現代化環境空氣質量監測網絡構想

解淑艷 王瑞斌 李健軍 鄭皓皓 張 欣

（中國環境監測總站，北京 100012）

現代化環境空氣質量監測網絡構想

解淑艷 王瑞斌 李健軍 鄭皓皓 張 欣

（中國環境監測總站，北京 100012）

本文從環境空氣質量監測網絡現存的問題出發，結合衛星遙感、航空測量、地理信息系統等先進的環境監測技術，提出現代化環境空氣質量監測網絡構想。

現代化；環境空氣質量監測網絡；構想

由于城市群經濟迅速增長，能源消費不斷攀升，機動車數量迅猛增加，發達國家歷經近百年出現的環境問題在我國近二、三十年集中出現，空氣污染形勢發生了很大變化。大氣污染的范圍已不再局限于單個城市或單個工業區范圍，城市間大氣污染的相互影響和疊加日漸突出，煤煙型污染與光化學復合型污染問題相互交織。上世紀九十年代以來，NOX、顆粒物及其他污染物排放顯著增加，城市的細粒子和光化學污染問題日益突出，給人們的生產生活造成了一定的影響，公眾反映強烈。反映出我國目前的環境空氣質量監測網絡還存在著一些問題，不能全面反映空氣質量的真實狀況。

1 監測現狀

我國空氣質量監測起步于上世紀70年代中期。到80年代，建立了最早的國家環境空氣質量監測網絡，監測項目主要是二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）和總懸浮顆粒物（TSP），大部分城市采用的是手工采樣-實驗室分析的手工監測方法，少部分大城市開展了空氣自動監測系統。到90年代，覆蓋城市擴大到了103個。1997年，全國46個環境保護重點城市實現環境空氣質量周報，并于1998年1月開始向社會發布。2000年，全國地市級以上城市大都開展了空氣質量自動監測，監測項目為SO2、NO2和可吸入顆粒物（PM10）。

歷經“九五”、“十五”、“十一五”的發展和建設，截至“十一五”末，已建成了由113個環保重點城市661個環境空氣質量自動監測站點、14個國家環境空氣背景監測網監測站點、31個國家農村空氣監測網監測站點、440個國家酸沉降監測站網監測站點、82個沙塵天氣影響環境空氣質量監測站點、31個城市溫室氣體試驗監測網監測站點，24個京津冀區域空氣質量監測網監測站點組成的國家環境空氣質量監測網。

目前，我國環境空氣質量監測網還存在以下主要問題：

（1）國家環境空氣質量監測網主要覆蓋113個環保重點城市，廣大地級以上城市、農村、區域及背景地區建設的監測點位還很少，不能全面反映全國空氣質量狀況；

（2）監測項目不全，目前大部分城市的監測因子為二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物，對于新出現的復合型污染重要因子PM2.5、臭氧、一氧化碳等監測因子還不具備監測能力，導致監測結果與公眾感受不一致的情況時有發生；

（3）現有的城市監測點位并未實現全部自動化監測，少部分城市的監測能力還停留在手工采樣實驗室分析階段，監測結果不及時；

（4）部分城市的環境空氣自動監測儀器設備使用年限太長、儀器設備老化、故障率及返修率高；

（5）質量控制和質量保證措施不全或操作不規范，有的實驗室的標準氣體已經過期卻沒有更換，質控設備故障沒有及時維修等因素，導致部分城市質量控制和質量保證工作不到位；

（6）國家級行業或標準方法、技術規范、評價體系不完善；

（7）信息發布及預警體系開發處于起步階段，還未正式納入國家建設的范疇。

隨著社會經濟的快速發展，能源消耗的不斷增加，現有的監測網絡已不能滿足形勢嚴峻的空氣污染問題，因此，利用先進的科學技術和理念，建立一個現代化的、天地一體化的環境空氣質量監測網絡是滿足人民群眾環境知情權、環境管理的迫切需要。

2 現代化環境空氣質量監測網絡的構成

為了適應時代的發展需要，為環境管理、綜合決策提供堅實的科技支持，為公眾提供優質環境信息服務，應建立一個布局合理、覆蓋全面、功能齊全、指標完整、運行高效的國家環境空氣質量監測網絡，充分利于激光雷達、環境衛星等先進的科學技術，實現環境空氣質量監測“天地一體化”的格局。網絡構架見圖1。

現代化的環境空氣質量監測網絡應該是由地面監測、遙感監測和其他先進技術相結合的有機整體，同時加強質量保證、質量控制工作，建設先進的環境空氣質量監測預警平臺，實現城市、區域、背景尺度全覆蓋，地面監測與遙感監測相結合，信息發布及時直觀。

2.1 地面監測系統

地面監測系統應由監測點位、數據傳輸及網絡化監控平臺、信息發布及區域化的監測預警平臺等主要部分構成，同時還應建立相應的、先進的質控實驗室。

2.1.1 監測點位及監測項目

應在城市、區域和背景三個尺度形成層次分明、功能完善的監測網絡，城市尺度的環境空氣質量監測網主要以現有城市空氣質量監測網絡為依托，根據不同的監測目的，優化監測點位，建立更加合理的城市環境空氣質量監測網絡，了解城市空氣污染水平，并為治理城市污染、改善城市空氣質量提供可靠和科學的監測數據。區域尺度和背景尺度的環境空氣質量監測網主要圍繞環境保護部區域聯防聯控目標，以“三區九群”區域站、國家農村站、國家大氣背景站為依托，逐步完善配備先進的環境空氣監測設備及相關設施，了解區域和背景地區的空氣污染水平，并為跨區域的空氣污染問題的解決提供科學數據。

圖1 現代化環境空氣質量監測網絡構架圖

2011年11月16日，環保部就《環境空氣質量標準》（修訂稿）第二次公開征求社會意見，此次征求意見的新標準與原標準相比，在一般項目中增加了細粒子（PM2.5）標準、臭氧8小時標準等內容。新標準將于2016年1月1日開始實施。為了滿足新標準的要求，需在現有的SO2、NO2和可吸入顆粒物(PM10)三項指標基礎上增加本文對PM2.5監測網絡的建立和運行進行了策劃和論述。在監測點位中增加細粒子（PM2.5）、O3和CO等自動監測項目，同時還應具備監測總懸浮顆粒物（TSP）、氮氧化物（NOX）、鉛（Pb）、苯并［a］芘（BaP）、氟化物等項目的監測能力。因此，在監測網絡中應建立相應的監測能力，并選擇一些監測基礎較好、復合型空氣污染較重的地區開展具有前瞻性的試點監測工作，開展PM1、VOCs、汞等對人體健康的危害、形成機理、治理措施及監測技術等研究工作，為將來監測項目的擴大奠定良好的基礎并積累相關的原始數據。

有條件的城市或地區可配備一定數量的環境空氣自動監測車，用于移動源的監測或固定源的臨時監測，同時可用于與固定臺站的比對測試工作。監測車應根據監測目的的不同配備相應的監測設備和便攜式分析儀。

2.1.2 數據傳輸及網絡化監控平臺

網絡數據傳輸和處理系統是監測網絡最重要的基礎之一，新一代的空氣監測網絡的實時數據傳輸和處理、質控信息和數據核查需要集成建立在統一的VPN數據傳輸和處理系統網絡上。將目前分段中繼式的直聯網升級為點對點（或一點多發）的實時VPN數據傳輸和處理系統網絡，將目前分離的數據核查和質控信息、日報和預報業務等工作集成到這個網絡。即實現子站數據同時傳輸至多個數據平臺，實現數據真正的實時傳輸。

以環境空氣自動監測數據為基礎和核心的數據管理和運用在環境管理中占有重要的地位，但在國家對自動監測系統的監控、運行管理、數據審核方面，存在一些明顯的不足，主要表現在：不能對監測過程及結果進行有效的質量控制；未能充分體現出自動監測在線、可視的特點；信息的加工處理能力差，無法形成綜合性的信息庫，不能滿足環保部門決策的需求等。建立監測網絡的質控監控平臺能實現監控及監測數據信息化，提高信息采集、傳輸、處理的準確性、時效性和自動化水平，為自動監測過程提供監控手段，實時監控和展示國家監測網絡的空氣質量狀況，為決策提供依據，為環境保護更好地服務經濟社會發展創造條件。

通過現場控制器采集到的數據分為狀態數據、監測數據和質量控制數據，其中監測數據分為有效監測數據和無效監測數據，根據建立的數據有效性判別原則，對數據進行分類管理，按照所指定的具體指標和要求，將質量管理體系的集約化數據規整、判別、審核，并將其與站房運行狀態進行遠程控制。

按照一定的周期，以遠程控制的自動化方式來實現檢查、校準監測設備工作，從而實現控制和保證子站監測設備數據準確度，克服、消減因儀器零點、跨度飄移和線性等因素造成的誤差（或不確定度）。

2.1.3 信息發布及區域化的監測預警平臺

實現環境空氣質量監測信息的實時監測、實時發布、及時發布監測預警信息等是為了做到真正保護人體健康的重要工作，實現預警信息發布、傳播、接收快捷高效的監測預警體系是現代化環境空氣質量監測網絡的重要環節。

系統以監測數據的流向為依據，總體劃分為現場監測子站、通訊網絡、控制中心、用戶四個部分。將全國環境空氣自動監測質控網絡建成一個統一的管理平臺，用戶只需通過一個界面，就可以訪問到各個監測子站的實時監測數據，也可以通過訂閱報警信息等手段，如采用手機、電子郵件等即時接收系統發來的監測預警信息或儀器設備故障情況等信息，會手機短信。同時，中國環境監測總站對傳送到控制中心的各種信息（包括監測數據和儀器設備運行狀態參數），按照統一的數據質控管理程序對監測數據進行有效性分析和判別，有效的監測數據以小時均值的方式存入共享數據庫中，同時可以此生成日報、周報、月報等各種數據報表。

2.1.4 質量保證/質量控制中心

數據質量是整個監測系統的基礎，保證監測數據的準確性是監測工作的重要內容，因此應建立國家級的質控中心、省級和地市級質控實驗室，國家級的質控中心每年不定期隨機對部分地市級監測設備進行抽測，省級質控實驗室負責轄區內所有地市級質控設備的標準溯源及質量保證和控制工作，地市級質控實驗室負責轄區內所有監測設備的質量保證和控制工作。質量保證和質量控制措施和信息通過數據傳輸及網絡化質控平臺實時傳輸到各級數據中心平臺上。

2.2 空中監測系統

2.2.1 雷達

利用多普勒天氣雷達、風廓線雷達、偏振激光雷達等對沙塵暴天氣進行監測和預報，已經成為一種實用的監測技術手段。韓經緯等利用天氣雷達和T213數值預報產品資料對2005年發生在內蒙古中的一次局地強沙塵暴和雷雨大風天氣過程進行了連續的監測和分析，表明局地強沙塵暴發生前,動力、熱力場條件和系統結構有利于強對流天氣的發生發展,沙塵暴發生區域,低層散度的輻合中心和垂直運動的上升中心有很好的對應關系,并與雷達資料的逆風區相對應。

2.2.2 航空測量

航空測量是指由飛機等航空器加載需要的設備，如攝影機、監測設備等，按照設計的航線進行飛行觀測的活動。王瑋等對長江三角洲、珠江三角洲及京津唐三大城市群開展了主要氣態污染物（SO2、NOX、O3、顆粒物的質量濃度、離子濃度、元素濃度、OC和EC濃度等）的航空測量研究，均得出客觀的結論。

2.2.3 高空科學氣球

來自美國環保署的國家風險管理研究實驗室的空氣質量研究人員在墨西哥灣漏油事件中采用熱氣球加載監測設備的方法對漏油地點附近的空氣進行采樣，半自動分析由于溢油燃燒產生的污染物，并評估暴露工作人員的健康危害。

熱氣球采樣方法是由美國環保署空氣質量研究人員研發出來，用以測定爆炸、森林火災、填埋垃圾的燃燒等所產生的有害廢物。熱氣球上可裝載18kg的儀器設備，在風速小于47公里/小時的天氣條件下進行采樣。裝載的設備可根據需要自主搭配，一般的采樣設備包括CO、CO2、粒徑從0.25到2.5微米的顆粒物以及其他有毒有害污染物，還可對周圍環境的溫度、相對濕度等氣象參數進行觀測，同時可裝配GPS用于定位，以及攝像儀進行實況錄像。

2008年，法國巴黎地區空氣質量監測站采用一個空氣質量熱氣球在半空漂浮，這個氣球可根據巴黎地區的空氣質量改變顏色。綠色、橙黃色和紅色分別表示空氣質量極佳、一般、較差，該氣球升空后，可在方圓40公里內看到。這是一種直觀、有效的發布空氣質量狀況的方法。

2.3 衛星遙感系統

遙感監測手段可以較好地調查大氣污染源的分布、污染源周圍的擴散條件、污染物的擴散影響范圍等，通常用植物對大氣環境的指示作用來判別城市大氣環境質量狀況，生長正常的植物對紅外線的反射強，受到污染的植物對紅外線反射弱，因此，在彩色紅外像片上顏色有明暗區別，通過遙感監測結果可對城市污染源及其擴散影響、污染程度進行分析研究。同時，結合監測站點的資料可以定量化獲取大氣污染指標，利用同一地物的不同光譜特性，通過一定的處理分析，可監測城市中主要大氣污染物、顆粒大小及空間區域分布。結合彩色紅外遙感圖像及常規地面監測數據，可建立城市大氣污染的評估模型。

遙感系統在環境空氣質量監測中的應用主要體現在以下幾個方面。

2.3.1 對大氣氣溶膠的監測

高分辨率的衛星遙感可彌補一般地面監測系統難以反映氣溶膠空間分布及變化趨向的不足, 為城市污染分析、區域乃至全球氣候研究提供研究資料。李成才等利用NASAMODIS 氣溶膠光學厚度產品與北京市空氣污染指數進行長期比較分析，結果表明，衛星遙感氣溶膠光學厚度在經過垂直和濕度影響兩方面的訂正后，可作為監測顆粒物污染地面分布的一個有效手段。王雪梅等利用從TM衛星數據直接定量提取區域大氣污染氣體累加濃度信息，結果表明所提取的污染信息對珠江口大氣污染狀況優較客觀、形象的再現。

2.3.2 對臭氧層的監測

自1978年以來, 科學家們利用搭載在Nimbus-7衛星上的臭氧制圖光譜儀（TOMS）對大氣中的臭氧進行了衛星觀測, 開創了利用遙感手段對全球變化進行研究的先河。胡順星等［13］利用激光雷達對對流層2km-3.6km 高度范圍的臭氧分布進行了測量, 得到了比較精確的臭氧分布。

2.3.3 對沙塵暴的監測

目前對沙塵暴的遙感監測主要是利用MODIS和NOAA/ AVHRR 數據。厲青等通過分析沙塵暴的波譜響應特征及EOS-Terra/MODIS傳感器通道的特點，提出了利用MODIS進行沙塵暴監測的熱紅外雙通道差值法、三通道彩色合成直方圖均衡增強法及基于雙通道域值的疊加分析法，認為基于雙通道域值的疊加分析法是一種集定量、定性分析于一體的監測方法，有利于對沙塵暴信息的準確提取，可作為MODIS數據進行沙塵暴監測的有效手段。

章偉偉等采用EOSTerra/MODIS 數據通過分析沙塵暴的波譜特征和MODIS 傳感器通道的特點, 采取基于雙通道閡值的疊加分析法對對內蒙古的沙塵暴進行了提取監測。范一大等提出了利用NOAA/AVHRR數據提取沙塵暴信息和沙塵暴信息密度分割的方法, 經與氣象數據對比驗證, 結果比較滿意。

2.3.4 對二氧化碳、CH4的監測

二氧化碳主要吸收帶為2.60-2.80μm，4.10-4.45μm，9.10-10.90μm，12.9-17.1μm，均處于紅外區，可用NOAA氣象衛星搭載的多通道微波輻射計獲取信息。白文廣利用輻射傳輸模式模擬分析衛星星下和臨邊觀測結果表明，在紅外3.3μm和2.3μm波段對0-5km高度處的CH4敏感性最高。

利用地理信息系統、衛星及多源遙感數據紫外、可見光及近紅外波段的光譜信息定量反演大氣氣溶膠光學厚度、近地表二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物、可吸入顆粒物、總懸浮顆粒物等參數，建立區域環境空氣變化遙感監測實用化模型，利用地基驗證和多源交叉定標對衛星氣溶膠及大氣成分反演結果進行校正。

研究和集成衛星、多源遙感數據和地面監測點位環境監測數據的特征污染物信息提取技術、擴散過程模擬與仿真技術、時空變化分析技術、可視化表達技術，開展區域環境空氣質量遙感評價研究，綜合評估重點城市環境空氣污染和跨區域空氣污染狀況。

2.4 其他先進技術的應用

2.4.1 地理信息系統（GIS）

隨著監測技術和計算機技術的不斷發展，將現代化環境監測技術手段與計算機地理信息系統相結合，形成環境信息演示、模擬、預測與應急系統，將是環境監測為環境決策服務的重要手段。為了能更好地利用大量的地面監測數據，研究各污染物的來源和污染特性，更好地分析影響各污染物變化的因素，找到更有效的控制和治理措施，利用地理信息系統開展環境空氣質量狀況的模擬演示，并開展預警信息系統平臺建設，利用高技術手段最終建立服務于政府、公眾和環境保護工作的環境監測、演示、預測、預警信息平臺，這將使環境空氣質量監測水平跨上一個新臺階。

在環境監測領域，根據遙感技術（RS）、地理信息系統（GIS）、全球定位系統（GPS）相結合的3S技術，開發適合環境保護與監測的集遙感、地理信息系統和三維定位技術于一體的綜合多功能技術平臺，將有利于環境要素、污染源的定位，實時并快速提供大面積地表建筑及周圍環境變化信息，利用地理信息系統將各要素及環境污染狀況在電子地圖上非常直觀的顯示出來，便于環境管理、公眾知情，是動態反應城市環境空氣質量狀況的有效方法。

2.4.2 模式研究

空氣質量模式是大氣污染預報與控制的重要研究工具之一，數學模型可描述大氣污染物的物理化學性質，通過探索大氣污染排放的時空規律，研究污染物在大氣中輸送、演變、清楚的過程。模式的開發涉及到大氣物理學、大氣化學、大氣動力學、大氣探測與遙感、計算機與網絡技術等多方面學科領域，是科學性、復雜性、綜合性很強的系統工程，在城市和區域、甚至全球空氣污染控制方面都具有較為廣闊的發展前景。

王自發等在北京奧運空氣質量保證工作中，利用模式研究北京及周邊地區空氣質量特征及其對北京空氣質量的影響，有效評價了奧運空氣質量保障措施效果，為背景奧運空氣質量保障提供了科學支撐。

3 結論與展望

以上研究表明，現代化的環境空氣質量監測網絡應該是由地面監測、遙感監測和其他先進技術相結合的有機整體，同時加強質量保證、質量控制工作，建設先進的環境空氣質量監測預警平臺，實現城市、區域、背景尺度全覆蓋，地面監測與遙感監測相結合，信息發布及時直觀。為了適應環保工作需要，為環境管理、綜合決策提供堅實科技支持，為公眾提供優質環境信息服務，我國應建立一個布局合理、覆蓋全面、功能齊全、指標完整、運行高效的國家環境空氣質量監測網絡，充分利于激光雷達、環境衛星等先進科學技術，實現環境空氣質量監測“天地一體化”的格局。

總之，現代化的環境空氣質量監測網絡的建立，將進一步完善國家環境空氣質量監測網絡的監測能力，使之具備空氣質量新標準全項目監測能力，具備解決環保熱點問題（如灰霾、光化學污染等）的監測能力，實現國務院和環保部提出的分四階段實現的貫徹環境空氣質量標準的能力建設目標。全面反映城市空氣質量，使之與公眾感受接近一致，為公眾提供更全面及時的空氣質量狀況信息。為環境管理提供科學依據，從而實現對灰霾和光化學污染等的控制、管理。為政策制定、環境外交、環境國際合作、環境科學研究等提供支持和服務。

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Concept of Modern Ambient Air Quality Monitoring Network

XIE Shuyan WANG Ruibin LI Jianjun ZHENG Haohao ZHANG Xin
(China National Monitoring Center, Beijing 100012)

The problems of recent ambient air monitoring center is stated in this paper, combine with secondary planet, remote sensing, aerial survey, geography information systems, and other modern environmental monitoring technologies, and propose modern ambient air quality monitoring network concept.

Modern; Ambient air quality monitoring network; Idea

X820.2

A

1673-288X（2012）04-0026-06

項目資助: 山地區域空氣質量檢測點位布設技術研究（項目編號: 2009467010）

解淑艷, 碩士, 工程師