利用哨兵5P衛(wèi)星數(shù)據(jù)初探攀枝花市域大氣遙感監(jiān)測

周 黎 胡海濤* 王曉峰

(1.攀枝花市生態(tài)環(huán)境信息與技術(shù)評估服務(wù)中心; 2.攀枝花市生態(tài)環(huán)境局，四川 攀枝花 617000)

空氣質(zhì)量監(jiān)測是大氣污染防治工作的重要舉措，可以提供大量、連續(xù)、完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來及時反映環(huán)境空氣質(zhì)量的動態(tài)變化, 而且能夠預測空氣污染發(fā)展趨勢和加快應(yīng)急事件的控制過程[1]。但受地形條件、城市建筑、管控重點、建設(shè)成本等因素影響，目前地面空氣監(jiān)測站數(shù)量有限，難以從宏觀的角度全面反映一個地區(qū)的空氣質(zhì)量狀況，比如攀枝花市地域面積7440 km2，僅有5個國控監(jiān)測站點且均建設(shè)在城市建成區(qū)范圍內(nèi)，無法覆蓋廣大的農(nóng)村、林地、自然保護區(qū)等地區(qū)。而衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)利用高空遙感大面積覆蓋的優(yōu)勢能很好的解決這一問題，結(jié)合地面監(jiān)測站點數(shù)據(jù)，為大氣污染防治、生態(tài)環(huán)境管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持[2]。

Sentinel-5P(哨兵5P衛(wèi)星)是歐空局于2017年10月13日發(fā)射的一顆全球大氣污染監(jiān)測衛(wèi)星。搭載了對流層觀測儀(Tropospheric Monitoring Instrument，TROPOMI)，可以有效的觀測全球各地大氣中痕量氣體組分，包括NO2、O3、SO2、 HCHO、CH4和CO等重要的與人類活動密切相關(guān)的指標，并加強了對氣溶膠和云的觀測[3]。本文嘗試利用哨兵5P監(jiān)測數(shù)據(jù)，探索分析遙感監(jiān)測在攀枝花大氣污染防治工作中的應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)介紹與獲取

歐空局向社會開放TROPOMI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可以在歐空局的哨兵科學數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站( https: / /scihub.copernicus.eu) 免費下載。數(shù)據(jù)分為L1B(1B級別)和L2(2級)兩種數(shù)據(jù)，對于大氣污染預警預報分析使用L2級的數(shù)據(jù)更為便捷。L2級數(shù)據(jù)文檔見表1[4]。

表1 “哨兵 - 5P”衛(wèi)星TROPOMI數(shù)據(jù)產(chǎn)品文檔

L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品又分為了三種數(shù)據(jù)流：近實時數(shù)據(jù)流(near-real-time, NRTI)，衛(wèi)星成像3小時后即可獲取，數(shù)據(jù)可能不完整或存在質(zhì)量缺陷；離線數(shù)據(jù)流(Offline, OFFL)，一般成像后幾天即可獲得；再次處理數(shù)據(jù)流(Reprocessing, RPRO)，可獲得的最新的質(zhì)量最佳的版本，但數(shù)據(jù)較少。本文研究使用的是OFFL數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理方法

TROPOMI下載下來的數(shù)據(jù)是NC格式的，有兩種方法可以閱讀數(shù)據(jù)。NASA(美國國家航空航天局) 開發(fā)的Panoply軟件是一個跨平臺的應(yīng)用程序，繪制來自 netCDF、HDF、GRIB 和其他數(shù)據(jù)集(包括 Sentinel 5)的地理網(wǎng)格和其他陣列，可以非常方便的讀取NC文件[5]。但缺點是數(shù)據(jù)格式無法轉(zhuǎn)換。本文利用MATLAB軟件將NC文件轉(zhuǎn)換成TIF文件后，在GIS工具中裁剪、重采樣、出圖。

3 基于TROPOMI數(shù)據(jù)分析氣體濃度分布

3.1 臭氧監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

攀枝花市2021年8月2日至8月5日臭氧監(jiān)測值連續(xù)超標，造成攀枝花市AQI日數(shù)據(jù)超標，地面測點測值分別為174、178、192、177 μg/m3，超過標準值160 μg/m3。表2顯示了2021年7月31日至8月9日TROPOMI和地面測點測出的臭氧濃度值。TROPOMI數(shù)據(jù)最高值出現(xiàn)在8月3日為0.133821，當天地面測點濃度為178 μg/m3, 在這10天中僅低于8月4日的192 μg/m3，兩個數(shù)據(jù)在濃度最高點的監(jiān)測基本一致。最低點出現(xiàn)在8月9日為0.11315，當天地面濃度測試為86 μg/m3，在這10天中僅高于7月31日的84 μg/m3，在濃度最低點的監(jiān)測基本一致。

表2 攀枝花TROPOMI和地面監(jiān)測點臭氧監(jiān)測值

圖1顯示了7月31日至8月9日攀枝花臭氧濃度趨勢圖，從圖中可以看出TROPOMI監(jiān)測值在8月2日達到最大，然后平緩降低，地面站監(jiān)測值8月2日達到第一個高值，在8月4日達到最大值。

圖1 7月31日至8月9日攀枝花臭氧濃度趨勢圖

圖2 顯示了7月31日至8月9日臭氧總柱分布情況，為了進行對比，將9幅圖色帶設(shè)置相同的最高值和最低值。從9幅圖可以明顯的看出臭氧濃度的增加，濃度較高的8月2日、3日、4日、5日與地面測點超標相對應(yīng)，8月6日以后濃度逐步降低，8月8日回到一般水平。從8月3日的圖來看，整個攀枝花區(qū)域以及周邊區(qū)域的濃度整體升高，可以判定臭氧的升高不是由定點的排放源產(chǎn)生的，是一個更大范圍的整體性的升高。

圖2 7月31日至8月8日攀枝花臭氧空間分布

3.2 CO監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2021年1月份，攀枝花市PM2.5污染物濃度 6次超標，導致日均數(shù)據(jù)超標，地面監(jiān)測點測值分別為101、81、87、76、97、102 μg/m3，超過日均標準濃度75 μg/m3。攀枝花2020年12月至2021年2月開展了計劃燒除工作，燒出產(chǎn)生大量顆粒物、CO2、CO、CH4和 NMHC等氣體。一般情況下有機物燃燒CO2占比大約63%，CO占比大約11%[6]，CO2、CO可以作為分析燒除和空氣質(zhì)量之間關(guān)系的關(guān)鍵污染物，但TROPOMI未提供顆粒物和CO2的濃度數(shù)據(jù)，只提供了CO數(shù)據(jù)。 表3顯示1月1日至1月11日TROPOMI傳感器和地面測點濃度值。TROPOMI傳感器最大值出現(xiàn)在1月4日、5日，濃度為0.0989 mol/m2、0.0848 mol/m2，地面測點CO濃度最高值出現(xiàn)在1月5日、6日，濃度為3.6 mg/m3、3.3 mg/m3，延后一天，地面測點PM2.5濃度4日、5日出現(xiàn)高值，1日的最高值是受2020年12月31日影響，地面測點PM2.5濃度與TROPOMICO最大值出現(xiàn)在相同時間。由此可知TROPOMI傳感器與地面測點數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相同的趨勢，基本一致。

表3 攀枝花TROPOMI和地面監(jiān)測點CO監(jiān)測值

圖3展示了6天的TROPOMI傳感器CO濃度示意圖，可以看出攀枝花CO濃度的高濃度區(qū)以主城區(qū)為主，但同時會有面上的擴散，影響到整個市域。在表3中，1月10日CO濃度最大值最小值并非最高，但平均值卻達到最高的0.0325977，從第6幅圖來看，雖然代表最高值的紅色沒有其他圖高，但是卻擴散至了整個市域，導致了平均值的攀升。

圖3 1月1日至1月10日攀枝花CO空間分布

1月8日、9日風向由西南風轉(zhuǎn)為了東北風，這可能是導致1月10日、11日濃度降低的原因，由此可以推測1月份的污染物除攀枝花市域活動產(chǎn)生外，很可能由西南方向傳來。

3.3 二氧化硫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由圖4可以看出，SO2濃度空間分布呈現(xiàn)隨機性(非特征性)，但這兩幅圖沒有出現(xiàn)大面積連續(xù)的高濃度現(xiàn)象，以塊狀分布為主，與主城區(qū)域重疊并不明顯，最高值為0.00314 mol/m2。

圖4 攀枝花市SO2濃度空間分布圖

4 總結(jié)

(1)Sentinel-5P衛(wèi)星TROPOMI傳感器離線數(shù)據(jù)流大氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)豐富，為定位大氣污染源、擴散分析提供了很好的數(shù)據(jù)支撐，可與地面測點互為補充、對比分析，為管理決策提供新的依據(jù)。

(2)利用TROPOMI傳感器和地面測點數(shù)據(jù)結(jié)合風向數(shù)據(jù)，可以分析大氣污染擴散，輔助預警、預測空氣環(huán)境質(zhì)量。對比地面監(jiān)測臭氧、一氧化碳等污染物濃度數(shù)據(jù)可靠，變化趨勢基本一致。二氧化硫濃度分布呈現(xiàn)隨機性，以塊狀分布為主。