中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，遙感科學國家重點實驗室

我國重霾污染事件頻頻發(fā)生，自2013年1月在我國中東部地區(qū)發(fā)生了數(shù)次強霧霾事件以來，2013年3月、5月、國慶期間、12月以及2014年2月底均發(fā)生影響范圍大、濃度水平高和持續(xù)時間長的灰霾重污染事件。專家對重霾事件的成因解釋一般認為有以下幾個方面：即污染排放量大、擴散條件不利和區(qū)域污染與本地污染的貢獻疊加。實際上這三個因素適用于所有不同程度污染事件的解釋，并非是重霾污染過程的必要條件。利用源解析方法從城市污染采集的樣品分析不同源的貢獻率，需要長時間統(tǒng)計分析，但無法獲得源分布狀況，局地監(jiān)測結果無法掌握區(qū)域大尺度的成霾機制。針對2009和2010兩年每年10月到次年3月的成霾機制進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)來自南方的水汽和我國西北地區(qū)的浮塵是導致我國中東部極端強霾污染事件重要自然因素。下面以2013年1月重霾污染為例，利用多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)，分析宏觀成霾機制。

（1）強霾分布范圍及其污染物分布

從衛(wèi)星真彩色合成角度可以明顯的看出來，2013年1月8~14日，以及24~30日期間是發(fā)生了強霾時間，圖4分別是1月9日、14日、27日和30日MODIS數(shù)據(jù)真彩色合成圖，從圖中可以明顯的看出我國中東部的大部分地區(qū)被一層厚霾所籠罩，而且在14、27和30日霾覆蓋空間上有濃濃的霧。根據(jù)地面能見度的觀測，1月30日北京市的能見度不足百米。利用MODIS數(shù)據(jù)反演獲得2013年1月8~14日期間霾分布范圍和霾強度（圖5左），以及基于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)反演獲得霾分布下可吸入顆粒物分布結果，從圖中可以看出強霾污染期間PM2.5濃度已經(jīng)高達500以上（圖5中）。利用OMI數(shù)據(jù)反演的二氧化氮分布結果表明，重霾期間1月10日整個華北平原具有很高的二氧化氮柱濃度分布（圖5右）。

圖4華北地區(qū)2013年1月不同時間MODIS數(shù)據(jù)真彩圖

圖5. 2013年1月8～14日期間，我國中東部地區(qū)強霾覆蓋范圍（左）可吸入顆粒物PM2.5濃度分布（中）和二氧化氮柱濃度（右）分布

（2）強霾的成因分析

利用衛(wèi)星觀測可以很好的了解到霾分布范圍、霾的強度以及霾發(fā)生期間細顆粒物濃度與二氧化氮柱濃度值等信息，掌握霾在區(qū)域尺度上的影響狀況。但這些數(shù)據(jù)還無法說明強霾的形成機制。我們利用紫外氣溶膠指數(shù)觀測到2013年1月期間我國大部分地區(qū)上空分布大范圍的浮塵，圖6左是1月份發(fā)生浮塵的頻次圖。結果表明中東部等地區(qū)分布大范圍的浮塵，其頻次有10次之多。來自西部或西北部中高層的浮塵，達到我國中東部地區(qū)后便與邊界層內大氣污染物發(fā)生混合。圖6右是利用衛(wèi)星激光雷探測到的1月12日浮塵與污染物相混合等不同顆粒類型分布狀況。

圖6.左圖是浮塵頻次分布狀況；右圖是浮塵與污染物混合激光雷達探測結果

通過后向軌跡分析并利用美國國家環(huán)境預報中心NCEP (National Centers for Environmental Prediction)的風場數(shù)據(jù)了解到，我國中東部地區(qū)邊界層內1月期間的主要風向是弱偏南風。偏南風帶來的水汽使邊界層內的相對濕度增大，濕度增大導致可溶性鹽顆粒物的吸濕增長，即細顆粒的粒徑在大濕度環(huán)境下增大，從而使能見度急劇下降，導致灰霾的發(fā)生。灰霾一旦形成，灰霾大氣中細粒子對太陽輻射的消光能力非常強，其對太讓輻射的削弱，會造成地面的輻射逆溫出的形成。下圖7是基于AIRS數(shù)據(jù)反演獲得的5km以下的大氣溫度廓線分布結果，穩(wěn)定的逆溫層促使污染物更難擴散，從而導致近地面氣溫的持續(xù)下降和相對濕度的增大，使邊界層內的污染濃度持續(xù)升高，引發(fā)一個極為嚴重的負反饋機制。

圖7. 2013年1月8－14日北京（左）5km以下大氣溫度廓線分布，圖中8日與11日沒有逆溫，其他天均存在明顯的逆溫分布

綜上所述，2013年1月份強霾事件，是污染物和浮塵、水汽相結合，加速了成霾過程放大了人為排放物污染效果，是自然因素和人為因素共同作用的污染事件。2014年2月底發(fā)生在我國中東部的極端霾污染事件，也同樣是在排放較大的背景下，遇到來自南方水汽過程，促使了能見度的下降，并引發(fā)了成霾的負反饋機制。一但這一成霾物理機制的形成，只有依靠強西北風將重霾吹散或濕沉降的發(fā)生才能結束。

討論與結論

（1）重霾污染事件的“元兇”、“幫兇”問題

造成重霾污染事件的原因很清晰，一是有大量的污染物排放到大氣中，這就是污染的“元兇”，二是氣象條件。如有來自西北地區(qū)干燥污染小的風可以把排放的污染物吹走，則空氣比較潔凈；一旦沒有風，則排放的污染物就會局地集聚而形成污染物濃度水平漸進抬升的態(tài)勢，此時如果恰巧有來偏南風吹來，則由于偏南風帶來的大量水汽，會促使能見度急劇下降；在冬季，往往由于邊界層較低而很容易引起重度污染，夏季則由于邊界層較高而且沒有冬季采暖一類的污染物排放，所以污染形勢會有所緩和；所以來自偏南方向水汽是引起重度霾污染的“幫兇”。若在冬季近地面有偏南方向的氣流，再加上邊界層上有來自西北的浮塵，浮塵會起到凝結核的作用，從而加速成霾過程。

（2）重霾污染的衛(wèi)星監(jiān)測問題

衛(wèi)星遙感監(jiān)測重霾污染過程時，可以從霾分布范圍、霾光學厚度，霾天污染物（如PM2.5和二氧化氮、二氧化硫）的濃度方面來監(jiān)測污染的分布、濃度水平和動態(tài)發(fā)展狀況。為了完善衛(wèi)星監(jiān)測工作，需要進一步加強以下幾個方面的工作：一是針對各種不同的衛(wèi)星載荷，實現(xiàn)多元載荷觀測結果的綜合與網(wǎng)絡快速推送，以便更好的服務于用戶；二是針對衛(wèi)星監(jiān)測僅能獲得對流層污染氣體柱濃度這一不足，引入大氣化學模式，開展邊界層氣態(tài)污染物濃度的監(jiān)測方法研究；第三由于衛(wèi)星監(jiān)測模型存在誤差，研究將衛(wèi)星監(jiān)測結果和地面站點監(jiān)測結果同化的方法，以便獲得經(jīng)過地面監(jiān)測數(shù)據(jù)校正后的衛(wèi)星遙感反演結果。

（3）重霾污染的衛(wèi)星遙感監(jiān)測與預警的結合問題

衛(wèi)星遙感監(jiān)測僅能獲得已經(jīng)形成的污染態(tài)勢，不能獲得未來的污染預測，衛(wèi)星監(jiān)測需要和大氣模式相結合，以便更好地開展霧霾的成因分析和預報預警工作，做好重霾污染事件的科學應急處理。具體應包括以下幾個方面的工作：一是衛(wèi)星監(jiān)測輔助模式模擬，研究霾污染分布和污染物濃度水平等衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)作為同化算子，改進大氣模式的預報精度；二是衛(wèi)星監(jiān)測結果改進大氣模式的排放源清單，即加強“自上而下”的衛(wèi)星遙感監(jiān)測排放源的工作，在空間分布和時間變化方面改進現(xiàn)有通過統(tǒng)計方式的“自下而上”獲得的源清單工作；第三，除了進一步研究不同顆粒物成分吸濕增長引起能見度下降的成霾機制外，研究大氣模式和衛(wèi)星遙感監(jiān)測結合開展不同污染水平下的預警機制與應急措施的評估方法，為不同污染水平下應急預案的制訂提供科學支撐。[宇圖]