利用哨兵5P衛(wèi)星數(shù)據(jù)初探攀枝花市域大氣遙感監(jiān)測(cè)

周 黎 胡海濤* 王曉峰

(1.攀枝花市生態(tài)環(huán)境信息與技術(shù)評(píng)估服務(wù)中心; 2.攀枝花市生態(tài)環(huán)境局，四川 攀枝花 617000)

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)是大氣污染防治工作的重要舉措，可以提供大量、連續(xù)、完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)及時(shí)反映環(huán)境空氣質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化, 而且能夠預(yù)測(cè)空氣污染發(fā)展趨勢(shì)和加快應(yīng)急事件的控制過(guò)程[1]。但受地形條件、城市建筑、管控重點(diǎn)、建設(shè)成本等因素影響，目前地面空氣監(jiān)測(cè)站數(shù)量有限，難以從宏觀的角度全面反映一個(gè)地區(qū)的空氣質(zhì)量狀況，比如攀枝花市地域面積7440 km2，僅有5個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)站點(diǎn)且均建設(shè)在城市建成區(qū)范圍內(nèi)，無(wú)法覆蓋廣大的農(nóng)村、林地、自然保護(hù)區(qū)等地區(qū)。而衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)利用高空遙感大面積覆蓋的優(yōu)勢(shì)能很好的解決這一問(wèn)題，結(jié)合地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，為大氣污染防治、生態(tài)環(huán)境管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持[2]。

Sentinel-5P(哨兵5P衛(wèi)星)是歐空局于2017年10月13日發(fā)射的一顆全球大氣污染監(jiān)測(cè)衛(wèi)星。搭載了對(duì)流層觀測(cè)儀(Tropospheric Monitoring Instrument，TROPOMI)，可以有效的觀測(cè)全球各地大氣中痕量氣體組分，包括NO2、O3、SO2、 HCHO、CH4和CO等重要的與人類活動(dòng)密切相關(guān)的指標(biāo)，并加強(qiáng)了對(duì)氣溶膠和云的觀測(cè)[3]。本文嘗試?yán)蒙诒?P監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探索分析遙感監(jiān)測(cè)在攀枝花大氣污染防治工作中的應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)介紹與獲取

歐空局向社會(huì)開放TROPOMI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可以在歐空局的哨兵科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站( https: / /scihub.copernicus.eu) 免費(fèi)下載。數(shù)據(jù)分為L(zhǎng)1B(1B級(jí)別)和L2(2級(jí))兩種數(shù)據(jù)，對(duì)于大氣污染預(yù)警預(yù)報(bào)分析使用L2級(jí)的數(shù)據(jù)更為便捷。L2級(jí)數(shù)據(jù)文檔見表1[4]。

表1 “哨兵 - 5P”衛(wèi)星TROPOMI數(shù)據(jù)產(chǎn)品文檔

L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品又分為了三種數(shù)據(jù)流：近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流(near-real-time, NRTI)，衛(wèi)星成像3小時(shí)后即可獲取，數(shù)據(jù)可能不完整或存在質(zhì)量缺陷；離線數(shù)據(jù)流(Offline, OFFL)，一般成像后幾天即可獲得；再次處理數(shù)據(jù)流(Reprocessing, RPRO)，可獲得的最新的質(zhì)量最佳的版本，但數(shù)據(jù)較少。本文研究使用的是OFFL數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理方法

TROPOMI下載下來(lái)的數(shù)據(jù)是NC格式的，有兩種方法可以閱讀數(shù)據(jù)。NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局) 開發(fā)的Panoply軟件是一個(gè)跨平臺(tái)的應(yīng)用程序，繪制來(lái)自 netCDF、HDF、GRIB 和其他數(shù)據(jù)集(包括 Sentinel 5)的地理網(wǎng)格和其他陣列，可以非常方便的讀取NC文件[5]。但缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)格式無(wú)法轉(zhuǎn)換。本文利用MATLAB軟件將NC文件轉(zhuǎn)換成TIF文件后，在GIS工具中裁剪、重采樣、出圖。

3 基于TROPOMI數(shù)據(jù)分析氣體濃度分布

3.1 臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

攀枝花市2021年8月2日至8月5日臭氧監(jiān)測(cè)值連續(xù)超標(biāo)，造成攀枝花市AQI日數(shù)據(jù)超標(biāo)，地面測(cè)點(diǎn)測(cè)值分別為174、178、192、177 μg/m3，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值160 μg/m3。表2顯示了2021年7月31日至8月9日TROPOMI和地面測(cè)點(diǎn)測(cè)出的臭氧濃度值。TROPOMI數(shù)據(jù)最高值出現(xiàn)在8月3日為0.133821，當(dāng)天地面測(cè)點(diǎn)濃度為178 μg/m3, 在這10天中僅低于8月4日的192 μg/m3，兩個(gè)數(shù)據(jù)在濃度最高點(diǎn)的監(jiān)測(cè)基本一致。最低點(diǎn)出現(xiàn)在8月9日為0.11315，當(dāng)天地面濃度測(cè)試為86 μg/m3，在這10天中僅高于7月31日的84 μg/m3，在濃度最低點(diǎn)的監(jiān)測(cè)基本一致。

表2 攀枝花TROPOMI和地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)臭氧監(jiān)測(cè)值

圖1顯示了7月31日至8月9日攀枝花臭氧濃度趨勢(shì)圖，從圖中可以看出TROPOMI監(jiān)測(cè)值在8月2日達(dá)到最大，然后平緩降低，地面站監(jiān)測(cè)值8月2日達(dá)到第一個(gè)高值，在8月4日達(dá)到最大值。

圖1 7月31日至8月9日攀枝花臭氧濃度趨勢(shì)圖

圖2 顯示了7月31日至8月9日臭氧總柱分布情況，為了進(jìn)行對(duì)比，將9幅圖色帶設(shè)置相同的最高值和最低值。從9幅圖可以明顯的看出臭氧濃度的增加，濃度較高的8月2日、3日、4日、5日與地面測(cè)點(diǎn)超標(biāo)相對(duì)應(yīng)，8月6日以后濃度逐步降低，8月8日回到一般水平。從8月3日的圖來(lái)看，整個(gè)攀枝花區(qū)域以及周邊區(qū)域的濃度整體升高，可以判定臭氧的升高不是由定點(diǎn)的排放源產(chǎn)生的，是一個(gè)更大范圍的整體性的升高。

圖2 7月31日至8月8日攀枝花臭氧空間分布

3.2 CO監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2021年1月份，攀枝花市PM2.5污染物濃度 6次超標(biāo)，導(dǎo)致日均數(shù)據(jù)超標(biāo)，地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)值分別為101、81、87、76、97、102 μg/m3，超過(guò)日均標(biāo)準(zhǔn)濃度75 μg/m3。攀枝花2020年12月至2021年2月開展了計(jì)劃燒除工作，燒出產(chǎn)生大量顆粒物、CO2、CO、CH4和 NMHC等氣體。一般情況下有機(jī)物燃燒CO2占比大約63%，CO占比大約11%[6]，CO2、CO可以作為分析燒除和空氣質(zhì)量之間關(guān)系的關(guān)鍵污染物，但TROPOMI未提供顆粒物和CO2的濃度數(shù)據(jù)，只提供了CO數(shù)據(jù)。 表3顯示1月1日至1月11日TROPOMI傳感器和地面測(cè)點(diǎn)濃度值。TROPOMI傳感器最大值出現(xiàn)在1月4日、5日，濃度為0.0989 mol/m2、0.0848 mol/m2，地面測(cè)點(diǎn)CO濃度最高值出現(xiàn)在1月5日、6日，濃度為3.6 mg/m3、3.3 mg/m3，延后一天，地面測(cè)點(diǎn)PM2.5濃度4日、5日出現(xiàn)高值，1日的最高值是受2020年12月31日影響，地面測(cè)點(diǎn)PM2.5濃度與TROPOMICO最大值出現(xiàn)在相同時(shí)間。由此可知TROPOMI傳感器與地面測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，基本一致。

表3 攀枝花TROPOMI和地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO監(jiān)測(cè)值

圖3展示了6天的TROPOMI傳感器CO濃度示意圖，可以看出攀枝花CO濃度的高濃度區(qū)以主城區(qū)為主，但同時(shí)會(huì)有面上的擴(kuò)散，影響到整個(gè)市域。在表3中，1月10日CO濃度最大值最小值并非最高，但平均值卻達(dá)到最高的0.0325977，從第6幅圖來(lái)看，雖然代表最高值的紅色沒(méi)有其他圖高，但是卻擴(kuò)散至了整個(gè)市域，導(dǎo)致了平均值的攀升。

圖3 1月1日至1月10日攀枝花CO空間分布

1月8日、9日風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為了東北風(fēng)，這可能是導(dǎo)致1月10日、11日濃度降低的原因，由此可以推測(cè)1月份的污染物除攀枝花市域活動(dòng)產(chǎn)生外，很可能由西南方向傳來(lái)。

3.3 二氧化硫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由圖4可以看出，SO2濃度空間分布呈現(xiàn)隨機(jī)性(非特征性)，但這兩幅圖沒(méi)有出現(xiàn)大面積連續(xù)的高濃度現(xiàn)象，以塊狀分布為主，與主城區(qū)域重疊并不明顯，最高值為0.00314 mol/m2。

圖4 攀枝花市SO2濃度空間分布圖

4 總結(jié)

(1)Sentinel-5P衛(wèi)星TROPOMI傳感器離線數(shù)據(jù)流大氣污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)豐富，為定位大氣污染源、擴(kuò)散分析提供了很好的數(shù)據(jù)支撐，可與地面測(cè)點(diǎn)互為補(bǔ)充、對(duì)比分析，為管理決策提供新的依據(jù)。

(2)利用TROPOMI傳感器和地面測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合風(fēng)向數(shù)據(jù)，可以分析大氣污染擴(kuò)散，輔助預(yù)警、預(yù)測(cè)空氣環(huán)境質(zhì)量。對(duì)比地面監(jiān)測(cè)臭氧、一氧化碳等污染物濃度數(shù)據(jù)可靠，變化趨勢(shì)基本一致。二氧化硫濃度分布呈現(xiàn)隨機(jī)性，以塊狀分布為主。