衛(wèi)星遙感評估船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施效果的可行性分析

胡健波，張翰林，彭士濤，徐 旻，謝 昕

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 水路交通環(huán)境保護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室 港口水工建筑技術(shù)國家工程研究中心，天津 300456；2.上海海事局，上海 200086)

航運對世界經(jīng)濟和全球貿(mào)易做出了重要貢獻，承擔了80%～90%的全球貿(mào)易運輸，但也造成了不可忽視的大氣環(huán)境污染問題。船舶尾氣中的主要污染物是SO2和NOx及其二次轉(zhuǎn)化污染物，高SO2排放主因是船舶“偏愛”低成本的高硫重油，而高NOx排放主因是船用發(fā)動機高溫燒燃促進了N2和O2化學反應。據(jù)統(tǒng)計，航運NOx年排放量約2～11.4 Tg[1-3]，占人類全部NOx排放的15%～35%，而SO2占4%～9%。為解決船舶大氣污染問題，國際海事組織IMO于20世紀70年代專門制定了《國際防止船舶造成污染公約》，即MARPOL 73/78公約。

隨著機動車、電力、工業(yè)等陸地污染源排放的有效控制，航運大氣污染物排放問題日漸凸顯且隨全球貿(mào)易一體化呈逐年遞增的趨勢[4-5]，國際和國內(nèi)相關防控政策不斷出臺。在MARPOL 73/78公約的基礎上，發(fā)達國家和地區(qū)率先行動，先后設立了4個國際船舶排放控制區(qū)[6-7]。中國、韓國等國家和地區(qū)緊隨其后，先后設立了一些區(qū)域船舶排放控制區(qū)[8]。2020年，IMO的全球限硫令正式生效[9-10]，是船舶燃油硫含量管控的關鍵年。船用燃油硫含量的限值從3.5%下降至0.5%，可極大減少航運SO2的排放。全球限硫令和船舶大氣污染物排放控制區(qū)是近年來國際上主要的船舶大氣污染物排放管控政策。

實施效果評估是船舶大氣污染物排放控制區(qū)管控政策繼續(xù)深入或優(yōu)化調(diào)整的重要依據(jù)，減排效益數(shù)據(jù)可以是自下而上的船舶大氣污染物排放清單[2]、港口或沿江城市空氣質(zhì)量的間接反映[11]和自上而下的衛(wèi)星觀測[5]。船舶大氣污染物排放清單工作量大、數(shù)據(jù)處理復雜、結(jié)果不確定性大，港口或沿江城市空氣質(zhì)量改善的間接反映受其他排放源干擾大、影響因素多(距離、船舶密度、氣象條件等)、點位少且固定。衛(wèi)星觀測技術(shù)具有覆蓋范圍廣和結(jié)果更直觀的優(yōu)勢，隨著大氣污染衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，用于該管控政策實施效果評估具有很好的前景。本文介紹了船舶大氣污染物排放控制區(qū)前世今生，梳理了大氣污染衛(wèi)星遙感技術(shù)研究進展和船舶大氣污染衛(wèi)星遙感應用，分析衛(wèi)星遙感評估船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施效果的必要性和可行性。

1 船舶大氣污染物排放控制區(qū)管控要求

1.1 國際排放控制區(qū)和全球限硫令

IMO設立的第一個國際排放控制區(qū)是波羅的海排放控制區(qū)，和MARPOL公約附則VI同時生效。2005年、2010年和2011年先后又設立了北海、北美和美國加勒比海船舶排放控制區(qū)。它們的共同之處是分階段降低船用燃油硫含量(圖 1)；不同之處是歐洲的2個起初對NOx沒有管控要求，而美洲的2個則有管控要求。自2021年1月1日起，歐洲的2個排放控制區(qū)也對NOx提出了管控要求，即2016年后建造或有重大改動的船舶NOx排放應滿足Tier III排放標準。

1-a IMO的燃油硫含量管控要求1-b IMO的3個NOx排放管控要求圖1 國際排放控制的燃油限硫和NOx排放限值時間表及全球限硫令時間表Fig.1 Schedule of sulfur content limit and NOx limit in international ship emission control area and global sulfur cap

在全球限硫令方面，2012年后要求船用燃油硫含量不得超過3.5%，而2020年后則不得超過0.5%。

1.2 我國排放控制區(qū)

2015年8月29日，《大氣污染防治法》修訂通過，第六十四條規(guī)定“國務院交通運輸主管部門可以在沿海海域劃定船舶大氣污染物排放控制區(qū)，進入排放控制區(qū)的船舶應當符合船舶相關排放要求?！?015年12月，交通運輸部出臺交海發(fā)[2015]177號文，正式設立珠三角、長三角和環(huán)渤海(京津冀)3個排放控制區(qū)(圖2)。2018年12月，為響應我國其他區(qū)域的減排呼聲并擴大減排力度，交通運輸部出臺交海發(fā)[2018]168號文，正式擴大我國的船舶排放控制區(qū)地理范圍，將控制區(qū)沿海水域拓展至全國領海基線外延12 n mile內(nèi)的所有海域，并新增長江干線和西江干線內(nèi)河排放控制區(qū)。

圖2 我國2015年設立的3個排放控制區(qū)和2018年設立的排放控制區(qū)Fig.2 China′s ship emission control area established in 2015 (three) and 2018

我國同樣采取分階段降低船用燃油硫含量和NOx排放的措施。2019年起，海船進入排放控制區(qū)應使用硫含量不大于0.5%的船用燃油；2020年起，海船進入內(nèi)河控制區(qū)應使用硫含量不大于0.1%的船用燃油；2022年起，海船進入沿?？刂茀^(qū)海南水域應使用硫含量不大于0.1%的船用燃油。2022年以后建造或進行船用柴油發(fā)動機重大改裝的、進入沿海控制區(qū)海南水域和內(nèi)河控制區(qū)的中國籍國內(nèi)航行船舶，所使用的單缸排量大于或等于30 L的船用柴油發(fā)動機應滿足Tier III的NOx排放要求。

2 大氣污染衛(wèi)星遙感技術(shù)研究進展

表1 專門用于大氣污染遙感監(jiān)測的衛(wèi)星相關參數(shù)Tab.1 Parameters of remote sensing satellites specially used for air pollution monitoring

利用衛(wèi)星監(jiān)測大氣污染的研究始自20世紀70年代，當時可用的衛(wèi)星只有AVHRR、Landsat和GOES等早期的通用型遙感衛(wèi)星。20世紀90年代后，專門用于大氣污染遙感監(jiān)測的衛(wèi)星升空年代和相關參數(shù)見表 1。

VEEFKIND等[12]綜述了大氣污染衛(wèi)星遙感技術(shù)，總結(jié)了衛(wèi)星瞬間、大范圍和高空間分辨率這3個優(yōu)勢及其支撐大氣污染情勢通報、排放趨勢分析、排放源篩查與監(jiān)控等方面的價值。MARTIN[13]梳理了本世紀大氣污染衛(wèi)星遙感技術(shù)的進展和監(jiān)測指標，提出了研發(fā)更高分辨率傳感器等方面的建議。KHOURY等[14]證明了NO2和AOT之間的強關系，闡明了NO2二次轉(zhuǎn)化對AOT的貢獻。FIOLETOV等[15]利用OMI觀測北美電廠SO2排放通量。ZIEMKE等[16]比較O3衛(wèi)星觀測和模擬結(jié)果，證明了衛(wèi)星觀測驗證模擬結(jié)果的價值。MIJLING和VAN DER[17]利用OMI和GOME-2定量界定了NOx在空氣中的壽命。LUO等[18]利用TES觀測得到的NH3和CO高度相關現(xiàn)象，揭示了秸稈焚燒區(qū)域排放的特征。BARKLEY等[19]利用OMI數(shù)據(jù)分析了2005年—2010年中東超過1 000處位置(城市、煉油廠、油碼頭和電廠)的NO2、HCHO和SO2的變化趨勢，識別了各種排放源的排放特征和占比。

陳良富等[20]提出了大氣污染衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展的迫切性和提升的建議。劉毅等[21]綜合分析了國際上衛(wèi)星遙感觀測CO2的主要方法、影響因素及研發(fā)方向。姜杰等[22]總結(jié)了灰霾遙感監(jiān)測的基本原理。王剛等[23]分析了OMI的儀器性能和SO2定量反演方法。陳良富等[24]就NO2柱濃度衛(wèi)星差分光譜吸收反演算法(DOAS)的誤差和不確定性進行了評述。湯玉明等[25]從大氣輻射傳輸機理上分析了國內(nèi)外氣溶膠遙感反演方法的優(yōu)缺點。王英鑒等[26]綜述了我國O3衛(wèi)星觀測技術(shù)發(fā)展的3個階段，指明了星載觀測儀器研發(fā)的方向。張強等[27]利用SCIAMACHY和GOME識別了1996年—2010年中國NOx重污染區(qū)域以及部分新增的污染點。張磊石[28]等利用OMI數(shù)據(jù)分析了河南省NO2和SO2在2005年—2014年的變化趨勢。

2017年10月13日，歐空局ESA成功發(fā)射了專用于全球大氣污染監(jiān)測衛(wèi)星Sentinel 5P，其搭載的傳感器TROPOMI(對流層觀測儀)成像幅寬達2 600 km，空間分辨率達7 km×3.5 km，性能得到了大幅度的提升。2018年至今，國內(nèi)外陸續(xù)開展了Sentinel 5 TROPOMI產(chǎn)品的應用挖掘工作。GRIFFIN等[29]觀測了加拿大油田的NO2排放，結(jié)果與飛機監(jiān)測、地面監(jiān)測和地面遙測結(jié)果之間的偏差僅為15%～30%。LORENTE等[30]分析了巴黎NO2濃度的時間變化特征，發(fā)現(xiàn)2018年的NO2排放量僅比2011年—2012年低了5%～15%，認為法國的減排任務十分艱巨。VAN DER等[31]發(fā)現(xiàn)了西伯利亞天然氣管道沿線的高濃度NO2排放，并將其歸咎于當?shù)貙捤傻沫h(huán)保要求。2020年初，美國宇航局NASA發(fā)布了我國的NO2濃度變化圖，直觀展現(xiàn)了我國人類活動水平的劇烈改變對NO2濃度的決定性影響[32-33]。

李旭文等[34]對Sentinel 5 TROPOMI的應用進行了初步測試，認為其將開啟大氣環(huán)境遙感監(jiān)測新的應用領域，可定位污染物來源地、識別污染重點地區(qū)。夏叢紫等[35]評估了Sentinel 5 TROPOMI的SO2產(chǎn)品在中國的適用性，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)明顯偏高，也有研究認為衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果與地面觀測結(jié)果存在較好的相關性[36]。總體而言，我國在大氣污染衛(wèi)星遙感硬件(包括衛(wèi)星數(shù)量和傳感器性能)能力上與國外還存在一定的差距，但在應用水平上與國外已處于并跑階段。

3 船舶大氣污染衛(wèi)星遙感應用

從國際排放控制區(qū)和我國排放控制區(qū)的設立時間可以看出，國際上在船舶大氣污染防治方面比我國早了近10 a。相應地利用大氣污染監(jiān)測衛(wèi)星觀測船舶大氣污染物的研究進度也是如此。

3.1 國外研究進展

BEIRLE等[37]利用GOME維系那個數(shù)據(jù)估算得到斯里蘭卡與印尼之間航路上的NO2排放量為10～73Gg/y，與船舶排放清單結(jié)果22～54Gg/y十分吻合。Richter等[38]利用SCIAMACHY衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了紅海和印度洋航線上的NO2濃度，與船舶排放清單結(jié)果吻合，尤其是紅海航線。RUYTER等[4]利用GOME、SCIAMACHY、OMI和GOME-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了地中海、紅海、印度洋和中國南海4條航線上的NO2濃度變化，發(fā)現(xiàn)2003年—2008年的NO2濃度增加了62%～109%，而后在金融危機期間下降了12%～36%。BOERSMA等利用OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了歐洲海域2005年—2009年的船舶NO2排放情況，發(fā)現(xiàn)2005年—2008年排放增加了約15%，而2009年卻降低了12%，結(jié)合船舶AIS數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)主要是因為經(jīng)濟形勢不好導致船速降低約30%。VINKEN等[39]利用OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算了2005年—2006年波羅的海、北海、比斯開灣和地中海的船舶NOx排放清單，只比自下而上的船舶排放清單結(jié)果低了11%～15%。

荷蘭的研究機構(gòu)[40]對利用Sentinel 5 TROPOMI觀察到疫情期間歐洲海域船舶NO2排放明顯減少，與基于船舶AIS統(tǒng)計航運行情下降的結(jié)果吻合。GEORGOULIAS等[41]結(jié)合Sentinel 5 TROPOMI、船舶AIS數(shù)據(jù)和風速風向數(shù)據(jù)，分析認為該衛(wèi)星可識別到海上具體船舶的NO2排放情況(圖3)。

注：該船舶AIS軌跡(點)、風速風向(箭頭)、基于AIS軌跡和風速風向預測的尾氣帶(十字)、NO2濃度(色斑，顏色越深則濃度越高)圖3 Sentinel 5 TROPOMI監(jiān)測到的某船舶尾氣帶Fig.3 The ship plume monitored by Sentinel 5 TROPOMI

3.2 國內(nèi)研究進展

由于我國船舶大氣污染物管控起步較晚，2016年后才有對船用燃油硫含量的限制要求，因此國內(nèi)相關研究較少。李亞芳等[42]基于OMI對環(huán)渤海灣水域排放控制區(qū)SO2減排效益進行了分析，結(jié)果表明2016年—2019年SO2柱總量峰值逐年降低，并且高值區(qū)域逐漸減少，證明排放控制區(qū)的設立對大氣質(zhì)量保護具有積極作用?？傮w而言，我國船舶大氣污染衛(wèi)星遙感應用研究比國外明顯滯后，Sentinel 5p TROPOMI等更先進的衛(wèi)星遙感技術(shù)應用更是空白。

4 Sentinel 5p TROPOMI應用于船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施效果評估的展望

4.1 必要性

實施效果評估是船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案下一步調(diào)整的必要過程，并且已經(jīng)在實施方案中做了明確要求。交海發(fā)[2018]168號文制定的船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案是一個階段性政策，在硫氧化物和顆粒物排放控制要求中，明確提出了“適時評估船舶使用硫含量不大于0.1%m/m 的船用燃油的可行性，確定是否要求自2025 年1月1日起，海船進入沿?？刂茀^(qū)使用硫含量不大于0.1%m/m 的船用燃油”。在氮氧化物排放控制要求中，明確提出了“適時評估船舶執(zhí)行《國際防止船舶造成污染公約》第三階段氮氧化物排放限值要求的可行性，確定是否要求2025 年1月1日及以后建造或進行船用柴油發(fā)動機重大改裝的中國籍國內(nèi)航行船舶，所使用的單缸排量大于或等于30 L的船用柴油發(fā)動機滿足《國際防止船舶造成污染公約》第三階段氮氧化物排放限值要求”。燃油硫含量限值從0.5%下降至0.1%和NOx排放標準從Tier II提升至Tier III，是管控要求的大幅度提升，必然會對航運業(yè)產(chǎn)生深刻的影響，實施效果評估十分必要。

傳統(tǒng)的實施效果評估方式難以科學、準確支撐政策調(diào)整工作。傳統(tǒng)的實施效果評估方式主要有兩種，一種是自下而上的船舶大氣污染物排放清單，另一種是港口或沿江城市空氣質(zhì)量的間接反映。船舶大氣污染物排放清單方法理論上要求掌握每一艘船的燃油硫含量和實時的NOx排放數(shù)據(jù)，燃油硫含量可來自于海事局的燃油抽檢結(jié)果統(tǒng)計，但是碼頭上的抽檢結(jié)果無法代表實際航行中情況(航行期間違規(guī)使用高硫油的概率遠大于靠泊期間)；NOx排放可根據(jù)船舶發(fā)動機參數(shù)和AIS活動水平計算獲得(目前沒有強制安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)的要求)，由于AIS數(shù)據(jù)核驗、風浪流/負載對實際功耗的影響、柴油/重油不同燃燒溫度對NOx排放的影響等問題，使得該方法工作量大、數(shù)據(jù)處理復雜、結(jié)果不確定性大。港口或沿江城市空氣質(zhì)量改善的間接反映多有報道，但是改善程度不僅與管控要求和船舶數(shù)量有關，還與空氣質(zhì)量監(jiān)測站與航線之間的位置、氣象條件、背景空氣質(zhì)量等密切相關，評估結(jié)果因地、因時而異且只能給出定性的結(jié)論。

衛(wèi)星觀測技術(shù)的優(yōu)勢與船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施效果評估需求十分匹配。船舶大氣污染物排放控制區(qū)覆蓋我國領海和主要內(nèi)河，實施效果評估的范圍非常之大，衛(wèi)星觀測技術(shù)具有“站得高、看得遠”的大范圍觀測優(yōu)勢，可以在同一時間監(jiān)測整個船舶排放控制區(qū)內(nèi)航線上的大氣污染情況。實施效果評估需盡可能避免陸地排放源的干擾，衛(wèi)星所在的地球同步軌道具有全球覆蓋能力，可選擇觀測距離陸地較遠的船舶航線作為代表。實施效果評估需要定量、客觀的數(shù)據(jù)支撐，衛(wèi)星觀測得到的航線上SO2、NOx等大氣污染物的下降趨勢是最直觀的證據(jù)。

開發(fā)衛(wèi)星觀測技術(shù)在船舶大氣污染防治中的應用價值，追趕國際先進水平。通過梳理大氣污染衛(wèi)星遙感技術(shù)研究進展，可知我國的技術(shù)應用水平并不落后。通過梳理船舶大氣污染衛(wèi)星遙感應用研究進展，可知國外自本世紀初至Sentinel 5p衛(wèi)星發(fā)射升空后就持續(xù)在研究，而我國幾乎是空白，雖然有部分原因是我國管控政策出現(xiàn)較晚，但是也說明了我國在該領域研究前瞻性不足的問題。Sentinel 5p衛(wèi)星是目前國際上最先進的大氣污染遙感監(jiān)測衛(wèi)星，恰逢于我國船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施初期發(fā)射升空，對于該管控政策實施效果評估具有重要的價值且正當其時，有必要開展衛(wèi)星觀測技術(shù)在船舶大氣污染防治中的應用研究，追趕國際先進水平。

4.2 可行性

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有可獲得性。Sentinel 5p衛(wèi)星是歐洲全球環(huán)境與安全監(jiān)測系統(tǒng)項目——“哥白尼計劃”的成員，秉承該計劃的數(shù)據(jù)開放政策，政府機構(gòu)、高校、企事業(yè)單位等均可通過官網(wǎng)下載制定時間和空間的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。背后有全球頂級遙感專業(yè)團隊的支持，自動處理原始的光譜數(shù)據(jù)，生產(chǎn)全球SO2、NO2等大氣污染物濃度分布圖，可直接用于船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施效果評估。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)時間跨度上覆蓋我國船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施的關鍵節(jié)點。根據(jù)交海發(fā)[2018]168號文制定的船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案，2018年前僅要求船舶靠港期間使用低硫油(硫含量限值為0.5%)，2019年后要求船舶在控制區(qū)內(nèi)所有水域都是使用低硫油。雖然存在小比例的船舶違規(guī)使用高硫油的情況，但是可以預見2019年后控制區(qū)內(nèi)航線上的船舶尾氣SO2濃度會有很大程度的降低，2019年前后是關鍵節(jié)點。IMO全球限硫令，2020年后全球船用燃油的硫含量限值從之前的3.5%驟然下降至0.5%，可以預見包括我國沿海在內(nèi)的航線上船舶尾氣SO2濃度會有很大程度的降低，尤其是我國船舶大氣污染物排放控制區(qū)之外的海域，2020年前后是關鍵節(jié)點。Sentinel 5p衛(wèi)星發(fā)射于2017年，至今仍在服役，利用同宗同源的Sentinel 5p數(shù)據(jù)評估船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施效果，可避免不同衛(wèi)星光譜通道設置差異對觀測結(jié)果同一性的影響。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有很強的挖掘潛力。2019年后船上可以裝載硫含量超過0.5%的燃油(在控制區(qū)外可以合法使用)，可以評估船東在控制區(qū)內(nèi)違規(guī)使用高硫油行為的僥幸心理；而2020年后硫含量超過0.5%的燃油供應量急劇減少，可以評估船東非法獲取高硫油的情況。山東半島以南的南北航線和南海航線距離陸地較遠，是實施效果評估的絕佳區(qū)域；而近岸或內(nèi)河航線區(qū)域的觀測結(jié)果，可用于分析陸地排放源對水上大氣污染的分擔率。排放控制區(qū)內(nèi)外觀測結(jié)果的比較，可以在實施效果評估中剝離全球限硫令的貢獻。

衛(wèi)星觀測技術(shù)的缺點對實施效果評估影響不大。相比地面觀測結(jié)果，衛(wèi)星觀測結(jié)果存在空間分辨率低的缺陷，即便是最先進的Sentinel 5p衛(wèi)星，空間分辨率也只能達到7 km×3.5 km。但是，該空間分辨率對于排放控制區(qū)范圍來說已經(jīng)足夠，因為船舶在海上沒有嚴格的固定航線，只有寬度較廣、路徑較優(yōu)的大通道。相比地面觀測結(jié)果，衛(wèi)星觀測結(jié)果容易受到云層的干擾。但是，Sentinel 5p衛(wèi)星每天覆蓋全球一次，即便是剔除了受到云層干擾的數(shù)據(jù)，也仍然有充足的數(shù)據(jù)分析年平均甚至月平均的變化趨勢。

4.3 建議

充分發(fā)揮船舶大氣污染衛(wèi)星遙感對于船舶大氣污染物排放控制區(qū)的效果評估作用，結(jié)合船舶大氣污染物排放清單(自下而上統(tǒng)計船舶排放量)對于船舶大氣污染物排放控制區(qū)政策的科學依據(jù)作用和船舶尾氣遙測技術(shù)(高效精準識別高硫油船舶)對于船舶大氣污染物排放控制區(qū)政策的落地保障作用[43-45]，可以形成一套覆蓋政策、監(jiān)管和評估三個環(huán)節(jié)的閉環(huán)技術(shù)集，有力支撐船舶大氣污染物排放控制區(qū)政策。