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卫星遥感诊断分析:北京市区PM2.5及空气污染的主要成因 精选

已有 16960 次阅读 2014-3-12 00:42 |个人分类:科研试验|系统分类:科研笔记| 雾霾, 汽车尾气, 卫星遥感, 建筑扬尘, 诊断分析

提要:

根据中国资源三号高分辨率卫星图像(5.8米空间分辨率)导出的北京市区PM2.5详细分布,对北京市区的空气污染成因进行了诊断分析。诊断结果是:北京市的三环以内空气污染源是以汽车尾气为主,三环以外则是建筑扬尘为空气污染主要来源,而传统的工业污染区(例如,石景山区)空气质量好于其他区域,没有出现严重的空气污染源。

由此可以说明北京市对工业污染的控制是比较成功的,但是对建筑扬尘的危害性认识不够。事实是,越远离市区,建筑扬尘越强。市区中心的汽车尾气不容忽视,虽然PM2.5的强度没有三环以外强,但是其所含化学成分对人体的危害,可能会远高于建筑扬尘的污染。传统工业污染区的空气质量应当继续严格管理控制,避免反复。

短期内减少雾霾发生的措施:通过洒水或者采用封闭式施工,严加控制所有区域的建筑扬尘。必要时可以通过卫星遥感进行监测和处罚。同时,提高汽油质量和汽车尾气排放的标准。控制市中心的汽车流量,三环以内应当以电车和公共交通为主。

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 大气和海洋一样都有自净能力。依靠大气的稀释、扩散、氧化等物理化学作用,可以使进入大气的污染物质逐渐消失。但是当排入的污染物一旦超过了大气的自净能力并累积到一定程度,就形成大气污染。雾霾属于非常严重的大气污染。雾霾的形成过程非常复杂。人们通过多种方法来监测导致中国多个城市区域雾霾发生的原因和主要污染物来源。众说纷纭,尚未权威和明确的结论。采用大尺度的卫星遥感图像(500–1000米分辨率)可以监测雾霾是否发生,发生的范围和动态变化(例如:http://www.gissky.net/RS/2665.html),但是难以揭示雾霾发生的细节以及污染物的主要来源。

造成空气污染,特别是重度雾霾,有天气原因,但更多是人类超量排放的结果。对于天气状况,可以观测和预报,但是我们难以控制。因此,要诊断雾霾现象的成因,我们要集中监测和了解,哪些不当的排放行为不断地向大气输送污染物质,各种行为的作用以及相互作用。冰冻三尺,非一日之寒。大规模的重度雾霾发生不是短时间内的排放可以造成的。是持续不断的不当排放行为累积形成的。当然也不是短时间内就可以解决的。只有查清了不断向大气排放的污染源,并予以控制,大气质量才会逐渐得到改善,雾霾的发生才会减少,直至消失。


1,中国资源3号卫星图像(分辨率5.8米),北京,2012/10/11,10:30AM

中国资源卫星应用中心提供了2012/10/11,10:30am过境北京市区的中国资源三号高分辨率(5.8m)卫星图像(图1)当天北京市天气晴朗,微风,没有雾和风扩散效应(http://lishi.tianqi.com/beijing/201210.html),是一幅非常典型的卫星图像。从图1可以清楚地看出,除了左上角的山区和右下角的农田区之外,晴天的北京市上空笼罩着相当严重的霾。采用最先进的高分辨率卫星图像霾分离技术COOLControllable Objectively Optimized Lessening/removing-haze),我们成功地将霾污染层从卫星图像中分离出来,获得了北京市区霾污染的详细分布,并由此根据同步地面观测资料,分析导出PM2.5的分布(图2)。


2,北京市区PM2.5浓度定量分布估算(μg/m3, 2012/10/11,10:30AM)



3,资源三号卫星图像所覆盖的北京市区的范围(2012/10/11,10:30AM)

做体格检查时,为了保证身体基本指标的测定准确,没有外界干扰,化验血液成分通常需要禁食12小时,测定血压和脉搏时需要保持平静状态。检测和诊断影响城市空气质量的污染源也是类似。在晴天微风的情况下,扩散效应很低,卫星图像所监测到的空气污染或者PM2.5的分布,基本上就是在局部区域生成的。尽管缺少当时的地面实据和同步测量,我们可以根据直观分析来确定是什么原因,在当地造成了空气污染。为此,在北京市区选取空气污染不同的局部区域,包括两个矩形区域(污染比较重),一个圆形区域(污染处于平均水平)和一个菱形区域(传统工业区)做直观分析(图3)。每个局部区域选一到两个小区,做详细的诊断(图3中的绿色框)。

第一个大的矩形区域包含丰台,房山和大兴区,基本上都是4环以外的郊区。从图1的原始卫星图像可以看出,有着非常强的霾所产生的大气散射效应。图2PM2.5的分布显示,大的矩形区域绝大部分PM2.5浓度高于200μg/m3,部分区域甚至可达250μg/m3以上。

选取永定河大桥附近的京良路两侧的部分区域(图4),从图4a可以看到非常强烈的灰霾,图4b是去除灰霾之后的清晰图像,对比ab灰霾强烈的点,基本都是正在开发的工地,包括临时的工房。图4c显示PM2.5超过了200 μg/m3,工地的PM2.5比周围区域要高50 μg/m3左右。这些正在开发的工地向空气中输送和排放大量的粉尘,即使在几乎没有风的情况下。可以想象,在风速达到一定程度的时候,这些工地的扬尘对空气污染影响将是很大的。除了工地扬尘以外,我们还注意到,图4上方中部的列车调转站,也呈现了很高的灰霾和PM2.5


4a , 中国资源3号卫星图像

4b,   去霾处理之后的图4a

4cPM2.5浓度分布μg/m3

第二个诊断分析的是图3中的小矩形区域,包含的大部分是通州区和朝阳区。首先选定四方桥和五方桥之间的周围一片区域(图5)。从图5ab, 可以看到三处施工工地,都存在着比较严重的扬尘,与周围的绿地区域相比,PM2.5浓度高接近一倍。第二个区域选择小矩形中的顶部,环铁一线艺术区以东的周围区域(图6)。由图6a,bc可以看出67个建筑工地,它们的PM2.5浓度平均比周边小区要高50μg/m3,最高可达200  μg/m3 以上。


5a, 中国资源3号卫星图像


 5b,去霾处理之后的图5a

5cPM2.5浓度分布(μg/m3

6a, 中国资源3号卫星图像

6b,去霾处理之后的图6a

6cPM2.5浓度分布(μg/m3

第三个诊断分析图3中的圆形区域,包含三环以内的大部分市中心(图7)。由图7c,可以看出,这个区域的PM2.5浓度平均在150μg/m3),个别小区甚至在100μg/m3)以下。虽然PM2.5值与健康标准相比还有差距,可是相对于整个北京市区的状况还是比较好的,也没有PM2.5浓度超高的小区。当我们分析北京市不同的高分辨率卫星图像时,都会发现市中心区域的图像灰蒙蒙的偏蓝色。从图7ab来看,去霾确实将灰蓝色去掉了。在这样的微风天气,异地传来的可能性不大。因此,这100-150 μg/m3)的PM2.5浓度应当是在市区中心产生的。偏蓝色,根据大气散射原理,说明空气中所含的分子尺度的粒子占绝大多数。应当判断是由汽车尾气造成的。这是一个需要重视的问题。汽车尾气在市中心造成的PM2.5浓度,虽然没有市区外缘的PM2.5浓度高,但是汽车尾气化学成分的毒性远远大于建筑扬尘。因此很难说市中心的空气质量就比其它区域好。还要监测空气的化学成分才行。

7a, 中国资源3号卫星图像

7b,去霾处理之后的图7a

 7cPM2.5浓度分布(μg/m3

第四个诊断分析菱形区域(图3),主要包含石景山工业区(图8)。石景山工业区是传统的空气污染重灾区。但是这些年以来,工业污染一直受到重视。特别是经过2008年奥运会,可以说对工业污染的控制已经见成效。石景山区域是除了森林公园,绿地和湖区之外,PM2.5浓度最低的区域之一。平均值大约在100μg/m3)左右(图8c)。和市中心相似,石景山工业区上空的灰霾,在卫星遥感图像中偏蓝色,所以汽车尾气的影响不容忽视。

8a, 中国资源3号卫星图像

8b,去霾处理之后的图8a

8cPM2.5浓度分布(μg/m3

根据以上的诊断结果:北京市的三环以内空气的污染源是以汽车尾气为主,三环以外则是建筑扬尘为空气污染的主要来源,而传统的工业污染区(例如,石景山区)空气质量好于其他区域,没有出现严重的空气污染源。

由此可以说明北京市对工业污染的控制是比较成功的,但是对建筑扬尘的危害性重视不够。越远离市区,建筑扬尘越强。市区中心的汽车尾气不容忽视,虽然PM2.5的强度没有三环以外强,但是其所含化学成分对人体的危害,可能会远高于建筑扬尘的污染,从而会直接影响人体健康。传统工业污染区的空气质量应当继续严格管理和控制,以保持可持续发展。

短期内减少雾霾发生的措施:通过洒水或者采用封闭式施工,严加控制所有区域的建筑扬尘。提高汽油质量和汽车尾气排放的标准。控制市中心的汽车流量,三环以内应当以电车和公共交通为主。

结语

直观上来看,最近十几年来,在中国发展最快的一个是私家汽车,另一个是房地产建设。二者都与空气环境紧密相关。随着汽车拥有量的迅速增加和房地产建设的大面积开工,由于相应的控制和监管不足,导致大量的微尘和有毒物质持续排放到原来已经难以自净的大气当中。而这种不良的现象是全国性的。几乎每个城市的汽车和房地产都在急速发展。一旦遇到的相应的天气状况,就会引发大尺度的雾霾。

应当指出,工业向大气的排放和居民燃煤的排放都仍然是污染源。但是最近十几年来,工业污染排放的监管在加强,居民燃煤的数量在减少,这都与雾霾形成次数成负相关。

调整产业结构,迁移有关工厂是比较中长期的措施。而严格控制汽车尾气和工地扬尘是马上就可以做到的。如果我们结论是正确的话(虽然我们已经确实相信),其实是个不错的结果。至少我们可以在短期内做到控制雾霾的频繁发生。

这是根据一幅高分辨率卫星图像对北京市区所做的诊断,希望这也会是对其他城市的结论。我们还需要多几幅图像数据来对北京市或者其他城市做进一步的诊断分析。

感谢中国资源卫星应用中心提供高分辨率资源三号卫星图像数据的支持.



空气污染和PM2.5
https://wap.sciencenet.cn/blog-1151100-775170.html

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