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利用MODIS卫星和激光雷达遥感资料研究香港地区的一次大气气溶胶污染

李成才 刘启汉 毛节泰 陈爱忠

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利用MODIS卫星和激光雷达遥感资料研究香港地区的一次大气气溶胶污染

AN AEROSOL POLLUTION EPISODE IN HONG KONG WITH REMOTE SENSING PRODUCTS OFMODIS AND LIDAR

  • 摘要: 利用MODIS可见光通道气溶胶光学厚度的卫星遥感和523 nm波长微脉冲激光雷达 (MPL LIDAR) 对气溶胶消光系数垂直分布的观测,分析了珠江三角洲地区2003年6月一次气溶胶污染过程中气溶胶光学厚度的分布特征、气溶胶消光系数廓线的演变,认为这次污染过程是弱高压控制下的区域性污染,而香港地区污染物浓度的上升与区域性输送有直接关系,结果表明卫星和激光雷达的光学遥感方法提供了研究大气污染的可行手段。
  • 图 1  广州、珠海和深圳2003年6月9~20日API逐日变化

    (资料来自环保部门每日发布数据)

    图 2  香港地区元朗、东涌和塔门3个站2003年6月16~20日地面PM10质量浓度

    (香港环保署 (HKEPD) 数据)

    图 3  香港地区东涌和塔门两个站2003年6月16~20日地面SO2体积比浓度

    (香港环保署 (HKEPD) 数据)

    图 4  MODIS气溶胶光学厚度产品

    (a)2003年6月Terra和Aqua遥感AOD平均值; (b)2003年6月18日10:25 Terra获取的AOD分布; (c)2003年6月18日13:30 Aqua获取的AOD分布; (d)2003年6月19日11:05 Terra获取的AOD分布 (来自NASA反演Level2产品,图中斜格区域为因多云或卫星轨道未覆盖的无数据区域)

    图 5  2003年6月18日08:00华南地区天气背景

    (香港天文台资料)

    图 6  香港地区MODIS 1 km AOD分布 (a)2003年6月18日13:30 Aqua,(b)2003年6月19日11:05 Terra

    (图中黑色部分为海面,陆地白色部分为有云或地表植被稀少反射率比较高的地带,;两处均没有数据)

    图 7  2003年6月18日和19日LIDAR反演的气溶胶消光系统廓线时间变化 (km-1)

    (香港元朝:22.44°N,114.02°E)

    图 8  LIDAR反演的气溶胶消光系数 (km-1) 近地面层 (130 m) 与地面PM10浓度 (μg°m-3) 的对比

    (香港元朗,2003年6月18日~6月19日)

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出版历程
  • 收稿日期:  2003-09-01
  • 修回日期:  2004-01-29
  • 刊出日期:  2004-12-31

利用MODIS卫星和激光雷达遥感资料研究香港地区的一次大气气溶胶污染

  • 1. 香港科技大学海岸与大气研究中心, 香港
  • 2. 北京大学物理学院大气科学系, 北京大学暴雨与旱涝灾害教育重点实验室, 北京 100871
  • 3. 深圳市环境科学研究所, 深圳 518001

摘要: 利用MODIS可见光通道气溶胶光学厚度的卫星遥感和523 nm波长微脉冲激光雷达 (MPL LIDAR) 对气溶胶消光系数垂直分布的观测,分析了珠江三角洲地区2003年6月一次气溶胶污染过程中气溶胶光学厚度的分布特征、气溶胶消光系数廓线的演变,认为这次污染过程是弱高压控制下的区域性污染,而香港地区污染物浓度的上升与区域性输送有直接关系,结果表明卫星和激光雷达的光学遥感方法提供了研究大气污染的可行手段。

English Abstract

    • 近年来,在我国大多数城市,随着经济发展大都面临一个非常严峻的大气污染问题。城市能见度显著降低、可吸入颗粒物和有害气体对公众健康产生直接的影响。大气污染物主要包括空气中可吸入气溶胶颗粒物、二氧化硫、氮氧化物和臭氧等有害气体。在中国大陆,城市大气污染物主要为可吸入气溶胶颗粒物。直径小于2.5 μm的气溶胶颗粒 (PM2.5) 因为对可见光的消光 (散射和吸收) 作用导致地面能见度的下降,给城市景观和市民生活造成直接的影响。直径在10 μm以下的气溶胶颗粒物可到达人类呼吸系统的支气管区,直径小于5 μm的微粒可到达肺泡区。这些细颗粒物在肺泡内不易被排除,易被吸收溶入血液,引起肺功能的改变,最终导致心血管和哮喘疾病的增加,对人体健康造成极大的危害。对污染物在地面建立观测站进行全天候连续观测能够直接得到反映污染物的地面浓度以及时间变化的可靠数据,但是由于观测仪器、设施昂贵,不可能得到良好的空间覆盖,不利于对污染物来源、污染物变化趋势的宏观分析和提出解决区域污染问题适当的控制方案。

      通过遥感手段来获取污染物的时空分布具有很好的应用前景。基于对气溶胶特性在全球变化研究中的重要性的深入认识,国际上实施了一系列卫星观测计划以获取气溶胶光学厚度、粒子谱分布、单次散射反射率、折射指数等特性的全球分布,也包括气溶胶源、气溶胶总量和光学特性、气溶胶直接强迫和间接强迫的季节和年变化[1]。其中美国国家宇航局 (NASA) 利用地球观测系统计划 (EOS) 的卫星Terra和Aqua所搭载的MODIS仪器对地球的多光谱高分辨率观测,已经得到了10 km分辨率的气溶胶全球海洋和陆地上空的分布[2]

      20世纪70年代激光雷达 (Light Detection And Ranging-LIDAR) 就已经问世,然而直到90年代,激光雷达在大气探测领域的业务使用还很罕见。主要是因为一般的激光雷达出射脉冲能量比较高、对人眼和飞行器的操作可能造成危害; 费用昂贵、机体庞大、结构复杂和可靠性差等因素限制了激光雷达的应用。90年代初,微脉冲激光雷达 (Micro PulseLIDAR-MPL) 发明后,很快被应用于大气探测研究领域,尤其是应用于边界层结构探测、云和气溶胶的探测。这种激光雷达相对于一般常规激光雷达的优点在于:第一,出射脉冲能量相对于一般激光雷达的0.1~1.0焦耳 (J) 降到几个微焦 (μJ),并且采用扩束的技术使得几个微焦的脉冲能量在直径大约20 cm的镜头射出,对人眼安全; 第二,体积小、结构精巧、生产费用低; 第三,脉冲重复频率高,相对于一般激光雷达的几十赫兹 (Hz) 它的脉冲频率达到几千赫兹,而脉冲宽度达到几十到几百纳秒 (1ns=10-9 s),使得空间分辨能力达到几十米的精度。由于微脉冲激光雷达的这些优点,它已经被广泛用于气溶胶和云的海上走航观测和陆基观测[34]。目前正在运行的全球微脉冲激光雷达网 (The Micro-pulseLidar Network-MPLNET) 由20多台MPL组成,是美国国家宇航局 (NASA) 的全球观测系统 (EOS) 计划资助的一个项目 (http://mplnet.gsfc.nasa.gov/),用于监测气溶胶和云的垂直分布信息,也为卫星遥感提供气溶胶观测的校验。

      珠江三角洲地区在近20年来经济取得飞速发展,由于在这个区域里集中了香港、澳门、广州、珠海、深圳等人口密集的大城市和众多的中等城市,大气污染问题已经成为制约这一地区可持续发展的一个严重问题。香港位于珠江三角洲地区的东南侧,南面濒临中国南海,北靠大陆深圳,西北方向距离广州140 km。气候属亚热带湿润季风气候。香港地区在夏季受到来自南海清洁湿润季风的影响,污染物主要来自城市局地污染; 冬季来自北方大陆的冷空气也将大陆地区的气溶胶带到香港,污染物为城市局地污染和区域输送的共同贡献[5]。通常情况下,香港的空气污染以有害气体为首要污染物的情况比较多见。可吸入颗粒物 (PM10) 的月平均浓度非常低,大约为夏季的30 μg°m-3到春季的70 μg°m-3,低于一般的大陆城市。统计发现香港地区PM10浓度和NOx浓度具有非常好的相关,说明香港地区平均情况下的气溶胶与氮氧化物气体在来源上具有特定联系,氮氧化物主要来自机动车排放。直接的观测数据也表明,一般情况下在香港交通拥挤的公路上监测到的气溶胶浓度常常具有最高值[6]。总悬浮颗粒物 (TSP)、PM10和PM2.5的质量观测结果表明,香港地区的PM2.5在TSP和PM10中占有较高比例,高于世界上一般工业城市的观测结果[7],说明香港地区的气溶胶以气-粒转化生成的细粒子为主。然而,香港地区的RSP浓度在个别气溶胶污染事件中却可以迅速上升,同时伴随较大粒子浓度的增加。天气背景和污染物浓度的统计分析发现比较高的气溶胶浓度常常观测在风向为270°~360°,即西北风的时候; 0°~90°的东北风时,相对较低; 而180°~270°的情况下即南风时平均浓度最低[5]。从风向风速统计情况看,香港地区北风和西北风的频率比较小。受夏季海上副热带高压影响和冬季大陆冷高压影响,在通常情况下,香港地区地面盛行夏季的东南风和冬季的东北风,珠江三角洲的区域输送对香港的影响不大。但是夏季东海海面、台湾和福建一带的台风过程、高压系统位于中国西南地区、冬季冷锋天气过境等天气都会导致香港地区大尺度背景风向趋向北、北偏西的变化,由此可能带来香港地区气溶胶背景浓度迅速上升的情况[8]

      本文利用MODIS卫星资料遥感的10 km和1 km空间分辨率的气溶胶光学厚度资料、微脉冲激光雷达遥感的气溶胶消光系数垂直分布资料、地面污染物监测资料和相应的气象观测资料分析了2003年夏季发生在珠江三角洲地区的一次污染个例。

    • 中分辨率成像光谱仪 (MODIS) 是搭载在美国国家宇航局 (NASA) 的Terra (EOSAM1) 和Aqua (EOS-PM1) 两颗卫星上的传感器,由于其具有从可见、近红外到红外的36个通道,最高可见光分辨率达到250 m, 扫描宽度达2330 km, 对陆地气溶胶遥感提供了可行的手段。NASA建立的MODIS资料业务处理系统中提供了分辨率为10 km ×10 km的气溶胶光学厚度 (AOD) Level 2产品[12]。我们曾利用在香港地区长期的太阳光度计观测得到气溶胶光学厚度并与NASA的气溶胶产品进行详细对比[89],认为这一产品具有比较高的精度描述我国象华南这样常年植被密集、地表可见光反射率比较低的地区的气溶胶特征。香港科技大学利用高速的互联网优势,建立了与NASA哥德空间飞行中心 (NASA GSFC) 的数据传送渠道。每天NASA将来自Terra和Aqua两颗卫星上MODIS传感器的最新资料和产品,包括36个可见和红外通道的Level 1B的原始资料以及气溶胶光学厚度产品等Level 2资料,自动传送到香港科技大学的服务器。Level 1B资料一般时间延迟为1天,而Level 2产品大约在4、5天左右。这样的数据共享方式,基本满足了科研工作的需要,而且节约了建立地面站的昂贵费用。利用Level 1B资料,我们参照NASALevel 2气溶胶反演算法,开发了针对城市区域应用具有1 km空间分辨率的气溶胶光学厚度产品反演算法[8]。本文用到了MODIS Level 2的气溶胶产品和我们取得的1 km空间分辨率的气溶胶光学厚度结果。

    • 香港科技大学在香港九龙的元朗建立了一个连续业务化运行的激光雷达站。采用的是美国SESI公司 (Science & Engineering Services, Inc.) 的微脉冲激光雷达 (Micro PulseLight Detection And Rang ing-MPL LIDAR)。该雷达由同轴光学部分和控制箱体组成,其中光学部分的前端为直径20 cm的望远镜,负责发射激光和接收大气对激光的后向散射。激光波长为523 nm, 脉冲重复频率2500 Hz (理论最大探测高度为60 km),出射脉冲能量在10 μJ以下,脉冲持续时间10~100 ns, 允许的采样时间间隔为200、500、1000和2000ns, 对应30 m、75 m、150m和300m的空间分辨精度。数据记录的平均时间一般可设为15s以上,这样每个记录将来自至少37500次 (2500 Hz ×15 s) 出射脉冲采样的平均。采样时间间隔和产生每个记录的平均时间决定了激光雷达的时间空间分辨能力,也决定了信号的信噪比的大小。由于激光探头光子记数与实际接收能量的非线性关系引起的空载时间订正 (dead time correction) 由激光探头的厂家标定,存放了一个查算表,在MPL运行时由厂家软件可直接订正。除此之外,我们完成了激光雷达的其他数据处理工作,包括距离偏移订正 (Range Of fset Correction)、寄生脉冲订正 (Af terpulse Correct ion)、背景订正 (Background Correction)、距离订正 (Range Correction) 和重叠区订正 (Overlap Correction),最后利用单次散射的雷达方程反演了气溶胶消光系数的垂直分布。同时利用太阳光度计的观测校准了雷达常数和后向散射与总消光系数比。

    • 图 1给出广州、深圳和珠海三个城市在2003年6月9日到20日空气污染指数 (API) 的变化。API是按照中国环境监测总站的定义,根据几种污染物浓度计算得到的反映空气质量好坏程度的一个指数。当首要污染物为可吸入颗粒物时,API 50~100对应市内所有观测站平均后的日平均浓度50~150 μg°m-3。图中可见2003年6月18日、19日珠江三角洲地区这几个主要城市的API有明显升高,在6月18日、19日达到这一段时间的最高值 (广州6月19日为98,对应146 μg°m-3的市内几个测站平均的日平均PM10浓度)。而作为对比,6月份这3个城市API的平均值分别为66.0、40.7、45.6。这一段时间,首要污染物在3个城市都是可吸入颗粒物PM10。图中可见广州的API大多数时间大于珠海和深圳两个城市; 而珠海和深圳两个城市,虽然地处珠江河口的两岸,城市中心距离超过50 km, API的变化却有着比较相似的趋势。很明显,6月18~19日珠江三角洲地区经历了一次可吸入颗粒物的污染过程。

      图  1  广州、珠海和深圳2003年6月9~20日API逐日变化

      我们也取得香港地区香港政府环保署 (HKEPD) 的数据来查看这次污染过程,图 2为元朗、东涌和塔门3个站的数据。这3个站的特点是:元朗位于香港九龙半岛的西北,濒临深圳湾,与深圳隔海相望。元朗站位于市镇内,因此它所监测到的污染物浓度通常是局地城市污染和区域输送的混合作用。由于元朗距离珠江三角洲最近,它对区域扩散的影响也最敏感。东涌位于香港西南方向大屿山岛的西北侧,测站所在位置是一个山区环境,不直接受到附近城市局地排放的影响。塔门位于香港东北方向一个小岛上,远离城市地区,可以视为香港环境监测的一个背景站。图中可见6月16日到6月18日,可吸入颗粒物PM10浓度有个持续上升的过程,在6月18日3个站都达到这段时间的最大值。其中元朗在6月18日中午最大值达201.5 μg°m-3,从08:00(北京时,下同) 到12:00增加了100 μg°m-3以上。在6月19日东涌和塔门下降得比较大,但元朗的当日最大值还在111.8 μg°m-3。除了这3个站外,在香港其他的观测站也都监测到PM10浓度的显著增加; 同时其他污染物,如SO2和氮氧化物在各个站点也都有显著增加,图 3给出的是香港地区东涌和塔门两个站监测到的地面SO2体积比浓度在同一段时间的变化,在6月18日两个站的SO2浓度都有跳跃性的增加。

      图  2  香港地区元朗、东涌和塔门3个站2003年6月16~20日地面PM10质量浓度

      图  3  香港地区东涌和塔门两个站2003年6月16~20日地面SO2体积比浓度

    • 图 4为利用NASA反演的MODIS气溶胶光学厚度绘制的4张图。图 4(a) 为利用2003年6月来自Terra (过境时间为上午) 和Aqua (过境时间为下午) 两颗卫星的全部数据作的气溶胶光学厚度的平均。图中明显可见珠江三角洲地区存在一个以广州、佛山一带为中心的气溶胶光学厚度高值区,月平均最大值达1.3以上。沿广东省的海岸地带,从陆地到海上具有比较大的梯度分布。香港则位于这个梯度地带上,自东南到西北光学厚度月平均数值大致在0.6~0.9的范围。从月平均图可以推测香港的可吸入颗粒物浓度在西风、西北风、北风的情况下可能受到来自珠江三角洲地区高浓度中心的影响。图 4(b)为2003年6月18日10:25 Terra卫星探测到的AOD分布。图中可见珠江三角洲地区AOD 1.0以上的大值区覆盖范围还比较小,仅为广州、佛山、江门附近珠江口西岸的地带。图 4(c)为2003年6月18日13:30另外一颗卫星Aqua探测到的AOD分布。图中可见AOD 1.0以上的大值区覆盖范围突然扩展到几乎珠江三角洲的整个地区,上午还是比较低的香港地区已经湮没在这个大值区内了。这个结果与图 2香港地区地面PM 10的监测结果是相符合的。图 4(d)为2003年6月19日11:05 Terra卫星探测到的AOD分布。图中可见珠江三角洲地区AOD大值区覆盖范围没有缩小,但是深圳、香港地区的AOD数值有所下降。这一点也和图 1图 2内地和香港的地面观测结果相吻合。

      图  4  MODIS气溶胶光学厚度产品

      图 5给出华南地区6月18日08:00的天气图,图右侧的台风系统为2003年影响我国沿海的第6号台风“苏迪罗”(SOUDELOR),它的中心位置正位于台湾北部以东、东海南部的海面。受东海台风和四川盆地的暖高压的影响,广东珠江三角洲一带天气稳定晴好,大尺度背景风向偏北、偏西。6月18日08:00的天气图 (图略) 显示,台风进一步北移,广州地区发展出一个比较弱的独立的高压系统。香港地区的逐时地面气象资料也给出在6月18日到19日这两天存在比较长时间西风、西北风的记录。卫星遥感的结果结合天气图和有关的气象资料,我们推断6月18日、19日珠江三角洲地区的大气污染趋于严重和整个区域的扩散条件的恶化有关。而香港地区很明显受到区域输送的影响。图 2中所示的香港地区几个测站得到的地面污染物在6月16日到19日持续上升的过程应该和台风系统逐渐靠近东亚大陆并北移至东海海面这一过程带来的北风有关。NASA的Level 2产品的空间分辨率为星下点10 km, 有助于分析区域尺度的气溶胶分布和输送特征,但是对于几十公里内的城市应用来说,空间分辨率显然不够。因此我们利用MODISLevel 1B数据反演了1 km分布的气溶胶光学厚度图像 (算法描述和检验参见文献[8]),如图 6(彩图) 所示,图中黑色部分为海面,因为珠江口地区海水泥沙含量比较大,海面气溶胶遥感存在一定难度,本文没有给出相应结果; 陆地白色部分为有云或地表植被稀少反射率比较高的地带,而没有得到气溶胶数据。

      图  5  2003年6月18日08:00华南地区天气背景

      图  6  香港地区MODIS 1 km AOD分布 (a)2003年6月18日13:30 Aqua,(b)2003年6月19日11:05 Terra

      一般情况下,香港地区1 km分辨率的气溶胶图像分布中,可以明显看到城市局地影响的特征,但是这两天的图像已经很难分出受局地排放影响的特征。6月18日的图像中可见AOD的高值区位于西北部靠近深圳的部分。在6月19日的图像中,可发现一个比较独特的现象:在香港西南方向大屿山岛和九龙半岛新界、西贡的一些山区部分出现一些高值区。我们推测在接近正午时分在这些高海拔地区,当混合层发展到上层区域遇到存在于稳定和中性边界层内的污染物输送层,污染物在垂直方向充分混合和积累,这一过程先于低海拔地区实现。

    • 我们知道,AOD是气溶胶消光系数垂直方向的积分,气溶胶消光系数垂直分布有比较大的空间和时间变化时,AOD往往不一定能够完全与地面监测的颗粒物浓度相关。因此我们希望有气溶胶垂直探测的信息来进一步分析这个污染过程,图 7(彩图) 给出LIDAR在香港元朗监测的结果。香港科技大学将该LIDAR设置在元朗市区 (22.44°N,114.02°E) 一个7层楼的楼顶,在同一地点配备有HKEPD的环境监测设备和地面气象资料观测设备。

      图  7  2003年6月18日和19日LIDAR反演的气溶胶消光系统廓线时间变化 (km-1)

      图 7中可见6月18日00:00~08:00、18日18:00至19日08:00,夜间边界层0.5~1.2 km高度都存在明显的气溶胶消光系数高值区,对应一个稳定或中性边界层中低空急流区 (LLJ) 的污染物输送层。连续两天都可见在07:00~13:00、14:00混合层高度随时间大致线性增长的发展演变过程,混合层高度在午后达到最大值。在混合层顶,偶尔出现了边界层云 (因为云的消光系数比较大 (云检测算法中我们利用0.8/km为阈值),云上的部分雷达不可见,对应图中的白色条纹)。当混合层发展到夜间边界层内污染物输送带的高度时,垂直混合作用将导致地面污染物浓度的迅速升高。所以图 2中所示的元朗观测站PM10地面浓度在白天较高的峰值,除了和局地污染物排放在白天有所增加外,来自高层向下的输送是个更重要的因素。

      图 8给出这两天48hLIDAR探测的气溶胶消光系数与LIDAR所在同一站点的HKEPD的PM10质量浓度监测数据的对比,图中给出最低层130m和较高层680m两个高度的气溶胶消光系数60 min滑动平均的结果。虽然高度上PM10浓度与LIDAR最低层数据两者相差达130 m, 但是图中可见二者的时间演变具有很好的相关,验证了在没有降水和雾存在的情况下,LIDAR光学遥感的气溶胶消光系数结果基本可以反映气溶胶颗粒物的质量浓度分布。而680m的结果在变化幅度上要比低层小一些,除了有每日中午的增长外,夜间有比较高的峰值存在; 07:00到09:00左右出现低值,结合图 7的图像我们可以看出这和污染物被抬升有关,当然不排出海陆风和山谷风的影响使得风向有所改变。

      图  8  LIDAR反演的气溶胶消光系数 (km-1) 近地面层 (130 m) 与地面PM10浓度 (μg°m-3) 的对比

    • 本文利用EOS-MODIS光学厚度卫星遥感和微脉冲激光雷达 (MPL LIDAR) 气溶胶消光系数垂直分布观测以及地面污染物监测资料和相应的气象观测资料,分析了珠江三角洲地区2003年6月一次气溶胶污染过程,给出气溶胶光学厚度的区域分布特征、气溶胶消光系数廓线的时间演变。认为这次污染过程是弱高压控制下的区域性污染,而香港地区污染物浓度的上升与区域性输送有直接关系。LIDAR观测的结果说明夜间稳定或中性层结下的输送层对于白天混合层升高后地面污染物浓度迅速升高有显著贡献,MODIS的高分辨率城市气溶胶遥感发现在上述输送过程中,香港的山区高海拔地区出现较大的气溶胶光学厚度分布,与通常情况下香港城市局地污染集中在山谷、海湾等低海拔地区不同,LIDAR资料间接说明这与高层区域输送有关。本文的结果证实卫星和激光雷达光学遥感方法为大气污染物空间分布特征、扩散输送过程的分析提供了可行手段。

参考文献 (9)

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