几分钟就可计算完成，这对今后实现数据的实时监测具有重大意义。
让所有污染源都“现原形”
卫星遥感监测除了能让灰霾“无处可逃”外，还开创了建筑扬尘、平房燃煤、农业等面源的高分卫星动态监测技术，为从区域尺度监管潜在污染源提供技术支持，极大地提高了执法能力。
比如说，利用不同特点的卫星数据，遥感监测还可以实现对区域林地、草地、耕地、湿地等监测。利用高分辨率的卫星传感器，遥感监测可以监控全北京的混凝土搅拌站和建筑裸地。
在空间分辨率可以到亚米级的卫星照相机镜头前，全北京的混凝土搅拌站无处遁形。“哪些搅拌站在工作，哪些搅拌站是否是违规建设，卫星图像清清楚楚。”李令军说。
据悉，监测中心会将卫星遥感监测结果及时提交给北京市环保局总量处与北京市环境监察总队，配合环境监察总队进行建筑裸地违规查处工作，配合总量处进行面源污染排放环境统计。
此外，卫星遥感监测通过对PM2.5前体物NO2、SO2的遥感观测，可动态监测和评估汽车尾气和工业燃煤排放在北京地区大气污染中的相对贡献，可为排放源控制、产业结构优化升级决策提供基本信息支持。
“我们利用卫星遥感技术，实现了北京市裸地扬尘、平房燃煤的动态监测，为环境执法和环境统计提供依据。”李令军说，建筑工地是一个容易产生扬尘的场所，北京每年有上亿平方米的在建裸地，如果管理不好，极容易造成扬尘，使得大气颗粒物浓度上升。
此外，每年6月—10月，结合地面地理信息数据，北京市环境监测中心会对北京及周边的农业用地基于卫星遥感进行每天的火点遥感监测，并且会结合农作物种植，提前做预评估，为监管工作提供一手信息来源。
助力京津冀联防联控空气质量
“空气质量监管不仅仅是北京的事情，而是一个区域的问题，需要联动地看。”李令军表示，在京津冀一体化的大背景下，北京周边区域的秸秆焚烧、建筑裸地和燃煤散烧等的遥感监测数据，将提供给京津冀及周边地区大气污染防治协作小组办公室，供其决策参考。
“你看北京周边的建筑裸地中，与北京接壤的河北区县比较集中，其中廊坊市辖区数量最多、面积最大。”李令军指着卫星监测图片中的一大块灰色地带说。
据了解，项目实施以来，监测中心共上报秸秆焚烧、沙尘、大气面源以及空气重污染等监测简报与遥感报告数百份，持续支撑了北京及周边省、市、各级环保部门的环境监管工作，已在北京、天津、河北等省市环保部门广泛应用。
“我们利用卫星数据，监控整个北京甚至京津冀的空气质量及其污染来源，比如哪儿烧秸秆了，我们一目了然。”李令军说。
此外，相关遥感监测成果多次以环保信息、工作简报、专项报告等形式报送国务院办公厅、京津冀及周边地区大气污染防治协作小组成员单位以及北京市政府、北京市环境保护局等，为北京及区域大气污染治理提供了重要的决策支撑。
“目前我们生成的每日京津冀PM2.5的区域数据，就是遥感数据配合地面监测数据矫正，得到区域的PM2.5分布变化情况。”李令军表示，“而目前卫星遥感主要的监测范围已经扩大到京津冀及周边7省区市，将山东、山西、内蒙古、河南也包含其中。”
