气象卫星能为雾和霾监测治理做什么？

航天 · 2017-1-20 14:12:13

2016年年末以来，雾和霾天气成为公众关注热点。霾在卫星云图上看起来是怎样的？气象卫星在雾和霾的监测和大气污染治理评估等方面有哪些应用？针对这些问题，2017年1月6日下午，记者采访了中国气象局国家卫星气象中心遥感应用室副主任、京津冀及周边地区大气污染防治专家委员会专家张兴赢。　　专家：中国气象局国家卫星气象中心遥感应用室副主任张兴赢　　采访人：新华网李海韵中国气象报记者叶海英

张兴赢（左）接受记者采访。李根摄影　　记者：针对2016年年末华北黄淮地区出现的雾和霾影响面积，气象部门提供的数据是通过卫星监测到的吗？　　张兴赢：是的，对于2016年12月16日至21日的雾和霾天气过程，2016年12月17日新闻媒体和电视上报道的雾霾覆盖约九分之一国土面积，就是我们风云气象卫星监测得到的101万平方公里，2016年12月18日监测到的面积是142.2平方公里，据2017年1月6日上午的卫星监测数据显示，我国中东部大部分地区都是云层覆盖，卫星能看到的霾污染面积大约有40万平方公里。　　记者：监测雾和霾的是什么样的气象卫星？霾在卫星云图上看起来是怎样的？和云有什么区别？卫星是如何判定霾的轻重呢？　　张兴赢：目前我们监测雾和霾的气象卫星，用到了两类卫星，一类是极轨气象卫星，也就是太阳同步卫星或者叫低轨卫星，每天观测全球一次；另外一类是静止气象卫星，也就是地球同步卫星或者叫高轨卫星，可以每小时，或者每分钟，甚至可以秒级观测卫星正对的地球圆盘图，也就是三分之一个地球。　　气象卫星被形象地称为“天眼”，指的是卫星在天上看地球时就和人的眼睛看到一样，卫星直接看到的霾的图像就是灰蒙蒙的一片，而云在卫星眼里就是白色的。　　卫星除了可以像眼睛一样看到图像，还可以像医生给人体做CT一样，根据太阳光穿透大气层后被吸收或者散射削弱的信号，通过科技人员的解译，可以得到霾的轻重信息。我们为了让公众可以直观地看到，赋予不同轻重霾污染不同的颜色还有相应的数字信息，这样就可以便捷地分清霾的轻重了。

2017年1月2日风云三号气象卫星监测及14:00时地面PM2.5浓度监测图。（来源：国家卫星气象中心）　　记者：雾和霾的厚度能通过卫星监测到吗？未来有没有可能通过卫星探测到霾的成分？　　张兴赢：随着卫星探测手段的不断提升，目前我们利用卫星上搭载的主动激光雷达，可以获得云、雾和霾的高度信息以及含量信息。比如2016年12月16日至21日的雾和霾天气过程期间，我们利用地面的激光雷达和卫星上的激光雷达都可以获得霾的厚度信息，大约都在500米-1000米之间。　　对于霾的成分，目前卫星只探测到覆盖的范围和轻重等级，还没有霾的化学成分信息，但在2018年我国将发射一颗高光谱观测卫星，预计5年后还会发射一颗专门的大气环境监测卫星，上面将搭载特殊的偏振和多角度的仪器，可以获取霾颗粒物中不同粒子的大小以及主要几类化学成分的信息，比如是硫酸盐型的颗粒物还是硝酸盐型的颗粒物等。　　记者：卫星监测雾和霾的结果有什么用处？　　张兴赢：主要有三个层面的应用，对于公众来说，卫星监测到的结果可以提供霾的覆盖面积、影响范围和输送扩散的信息。　　对于专业研究来说，简单的卫星成像结果并不足以提供足够的信息量，更重要的是利用卫星对大气污染物的定量监测结果，除了大家一目了然可以看到的卫星雾霾监测图像外，卫星还具备了对大气层进行“CT检测”的功能，可以获取大气中的气溶胶光学厚度，还可以获得看不见摸不着的污染气体，比如二氧化氮、二氧化硫，而这些气体是形成霾颗粒物污染重要的前体物。目前我们的大气污染预报精度还不够，很重要的原因是污染排放源的清单的精度不够，而利用卫星资料的同化技术将可以改善源排放清单的估算，再结合气象条件的预报，大气污染的预报结果就会提高很多。　　对于国家决策来说，借助卫星资料获得更准确的污染源排放清单，治理将更加有的放矢。另外，可以利用卫星长期的观测结果来评估我国霾污染的程度和变化趋势。国家和地方政府尤其需要通过长期稳定的卫星探测资料，来了解大区污染控制措施实施后，究竟有没有效果，以及未来该如何开展治理，卫星资料可以提供非常有益的支撑。

卫星数据被应用于天气预报。(来源：中国气象网)　　记者：最近我国发射了风云四号卫星，那么这颗星业务运行之后，将对我国的天气气候监测预报水平有着怎样的提升？　　张兴赢：目前风云四号卫星属于在轨测试阶段，测试时间半年到一年，风云四号卫星的发射不仅是我国气象科技界，也是世界气象科技界的一件大事。

2016年12月11日零时11分风云四号01星成功发射。(来源：新华网)　　风云四号卫星上面搭载了先进的静止轨道干涉式红外探测仪，这是目前全世界第一个在静止卫星上搭载的高光谱红外探测器，正式运行后，将可以高频次地获取天气监测和预报最重要的温湿度产品；另外，还有静止轨道辐射成像仪，由于观测波段比原来看风云二号大幅度地提升，可以生产出更多的产品，其中就包括可以用于雾霾监测的气溶胶产品；此外，还搭载了国内第一台闪电成像仪，将可以第一时间捕捉到闪电在云层阶段的信息，这为地面的闪电预警提供了非常有力的支撑。从通道数来看，先进的静止轨道辐射成像仪在风云二号卫星5个通道的基础上，增加到14个通道，包括可见光、近红外和红外通道等，可以挖掘到跟多的产品。由于增加了可以看到气溶胶的通道，所以我们能够每15分钟看一次雾霾的变化。　　风云四号卫星上由于仪器数量和性能的大幅提升，将可以获取更多的观测产品，目前我们开发了34类监测产品，涉及天气、气候、资源、环境，其中环境包括大气环境、地表环境和海洋环境。　　风云四号卫星将在原来风云二号卫星的基础上，在时间和空间分辨率上得到很大的提升，风云二号卫星空间分辨率是公里级的，时间分辨率是1小时观测一次，而风云四号卫星空间分辨率可以达到500米，时间分辨率提高到15分钟观测一次全圆盘图，甚至还可以实现1分钟1次区域观测。对于快速多变的天气现象来说，可以提供非常重要的支撑，对天气预报和防灾减灾将会是量变到质变的过程。　　记者：我们知道，风云卫星是航天科技集团公司牵头研制的，气象部门参与了部分研发工作，那气象部门在风云卫星的研发上，主要是做了哪些方面的工作？　　张兴赢：我们国家卫星气象中心是气象卫星的用户和运行单位，不是气象卫星的制造单位，卫星平台和遥感仪器是航天部门，还有中国科学院的研究所来负责研制的，在卫星的研制上，国家卫星气象中心主要做两项工作：一是顶层需求设计，要给工业制造部分提出明确的需求，需要什么的卫星和什么样的仪器；二是科学指标论证：根据我们要开发的卫星产品，要经过严密的计算模拟，提出每个观测仪器设计的各项主要技术指标，提交给工业部门，并且在整颗卫星的研制过程中，我们全程参与到各个环节，与航天部门共同来推进和完成卫星的制造到出厂发射。这只是我们作为气象卫星用户单位参与到气象卫星研制的工作，实际上国家卫星气象中心日常更多的工作在于卫星数据的接收、数据的预处理、产品开发、数据存档和分发服务以及产品的应用与服务。

干涉式大气垂直探测仪扫描方式示意图。（来源：国家卫星气象中心）　　记者：如果有用户想要定制卫星数据，比如某一个城市的气溶胶浓度的年际变化，能提供吗？气象卫星在大气污染的治理评价上作用如何？　　张兴赢：极轨卫星的观测是全球覆盖的，全球任何地方的观测数据都可以提供。卫星在全球覆盖和长时间序列的观测能力方面是非常突出的，当然卫星目前也有自己的“弱点”：那就是由于在遥远的太空探测，且要实现一天内覆盖全球，因此地面的空间分辨率不可能非常高，所以如果是一个特别小的城市地区，卫星是不容易识别得到的。气象卫星在大气污染的治理评价上可以起到非常重要的作用。我们每年都要给国务院提供各类评估报告，尤其比较重大的活动期间，大量减排后究竟效果如何，我们会利用卫星以及地面的观测数据来科学地评估减排效果。2017年起中国气象局将每年编制《大气环境公报》，向国家和社会公布我国当年的大气环境基本状况。　　网友：城市和农村的霾来源有何不同？　　张兴赢：霾的来源有自然的，也有人为的。城市里由于工业和能源消耗的排放，霾颗粒物中的成分包含硫酸盐、硝酸盐比较多。而农村则可能由于农业活动和植物燃烧，颗粒物中可能碳含量比较多。雾霾颗粒物的化学成分会因时因地不同，具有区域的特征。目前我们的卫星从2000年起就开始可以观测大气气溶胶颗粒物的光学厚度，能看到气溶胶浓度高低和时空的变化，但还不能区分其中颗粒物的化学成分，等2018我国新的卫星发射后，由于将携带气溶胶多角度偏振仪器，将有可能实现对霾颗粒物的大小和主要的化学成分的区分，这样对开展减排的科学支撑会更大。　　网友：能见度、雾、霾的轻重究竟是什么关系？能见度越低霾污染越重吗？　　张兴赢：不能等同。举个很简单的例子：假设北京大雾，自然能见度非常低，但是由于只是大雾，其中不含有污染颗粒物，这时候虽然能见度低，但实际上是没有霾的。反之，如果空气中的湿度很低，能见度还是可以的，但实际上空气中的颗粒物浓度可能已经很高了，这个时候虽然能见度还可以，但已是霾污染的状态了。同时，有时候由于大气于湿度不高，能见度尚可时，但是大气中已经存在较高浓度的颗粒物污染的情况却不少见，所以大家不要认为能见度还不错，就一定没污染了，要留意每天的气象预报和观测数据。

全国霾24小时预报。（来源：中央气象台）　　网友：大气中的颗粒物也并非完全都是有害的吗？如果戴上口罩后，会不会把对人体有益处的颗粒物也隔绝了？　　张兴赢：大气的颗粒物本来也是大自然客观存在的。所有的颗粒物都有两个来源：自然的和人为的。实际上霾在没有工业污染活动时已经存在于大自然，由于大气扩散不好，自然排放的颗粒物也会短时呈现较高浓度而影响了大气的能见度，比如浮尘等。而对于大自然本身来说，沙尘的客观存在是大自然生物地球化学循环非常重要的一个环节，比如我们的黄土高原就是沙尘几万年缓慢堆积的杰作，我的博士生导师早年在NATURE杂志发表过一篇文章，专门论证了正是沙尘的传输，贡献了远洋地区80%的氮盐和磷盐，如果没有沙尘颗粒物向远洋输送氮盐和磷盐，海洋中的浮游植物就无法生存。大自然中各种存在的事物都有合理的一面，只是我们人类的活动打破了大自然中各种固有的平衡，那么就会形成灾害。　　网友：空气重污染预警和霾预警有什么区别？　　张兴赢：这个问题，估计困扰大家已久，在这里我给大家仔细说明一下。目前大家看到的“重污染天气预警”是地方政府的重污染天气应急指挥部发布的，预警的依据主要是AQI指数，也就是大气中污染物的浓度，比如一旦发布红色预警，就要执行车辆限制、企业限产以及学生停课等，是一种政府的管理行为。　　而大家经常从电视以及媒体上天气预报中了解到的气象部门发布的是霾的预警，这个不同于环保部门发布的空气重污染预警，气象的霾预警分黄色、橙色和红色三级，主要是根据能见度、空气相对湿度以及颗粒物浓度这三个综合指标的科学判识来制定的，主要是考虑到公众的交通出行安全、生活安排以及个人健康的提示，不带有强制性的行政效力，只是贴近百姓生活的服务预警，让大家平时生活出行做参考。

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