衛星遙感評估船舶大氣污染物排放控制區實施效果的可行性分析

胡健波，張翰林，彭士濤，徐 旻，謝 昕

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室 港口水工建筑技術國家工程研究中心，天津 300456；2.上海海事局，上海 200086)

航運對世界經濟和全球貿易做出了重要貢獻，承擔了80%～90%的全球貿易運輸，但也造成了不可忽視的大氣環境污染問題。船舶尾氣中的主要污染物是SO2和NOx及其二次轉化污染物，高SO2排放主因是船舶“偏愛”低成本的高硫重油，而高NOx排放主因是船用發動機高溫燒燃促進了N2和O2化學反應。據統計，航運NOx年排放量約2～11.4 Tg[1-3]，占人類全部NOx排放的15%～35%，而SO2占4%～9%。為解決船舶大氣污染問題，國際海事組織IMO于20世紀70年代專門制定了《國際防止船舶造成污染公約》，即MARPOL 73/78公約。

隨著機動車、電力、工業等陸地污染源排放的有效控制，航運大氣污染物排放問題日漸凸顯且隨全球貿易一體化呈逐年遞增的趨勢[4-5]，國際和國內相關防控政策不斷出臺。在MARPOL 73/78公約的基礎上，發達國家和地區率先行動，先后設立了4個國際船舶排放控制區[6-7]。中國、韓國等國家和地區緊隨其后，先后設立了一些區域船舶排放控制區[8]。2020年，IMO的全球限硫令正式生效[9-10]，是船舶燃油硫含量管控的關鍵年。船用燃油硫含量的限值從3.5%下降至0.5%，可極大減少航運SO2的排放。全球限硫令和船舶大氣污染物排放控制區是近年來國際上主要的船舶大氣污染物排放管控政策。

實施效果評估是船舶大氣污染物排放控制區管控政策繼續深入或優化調整的重要依據，減排效益數據可以是自下而上的船舶大氣污染物排放清單[2]、港口或沿江城市空氣質量的間接反映[11]和自上而下的衛星觀測[5]。船舶大氣污染物排放清單工作量大、數據處理復雜、結果不確定性大，港口或沿江城市空氣質量改善的間接反映受其他排放源干擾大、影響因素多(距離、船舶密度、氣象條件等)、點位少且固定。衛星觀測技術具有覆蓋范圍廣和結果更直觀的優勢，隨著大氣污染衛星遙感技術的發展，用于該管控政策實施效果評估具有很好的前景。本文介紹了船舶大氣污染物排放控制區前世今生，梳理了大氣污染衛星遙感技術研究進展和船舶大氣污染衛星遙感應用，分析衛星遙感評估船舶大氣污染物排放控制區實施效果的必要性和可行性。

1 船舶大氣污染物排放控制區管控要求

1.1 國際排放控制區和全球限硫令

IMO設立的第一個國際排放控制區是波羅的海排放控制區，和MARPOL公約附則VI同時生效。2005年、2010年和2011年先后又設立了北海、北美和美國加勒比海船舶排放控制區。它們的共同之處是分階段降低船用燃油硫含量(圖 1)；不同之處是歐洲的2個起初對NOx沒有管控要求，而美洲的2個則有管控要求。自2021年1月1日起，歐洲的2個排放控制區也對NOx提出了管控要求，即2016年后建造或有重大改動的船舶NOx排放應滿足Tier III排放標準。

1-a IMO的燃油硫含量管控要求1-b IMO的3個NOx排放管控要求圖1 國際排放控制的燃油限硫和NOx排放限值時間表及全球限硫令時間表Fig.1 Schedule of sulfur content limit and NOx limit in international ship emission control area and global sulfur cap

在全球限硫令方面，2012年后要求船用燃油硫含量不得超過3.5%，而2020年后則不得超過0.5%。

1.2 我國排放控制區

2015年8月29日，《大氣污染防治法》修訂通過，第六十四條規定“國務院交通運輸主管部門可以在沿海海域劃定船舶大氣污染物排放控制區，進入排放控制區的船舶應當符合船舶相關排放要求。”2015年12月，交通運輸部出臺交海發[2015]177號文，正式設立珠三角、長三角和環渤海(京津冀)3個排放控制區(圖2)。2018年12月，為響應我國其他區域的減排呼聲并擴大減排力度，交通運輸部出臺交海發[2018]168號文，正式擴大我國的船舶排放控制區地理范圍，將控制區沿海水域拓展至全國領海基線外延12 n mile內的所有海域，并新增長江干線和西江干線內河排放控制區。

圖2 我國2015年設立的3個排放控制區和2018年設立的排放控制區Fig.2 China′s ship emission control area established in 2015 (three) and 2018

我國同樣采取分階段降低船用燃油硫含量和NOx排放的措施。2019年起，海船進入排放控制區應使用硫含量不大于0.5%的船用燃油；2020年起，海船進入內河控制區應使用硫含量不大于0.1%的船用燃油；2022年起，海船進入沿海控制區海南水域應使用硫含量不大于0.1%的船用燃油。2022年以后建造或進行船用柴油發動機重大改裝的、進入沿海控制區海南水域和內河控制區的中國籍國內航行船舶，所使用的單缸排量大于或等于30 L的船用柴油發動機應滿足Tier III的NOx排放要求。

2 大氣污染衛星遙感技術研究進展

表1 專門用于大氣污染遙感監測的衛星相關參數Tab.1 Parameters of remote sensing satellites specially used for air pollution monitoring

利用衛星監測大氣污染的研究始自20世紀70年代，當時可用的衛星只有AVHRR、Landsat和GOES等早期的通用型遙感衛星。20世紀90年代后，專門用于大氣污染遙感監測的衛星升空年代和相關參數見表 1。

VEEFKIND等[12]綜述了大氣污染衛星遙感技術，總結了衛星瞬間、大范圍和高空間分辨率這3個優勢及其支撐大氣污染情勢通報、排放趨勢分析、排放源篩查與監控等方面的價值。MARTIN[13]梳理了本世紀大氣污染衛星遙感技術的進展和監測指標，提出了研發更高分辨率傳感器等方面的建議。KHOURY等[14]證明了NO2和AOT之間的強關系，闡明了NO2二次轉化對AOT的貢獻。FIOLETOV等[15]利用OMI觀測北美電廠SO2排放通量。ZIEMKE等[16]比較O3衛星觀測和模擬結果，證明了衛星觀測驗證模擬結果的價值。MIJLING和VAN DER[17]利用OMI和GOME-2定量界定了NOx在空氣中的壽命。LUO等[18]利用TES觀測得到的NH3和CO高度相關現象，揭示了秸稈焚燒區域排放的特征。BARKLEY等[19]利用OMI數據分析了2005年—2010年中東超過1 000處位置(城市、煉油廠、油碼頭和電廠)的NO2、HCHO和SO2的變化趨勢，識別了各種排放源的排放特征和占比。

陳良富等[20]提出了大氣污染衛星遙感技術發展的迫切性和提升的建議。劉毅等[21]綜合分析了國際上衛星遙感觀測CO2的主要方法、影響因素及研發方向。姜杰等[22]總結了灰霾遙感監測的基本原理。王剛等[23]分析了OMI的儀器性能和SO2定量反演方法。陳良富等[24]就NO2柱濃度衛星差分光譜吸收反演算法(DOAS)的誤差和不確定性進行了評述。湯玉明等[25]從大氣輻射傳輸機理上分析了國內外氣溶膠遙感反演方法的優缺點。王英鑒等[26]綜述了我國O3衛星觀測技術發展的3個階段，指明了星載觀測儀器研發的方向。張強等[27]利用SCIAMACHY和GOME識別了1996年—2010年中國NOx重污染區域以及部分新增的污染點。張磊石[28]等利用OMI數據分析了河南省NO2和SO2在2005年—2014年的變化趨勢。

2017年10月13日，歐空局ESA成功發射了專用于全球大氣污染監測衛星Sentinel 5P，其搭載的傳感器TROPOMI(對流層觀測儀)成像幅寬達2 600 km，空間分辨率達7 km×3.5 km，性能得到了大幅度的提升。2018年至今，國內外陸續開展了Sentinel 5 TROPOMI產品的應用挖掘工作。GRIFFIN等[29]觀測了加拿大油田的NO2排放，結果與飛機監測、地面監測和地面遙測結果之間的偏差僅為15%～30%。LORENTE等[30]分析了巴黎NO2濃度的時間變化特征，發現2018年的NO2排放量僅比2011年—2012年低了5%～15%，認為法國的減排任務十分艱巨。VAN DER等[31]發現了西伯利亞天然氣管道沿線的高濃度NO2排放，并將其歸咎于當地寬松的環保要求。2020年初，美國宇航局NASA發布了我國的NO2濃度變化圖，直觀展現了我國人類活動水平的劇烈改變對NO2濃度的決定性影響[32-33]。

李旭文等[34]對Sentinel 5 TROPOMI的應用進行了初步測試，認為其將開啟大氣環境遙感監測新的應用領域，可定位污染物來源地、識別污染重點地區。夏叢紫等[35]評估了Sentinel 5 TROPOMI的SO2產品在中國的適用性，發現數據明顯偏高，也有研究認為衛星監測結果與地面觀測結果存在較好的相關性[36]。總體而言，我國在大氣污染衛星遙感硬件(包括衛星數量和傳感器性能)能力上與國外還存在一定的差距，但在應用水平上與國外已處于并跑階段。

3 船舶大氣污染衛星遙感應用

從國際排放控制區和我國排放控制區的設立時間可以看出，國際上在船舶大氣污染防治方面比我國早了近10 a。相應地利用大氣污染監測衛星觀測船舶大氣污染物的研究進度也是如此。

3.1 國外研究進展

BEIRLE等[37]利用GOME維系那個數據估算得到斯里蘭卡與印尼之間航路上的NO2排放量為10～73Gg/y，與船舶排放清單結果22～54Gg/y十分吻合。Richter等[38]利用SCIAMACHY衛星數據分析了紅海和印度洋航線上的NO2濃度，與船舶排放清單結果吻合，尤其是紅海航線。RUYTER等[4]利用GOME、SCIAMACHY、OMI和GOME-2衛星數據分析了地中海、紅海、印度洋和中國南海4條航線上的NO2濃度變化，發現2003年—2008年的NO2濃度增加了62%～109%，而后在金融危機期間下降了12%～36%。BOERSMA等利用OMI衛星數據分析了歐洲海域2005年—2009年的船舶NO2排放情況，發現2005年—2008年排放增加了約15%，而2009年卻降低了12%，結合船舶AIS數據發現主要是因為經濟形勢不好導致船速降低約30%。VINKEN等[39]利用OMI衛星數據計算了2005年—2006年波羅的海、北海、比斯開灣和地中海的船舶NOx排放清單，只比自下而上的船舶排放清單結果低了11%～15%。

荷蘭的研究機構[40]對利用Sentinel 5 TROPOMI觀察到疫情期間歐洲海域船舶NO2排放明顯減少，與基于船舶AIS統計航運行情下降的結果吻合。GEORGOULIAS等[41]結合Sentinel 5 TROPOMI、船舶AIS數據和風速風向數據，分析認為該衛星可識別到海上具體船舶的NO2排放情況(圖3)。

注：該船舶AIS軌跡(點)、風速風向(箭頭)、基于AIS軌跡和風速風向預測的尾氣帶(十字)、NO2濃度(色斑，顏色越深則濃度越高)圖3 Sentinel 5 TROPOMI監測到的某船舶尾氣帶Fig.3 The ship plume monitored by Sentinel 5 TROPOMI

3.2 國內研究進展

由于我國船舶大氣污染物管控起步較晚，2016年后才有對船用燃油硫含量的限制要求，因此國內相關研究較少。李亞芳等[42]基于OMI對環渤海灣水域排放控制區SO2減排效益進行了分析，結果表明2016年—2019年SO2柱總量峰值逐年降低，并且高值區域逐漸減少，證明排放控制區的設立對大氣質量保護具有積極作用。總體而言，我國船舶大氣污染衛星遙感應用研究比國外明顯滯后，Sentinel 5p TROPOMI等更先進的衛星遙感技術應用更是空白。

4 Sentinel 5p TROPOMI應用于船舶大氣污染物排放控制區實施效果評估的展望

4.1 必要性

實施效果評估是船舶大氣污染物排放控制區實施方案下一步調整的必要過程，并且已經在實施方案中做了明確要求。交海發[2018]168號文制定的船舶大氣污染物排放控制區實施方案是一個階段性政策，在硫氧化物和顆粒物排放控制要求中，明確提出了“適時評估船舶使用硫含量不大于0.1%m/m 的船用燃油的可行性，確定是否要求自2025 年1月1日起，海船進入沿海控制區使用硫含量不大于0.1%m/m 的船用燃油”。在氮氧化物排放控制要求中，明確提出了“適時評估船舶執行《國際防止船舶造成污染公約》第三階段氮氧化物排放限值要求的可行性，確定是否要求2025 年1月1日及以后建造或進行船用柴油發動機重大改裝的中國籍國內航行船舶，所使用的單缸排量大于或等于30 L的船用柴油發動機滿足《國際防止船舶造成污染公約》第三階段氮氧化物排放限值要求”。燃油硫含量限值從0.5%下降至0.1%和NOx排放標準從Tier II提升至Tier III，是管控要求的大幅度提升，必然會對航運業產生深刻的影響，實施效果評估十分必要。

傳統的實施效果評估方式難以科學、準確支撐政策調整工作。傳統的實施效果評估方式主要有兩種，一種是自下而上的船舶大氣污染物排放清單，另一種是港口或沿江城市空氣質量的間接反映。船舶大氣污染物排放清單方法理論上要求掌握每一艘船的燃油硫含量和實時的NOx排放數據，燃油硫含量可來自于海事局的燃油抽檢結果統計，但是碼頭上的抽檢結果無法代表實際航行中情況(航行期間違規使用高硫油的概率遠大于靠泊期間)；NOx排放可根據船舶發動機參數和AIS活動水平計算獲得(目前沒有強制安裝在線監測系統的要求)，由于AIS數據核驗、風浪流/負載對實際功耗的影響、柴油/重油不同燃燒溫度對NOx排放的影響等問題，使得該方法工作量大、數據處理復雜、結果不確定性大。港口或沿江城市空氣質量改善的間接反映多有報道，但是改善程度不僅與管控要求和船舶數量有關，還與空氣質量監測站與航線之間的位置、氣象條件、背景空氣質量等密切相關，評估結果因地、因時而異且只能給出定性的結論。

衛星觀測技術的優勢與船舶大氣污染物排放控制區實施效果評估需求十分匹配。船舶大氣污染物排放控制區覆蓋我國領海和主要內河，實施效果評估的范圍非常之大，衛星觀測技術具有“站得高、看得遠”的大范圍觀測優勢，可以在同一時間監測整個船舶排放控制區內航線上的大氣污染情況。實施效果評估需盡可能避免陸地排放源的干擾，衛星所在的地球同步軌道具有全球覆蓋能力，可選擇觀測距離陸地較遠的船舶航線作為代表。實施效果評估需要定量、客觀的數據支撐，衛星觀測得到的航線上SO2、NOx等大氣污染物的下降趨勢是最直觀的證據。

開發衛星觀測技術在船舶大氣污染防治中的應用價值，追趕國際先進水平。通過梳理大氣污染衛星遙感技術研究進展，可知我國的技術應用水平并不落后。通過梳理船舶大氣污染衛星遙感應用研究進展，可知國外自本世紀初至Sentinel 5p衛星發射升空后就持續在研究，而我國幾乎是空白，雖然有部分原因是我國管控政策出現較晚，但是也說明了我國在該領域研究前瞻性不足的問題。Sentinel 5p衛星是目前國際上最先進的大氣污染遙感監測衛星，恰逢于我國船舶大氣污染物排放控制區實施初期發射升空，對于該管控政策實施效果評估具有重要的價值且正當其時，有必要開展衛星觀測技術在船舶大氣污染防治中的應用研究，追趕國際先進水平。

4.2 可行性

衛星遙感數據具有可獲得性。Sentinel 5p衛星是歐洲全球環境與安全監測系統項目——“哥白尼計劃”的成員，秉承該計劃的數據開放政策，政府機構、高校、企事業單位等均可通過官網下載制定時間和空間的衛星遙感數據。背后有全球頂級遙感專業團隊的支持，自動處理原始的光譜數據，生產全球SO2、NO2等大氣污染物濃度分布圖，可直接用于船舶大氣污染物排放控制區實施效果評估。

衛星遙感數據時間跨度上覆蓋我國船舶大氣污染物排放控制區實施的關鍵節點。根據交海發[2018]168號文制定的船舶大氣污染物排放控制區實施方案，2018年前僅要求船舶靠港期間使用低硫油(硫含量限值為0.5%)，2019年后要求船舶在控制區內所有水域都是使用低硫油。雖然存在小比例的船舶違規使用高硫油的情況，但是可以預見2019年后控制區內航線上的船舶尾氣SO2濃度會有很大程度的降低，2019年前后是關鍵節點。IMO全球限硫令，2020年后全球船用燃油的硫含量限值從之前的3.5%驟然下降至0.5%，可以預見包括我國沿海在內的航線上船舶尾氣SO2濃度會有很大程度的降低，尤其是我國船舶大氣污染物排放控制區之外的海域，2020年前后是關鍵節點。Sentinel 5p衛星發射于2017年，至今仍在服役，利用同宗同源的Sentinel 5p數據評估船舶大氣污染物排放控制區實施效果，可避免不同衛星光譜通道設置差異對觀測結果同一性的影響。

衛星遙感數據具有很強的挖掘潛力。2019年后船上可以裝載硫含量超過0.5%的燃油(在控制區外可以合法使用)，可以評估船東在控制區內違規使用高硫油行為的僥幸心理；而2020年后硫含量超過0.5%的燃油供應量急劇減少，可以評估船東非法獲取高硫油的情況。山東半島以南的南北航線和南海航線距離陸地較遠，是實施效果評估的絕佳區域；而近岸或內河航線區域的觀測結果，可用于分析陸地排放源對水上大氣污染的分擔率。排放控制區內外觀測結果的比較，可以在實施效果評估中剝離全球限硫令的貢獻。

衛星觀測技術的缺點對實施效果評估影響不大。相比地面觀測結果，衛星觀測結果存在空間分辨率低的缺陷，即便是最先進的Sentinel 5p衛星，空間分辨率也只能達到7 km×3.5 km。但是，該空間分辨率對于排放控制區范圍來說已經足夠，因為船舶在海上沒有嚴格的固定航線，只有寬度較廣、路徑較優的大通道。相比地面觀測結果，衛星觀測結果容易受到云層的干擾。但是，Sentinel 5p衛星每天覆蓋全球一次，即便是剔除了受到云層干擾的數據，也仍然有充足的數據分析年平均甚至月平均的變化趨勢。

4.3 建議

充分發揮船舶大氣污染衛星遙感對于船舶大氣污染物排放控制區的效果評估作用，結合船舶大氣污染物排放清單(自下而上統計船舶排放量)對于船舶大氣污染物排放控制區政策的科學依據作用和船舶尾氣遙測技術(高效精準識別高硫油船舶)對于船舶大氣污染物排放控制區政策的落地保障作用[43-45]，可以形成一套覆蓋政策、監管和評估三個環節的閉環技術集，有力支撐船舶大氣污染物排放控制區政策。