卫星气溶胶反演

2013/7/9
39
建议6：加强大气污染高时频监测技术
我国大气痕量气体差分吸收光谱仪主要技术指标
项目
光谱范围 信噪比 光谱分辨率 杂散光 工作模式 空间分辨率
技术指标
240-315nm、311-403nm 401-600nm、590-790nm 优于200@UV>312nm（辐亮度1.27μm/ cm2· sr· nm时） 优于2000@VIS>312nm（辐亮度10.89μm/ cm2· sr· nm时） 0.3 -0.5nm • 韩国与哈弗大学合作开展静
污染天天排，华北平原有污染物本底：前题 中高空西北来了浮尘：新源 浮尘和污染物混合了：新的重要机制 低空吹起了偏南风：重要条件 偏南风带来了水汽：逻辑关系成立 混合颗粒吸湿长大，能见度下降：主导成霾机制
28
8－14日5km以下大气温度廓线分布
大气温度廓线分布 北京 郑州
——北京城市气象研究所提供
北京大学 2013年定量遥感进展
我国中东部极端雾霾卫星解析
陈良富
遥感科学国家重点实验室 2013年7月6日
内
容
1. 极端大气污染的现状与成因问题？ 2. 卫星观测现状与问题？ 3. 发展战略与关键技术？
我国大气污染依然十分严重
三个显著特点 ① 影响范围大 ② 持续时间长 ③ 浓度水平高
极端雾霾期间北京的情景
华北地区的NO2对流层柱浓度分布图
2013年1月1日 2013年1月9日
2013年1月26日
逆温层不利于污染物 扩散,造成污染物浓度 水平高
13
OMI臭氧监测仪／Aura卫星
OMI （Ozone Monitoring Instrument）
波段范围：270–500 纳米，紫外－可见光 紫外气溶胶指数（UAI，UV Aerosol Index) ：基于大气分子散射与气溶胶吸收特性，可以 用于紫外波段吸收性气溶胶的探测。对2km以 上矿物质气溶胶和生物质燃烧的烟尘敏感，可 探测中高层的浮尘、生物质燃烧等
2013.1.27
2013.1.28
2013.1.29
发现新源：西北来了浮尘
1月周平均浮尘分布
2013.1.1~2013.1.7
2013.1.8~2013.1.14
2013.1.15~2013.1.21
2013.1.22~2013.1.29
18
发现新源：西北来了浮尘？
• 华北地区上空，近2～3天就有一次浮尘来袭
监测站点分布
4
极端污染事件成因认识
目前主流认识 ① 污染物排放量大 ② 扩散条件不利 ③ 区域污染和本地污染 叠加 北京主要污染物 • 燃煤、机动车、工业 污染和扬尘
• 燃煤：3.34亿吨（京津冀： 0.24、0.4、2.7亿吨）
钢铁：耗煤大约1.6亿吨 电厂和热电：耗煤1.28亿吨 水泥：耗煤在0.16亿吨 三项合计占总耗煤的90%。
0.04 .sr-10.04
0
0
0
0.05 单位： Mm 0.05
-1
单 位 ： Mm-1.sr-1
0.1 .sr-1 0.1
0
0 0
0
0.5
0.5 1
1
0
0 -2
0
0 单位 1 ： Mm 2
2
-1
4
-1 -3 .sr 3 x 10
0 0
0
0
0.01 单位 ： Mm 0.01
-1
0.02
-1 .sr 0.02
激光雷达探测到的大气云气溶胶 后向散射系数的垂直剖面
浮尘和污染物混合
2013年1月11日
2013年1月13日2：00时
浮尘和污染物混合
2013年1月24日
2013年1月25日
颗粒物吸湿增长，消光能力增强
依据：北京地区2007年8月至2009年8月四个季节内PM10平均质量消光 效率随相对湿度变化模型
2012年9月NO CO 2平均
NMVOC
PM10
±12% ±68%
±31% PM2.5 BC
±68%
N OC
±132% ±258% 2012年12月NO2平均
±130%
±208%
2013年1月NO2周平均
Zhang Q. et al., 2006, ACP
排放源清单不确定性非常大！
建议5：加强卫星资料的同化技术
0 0
0
0
0.5
0.5
1
1
0
0
-1 -3 单 位 ： Mm-1.sr x 10
单 位 ： Mm-1.sr-1
建议3：加强颗粒物成分卫星监测技术
沙尘 硫酸盐
烟尘
•
卫星能否在初步分类的基础 上，给出颗粒物的成分，如沙 尘、硫酸盐、黑炭和水分等含 量的探测？
建议4：加强源清单的卫星反演技术
SO2 2012年8月NO2平均 NOx
区域尺度遥感监测PM10、PM2.5月平均浓度
PM10
七月
八月
九月
PM2.5
Science in China (Series D), 2011
1月8～14日期间中东部地区雾霾分布
10
1月24～30日期间中东部地区雾霾分布
11
霾范围与PM2.5分布
2013.1.8~2013.1.14
12
从卫星监测的对流层NO2 柱浓度
——中国石油石油化工研究院 李振宇
极端雾霾期间中东部卫星监测结果
北京市常见的污染过程
北京的空气质量受天气过程控制非常明显
• 北京一场风、或一场雨过后，空气质量非常好 • 静稳天气，排放的污染物逐渐累积，空气质量逐渐变差 • 大概经过一周时间，又来一场风，把污染物刮跑
6
北京市局地污染状况
SO2: 21 ug/m3 NO2: 84 ug/m3 PM10: 121 ug/m3
31
极端雾霾天的解释是否可行？
污染天天排，华北平原有污染物本底：前题 中高空西北来了浮尘：新源 浮尘和污染物混合了：新的重要机制 影响范围大！ 低空吹起了偏南风：重要条件 偏南风带来了水汽：逻辑关系成立 混合颗粒吸湿长大，能见度下降：主导成霾机制 成霾后地温降低形成逆温层、低空更加静稳：大 气物理的逆温形成机制 浓度水平高！ 逆温层不利于污染物扩散：逻辑关系存立 成霾后地温降低相对湿度增大，促使雾霾更加严 持续时间长！ 重：成雾机制发生作用
2010年11月5日摄于香山
成因解释 ——排放量大、静稳天气、局地排放集聚 主要污染物 ——燃煤、机动车、工业污染和扬尘
7
局地源引起颗粒物浓度分布
北京地区：卫星遥感获得的1km分辨率的地面PM10、PM2.5干 质量浓度 （2007年8月15日晴天）
PM10 分布
PM2.5 分布 ——Remote Sensing of Envi., 2010
春
夏
秋
冬
23
底层大气有偏南风
1月8日18点 1月9日18点 1月10日18点 1月11日18点
1月12日24点
1月13日8点
1月14日24点
1月15日18点
24
底层大气有偏南风
1月24日18点 1月25日18点 1月26日18点 1月27日18点
1月28日18点
1月29日18点
1月30日18点
1月31日18点
16日
17日
18日
19日
20日
21日
22日
23日
24日
25日
26日
27日
28日
2013年1月日期
北京市1月小时平均相对湿度变化
29日
30
北京31日早晨的冻雨现象
空气相对湿度达到饱和后，霾粒子液化形成雾滴，启动了成 雾机制；雾滴形成过冷水后下降形成冻雨。
31th Jan. 2013
北京市31月早上冬雨造成陆面结冰打滑
全国1月份浮尘发生的频次分布
19
CALIOP云气溶胶偏振激光雷达／CALIPSO卫星
——CALIOP（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)
•搭载在CALIPSO卫星上、可以在532 nm、 1064 nm波段探测气溶胶后向散射，在 532 nm 波段探测气溶胶线性偏振度 •矿物质（浮尘、沙尘）可通过非球型具有较 高的退偏比很容易被识别 •CALIPSO算法基于光学特性可以识别出气溶 胶的6种亚类：烟羽、沙尘、污染沙尘、排放 的污染物、海洋型气溶胶.
FY-2静止卫星云图
总视场
止卫星观测的设计，预计 <10-3 2018年发射，卫星预计寿命 天底推扫 10 年 °（交轨） • 114 美国、日本提出发展计划
<48km(垂直于轨道) ×13km(沿轨方向)
静止卫星扫描示意图
2010年2月
2010年3月
2010年4月
二氧化氮 高纬地区 中纬地区 低纬地区
甲醛 不同纬度带、不同季节的二氧化氮、甲醛的对流层廓线
建议2：加强边界层污染物垂直分布监测技术
3月11日无锡激光雷达观测结果
建议2：加强颗粒物成分垂直遥感监测技术
千 米
2013年1月11日CALIPSO气溶胶类型分布图
29
北京的相对湿度趋向饱和
成霾后地温、气温降低使空气相对湿度提高，进一步加重成 霾过程；空气相对湿度达到饱和后，霾粒子液化形成雾滴， 启动了成雾机制。
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
相对湿度（%）
8日
9日
1日
2日
3日
4日
5日
6日
7日
10日
11日
12日
13日
14日
15日
可以探测对流层污染气体NO2、SO2
2013年1月9日浮尘
发现新源：西北来了浮尘
8－14日浮尘监测结果
2013.1.8
2013.1.9
2013.1.10
2013.1.12
2013.1.13
2013.1.14
发现新源：西北来了浮尘
24－29日浮尘监测结果
2013.1.24
2013.1.25
2013.1.26
25
AIRS红外数据反演的湿度廓线
5km以下大气湿度廓线分布
北京：8－14日 郑州：8－14日
北京：25－30日
郑州：25－30日
偏南风带来了大量水汽
26
颗粒物吸湿增长，能见度下降
依据：北京地区2007年8月至2009年8月四个季节内PM10平均质量消光 效率随相对湿度变化模型
春
夏
秋
冬
27
是否能解释“影响范围大”？
8
行射 散系 射数 系 平平 行散 8 7
数
8
退 偏 退偏 比 8 7
比
7
7
7
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
Fra Baidu bibliotek
5
5
5
5
5
5 5
5
5
5
5
5
千 米
4
4
4
4
4
4 4
4
4
4
4
4
3
3
3
3
3
3 3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2 2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1 1
1
1
1
1
1
0
0
0
0.02 单位： Mm 0.02
-1
单 位 ： Mm-1.sr-1
32
我国中东部极端雾霾事件的成因
• 一月份的强雾霾事件：是在浮尘和水汽共同 作用下，加速成霾过程，放大人为排放的污 染效果的一种自然因素和人为因素共同作用 的事件！ • 换句话：浮尘、水汽两个外部因素，是北京 市极端污染事件的帮凶！
33
建议1：加强污染气体低层浓度监测技术
NO2柱浓度
2010年1月
沙 系数 数系 系数 数 沙尘 尘后 后向 向散 散射 射系 8 8 7 7 6 非沙 沙尘 尘后 后向 向 散 射 系 数 沙 沙尘 尘后 后 向 散 射 系 数 所 非 散 射 系 数 向 散 射 系 数 所 占占 比比 例例 8 8 88 8 7 7 6
77
垂 垂 直直 散散 射射 系系 数数 8 7