基于遙感影像和環(huán)保基站數(shù)據(jù)的PM2.5監(jiān)測(cè)方法比較

逯喜宏++周軍其++林宏波

【摘 要】 PM2.5的常用的監(jiān)測(cè)方法是建立環(huán)保基站利用儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得精度較高且連續(xù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，不足之處在于不能全面獲取一個(gè)地區(qū)PM2.5時(shí)空分布信息，且建站的成本高，周期長。與常用監(jiān)測(cè)方法相對(duì)應(yīng)的是利用遙感影像進(jìn)行PM2.5的監(jiān)測(cè)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)M2.5進(jìn)行大范圍的監(jiān)測(cè)，缺點(diǎn)在于無法得到PM2.5成分。本文的觀點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)PM2.5的快速有效監(jiān)測(cè)，就必須將這兩種方法結(jié)合起來。為此，本文提出了一種新的PM2.5的監(jiān)測(cè)方法。

【關(guān)鍵詞】 PM2.5 遙感影像 環(huán)保基站數(shù)據(jù) 監(jiān)測(cè)

2013年12月8日，中央氣象臺(tái)持續(xù)發(fā)布霧和霾橙色雙預(yù)警，中國大陸共有25個(gè)省、104座城市出現(xiàn)霧霾天氣，覆蓋了我國將近一半的國土。[1]越來越嚴(yán)重的霧霾天氣受到了政府和公眾的高度關(guān)注，治理霧霾已經(jīng)成了一件刻不容緩的大事。霧霾其實(shí)就是空氣中懸浮的顆粒物的總稱，通常情況下，按照直徑的大小，將空氣中懸浮的顆粒物分為三類，第一類是直徑大于10微米而小于100微米總的懸浮顆粒物；第二類是直徑大于2.5微米而小于10微米的可吸收顆粒物；第三類是直徑小于等于2.5微米的顆粒物。[2]

PM2.5指直徑小于等于2.5微米的可吸入顆粒物。[3]城市大氣中PM2.5的來源和成分十分復(fù)雜：來源上，各種燃燒的過程如煤炭燃燒、油氣的燃燒以及機(jī)動(dòng)車排放的尾氣等；成分上，有二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx），以及揮發(fā)性的有機(jī)化合物（VOCs）等。PM2.5是霧霾天氣的“罪魁禍?zhǔn)住保瞧胀癖姷摹敖】禋⑹帧保喝鬚M2.5隨著呼吸進(jìn)入人體，沉積在下呼吸道和肺泡中，會(huì)引起鼻炎、支氣管炎等病癥。[4]若PM2.5的濃度在0—75微克/立方米內(nèi)，人可以在戶外活動(dòng)。若超過75微克/立方米，就不適合在戶外運(yùn)動(dòng)了。人口密度越大的地區(qū)，經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)的地區(qū)，出現(xiàn)霧霾天氣的天數(shù)越多。在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的東南沿海一帶，7天內(nèi)每天都是霧霾天氣，污染已經(jīng)到了十分嚴(yán)重的地步。而在人口稀少、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，如西藏、內(nèi)蒙、新疆、青海等省，7天內(nèi)基本沒有霧霾天氣，空氣污染相對(duì)比較輕。

2014年5月17全國的PM2.5濃度大多都在輕度污染以上。我國的最南部地區(qū)PM2.5的數(shù)值在正常的范圍內(nèi)，空氣質(zhì)量好。我國中原地區(qū)，東部地區(qū)和北京天津等地的PM2.5濃度超標(biāo)，污染處于比較嚴(yán)重的狀態(tài)。

我國的PM2.5的污染程度越來越嚴(yán)重，已經(jīng)到達(dá)非治不可的地步。目前，對(duì)于PM2.5的監(jiān)測(cè)有兩種方法，即環(huán)保基站數(shù)據(jù)法和遙感影像法，下面就針對(duì)這兩種方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1 用遙感影像和環(huán)保基站數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)PM2.5的原理及方法

1.1 遙感影像

1.1.1 原理

根據(jù)普朗克原理，每種氣體都有其固有的輻射和吸收光譜。結(jié)合表1可以看出：在1.4、1.9、2.7、6.3微米以及21～100微米之間，有水汽的強(qiáng)振轉(zhuǎn)吸收帶；在2.7、4.3和14.7微米附近有二氧化碳的強(qiáng)振轉(zhuǎn)吸收帶。由于不同PM2.5氣體的輻射和吸收光譜是不同的，這樣就在遙感影像上留下了不同的印記 ，通過遙感影像的分析和解譯，就可以判斷出PM2.5的對(duì)于大氣的污染情況。[4]

1.1.2 方法

這里以ESRI北京公司遙感應(yīng)用事業(yè)部提出的一種方法進(jìn)行說明。在他們的新浪博客“ENVI/IDL技術(shù)”中，對(duì)于遙感影像反演的方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。他們采用MODIS影像進(jìn)行了研究。MODIS影像是目前最先進(jìn)的多光譜遙感傳感器，有36個(gè)觀測(cè)通道，覆蓋了當(dāng)前主要遙感衛(wèi)星的主要觀測(cè)數(shù)據(jù)。利用反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度空間分布數(shù)據(jù)結(jié)合PM2.5實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立相關(guān)模型，即可實(shí)現(xiàn)PM2.5的遙感監(jiān)測(cè)。

1.2 環(huán)保基站數(shù)據(jù)

1.2.1 原理

以恒速抽取定量體積空氣，使環(huán)境空氣中的PM2.5和PM10被截留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積，計(jì)算出PM2.5和 PM10的濃度。[5]

1.2.2 方法

振蕩天平法：振蕩天平法PM2.5顆粒物監(jiān)測(cè)儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機(jī)組成。[6]

氣體采樣：流量為每小時(shí)1立方米的環(huán)境空氣樣品經(jīng)過PM10采樣頭和PM2.5切割器后成為符合技術(shù)要求的PM2.5顆粒物樣品氣體。

分離氣體：PM2.5樣品氣體進(jìn)入膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)后首先會(huì)經(jīng)過干燥器，在那里樣品的相對(duì)濕度降到一定的程度，隨后樣品氣體會(huì)根據(jù)系統(tǒng)切換閥的狀態(tài)流向不同的部件。

測(cè)量第一階段：計(jì)算樣品的質(zhì)量濃度。PM2.5樣品會(huì)直接到達(dá)振蕩傳感器，樣品中的顆粒物被收集在濾膜上，利用儀器測(cè)量顆粒物的質(zhì)量，同時(shí)計(jì)算出樣品的質(zhì)量濃度。測(cè)量第二階段：測(cè)量揮發(fā)掉氣體的質(zhì)量和濃度。

1.2.3 Beta射線法

首先，將PM2.5顆粒物樣品氣體的相對(duì)濕度調(diào)整到35%以下，樣品進(jìn)入儀器主機(jī)后顆粒物被收集在可以自動(dòng)更換的濾膜上。其次，根據(jù)射線信號(hào)的強(qiáng)度變化計(jì)算出采樣時(shí)間段內(nèi)氣體的濃度值。

2 遙感影像和環(huán)保基站數(shù)據(jù)結(jié)合，是未來PM2.5監(jiān)測(cè)的有效方法

2.1 目前已經(jīng)成熟的技術(shù)

如前所述，利用遙感影像和環(huán)保基站數(shù)據(jù)進(jìn)行PM2.5的監(jiān)測(cè)，都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足之處，那么有沒有一種方法，能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)集中起來，獲得能夠代表一個(gè)地區(qū)高精度的PM2.5的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)endprint