衛星“透視”霾：中國科學家遙感探測大氣污染
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時近秋冬。這幾日,京城又開始鎖“霾”。
對于中國人而言，霧霾是“夢魘”。中國衛生計生委稱，2013年年初的霧霾危機，輻射范圍達140萬平方公里，影響6億多人。
如何探測霧霾以尋找應對之策，不僅為老百姓關切，也是中國科學家們致力攻克的技術難題。大尺度衛星遙感大氣污染技術，正成為中國治理大氣污染的新興手段。
傳統衛星觀測氣溶膠受限多
對于大氣污染監測，目前國內主要是基于地面站點的觀測儀器獲取大氣污染物的濃度，但是站點的觀測結果只能代表站點所在區域一定范圍內的大氣污染情況，且觀測站點的數量在空間覆蓋上有限，如何更加客觀和準確地來評價大氣污染狀況成為科學家們關注的熱點問題。
國家衛星氣象中心衛星氣象研究所副所長張興贏研究員，是國內較早開展衛星大氣成分遙感監測應用研究的學者。他所帶領的衛星大氣成分遙感應用研究團隊在衛星大氣成分遙感應用研究領域開展了深入探索，已初步建成中國自主衛星大氣成分地面數據反演處理體系，正推動國內自主衛星大氣成分遙感監測業務體系蓬勃發展。
衛星能不能直接探測到顆粒物？張興贏說，全球關于這方面的研究還很有限，目前都是基于衛星可見光獲得的氣溶膠光學厚度產品，然后結合大氣化學模式和訂正的方法，計算出顆粒物的含量。
由于目前傳統的衛星觀測氣溶膠是利用可見光波段，必須在晴空無云的條件下才可以獲得產品。在霧霾遮天蔽日時，目前技術無法獲得準確的氣溶膠光學厚度，自然也無法得到顆粒物的濃度。
從國際科學家以及中國科研人員的研究結論來看，即便是晴空無云條件下從衛星探測的角度來獲取顆粒物的濃度，精度誤差也在正負100%范圍間，平均誤差在40%-50%。“這樣的顆粒物探測精度顯然無法滿足對大氣污染探測的要求。”張興贏說。
紫外波段遙感有效監測霧霾
去年大范圍霧霾發生后，為了突破上述難題，國家衛星氣象中心開展了一項創新的工作，利用風云三號氣象衛星的紫外波段儀器，開發出了一種可以不受云影響、全天候監測霧霾污染影響范圍和嚴重程度的產品。
“紫外波段對云和水汽不敏感,但是對大氣中的吸收性氣溶膠非常敏感。”張興贏說。
吸收性氣溶膠，主要就是在紫外波段有強烈吸收信號的大氣化學物質，通常是指沙塵氣溶膠和碳質氣溶膠。而碳質氣溶膠正好是霾中很重要的化學組成成分。
張興贏分析研究發現，中國區域的大氣污染顆粒物中的化學組成主要包含三種成分：硫酸鹽、硝酸鹽和含碳的成分，霧霾顆粒物中含有較高的碳質成分，且含量大小與硫酸鹽和硝酸鹽成正比。
“一旦衛星能夠捕捉到這些顆粒物中含碳成分的高低，也就間接可以捕捉到霧霾污染的嚴重程度。”張興贏認為，利用紫外光遙感監測大氣中碳質成分的變化，可以較為準確地監測霧霾的污染情況，對于霾的防治有很重要的意義。”
從去年一月起,國家衛星氣象中心經過多次霧霾天氣的衛星探測實驗，比對分析紫外波段衛星產品與地面顆粒物的觀測結果以及氣象臺站對霧霾的記錄，發現衛星紫外產品確實可以比較客觀和準確地捕捉到霧霾影響和覆蓋的區域，并且可以定量地區分霧霾污染程度的大小。
一年多來，科學家們經過不斷改進和提高，把紫外波段衛星產品從科研轉到業務，“現在每天都利用中國氣象衛星的紫外波段產品監測我們的霧霾污染情況。”張興贏說。
未來多顆衛星太空組網 三維探測大氣污染
大氣污染需要綜合的探測和治理，霧霾探測只是其中的一部分。要想更好地治理中國的大氣環境，還需要對污染氣體和溫室氣體等多種大氣化學成分開展綜合探測。中國氣象局正在考慮充分利用風云系列氣象衛星遙感的監測優勢，加強對霾以及大氣其他主要化學成分的含量、影響區域以及區域之間的輸送等開展監測和分析。
據悉，中國氣象局國家衛星氣象中心將在2016年發射風云三號氣象衛星D星，這顆衛星上除了原有的紫外探測儀器等11個儀器，還將新增加溫室氣體探測儀器，實現對全球溫室氣體的探測。
此外，由科技部立項研制，中國氣象局作為唯一用戶的二氧化碳監測小衛星已于去年7月轉入初樣研制階段，也將于2016年發射，不僅可以實現對全球熱點區域大氣二氧化碳的精確探測，同時衛星上的另外一個新型氣溶膠探測儀器，將可實現對氣溶膠更加精確的監測。
“未來三到五年，中國將有多顆衛星在太空組網開展對污染氣體和溫室氣體等多種大氣化學成分的綜合三維探測。”張興贏說，這些新的衛星應用技術不僅可以很大程度上幫助提升霾的預報、預警質量，對中國大氣污染治理也將產生深遠的影響。
