“空气污染卫星遥感”专栏
目前，空气污染已成为世界性环境问题，是发展中国家的主要环境健康威胁之一。引起空气污染的大气成分主要包括气溶胶态污染物(AOD、PM2.5、PM10等)和气态污染物(如O3、NO2、SO2、CO、HCHO、NH3等)。然而，当前开展大范围实时定量大气污染监测仍面临严峻挑战。卫星遥感可以定量观测反演不同大气成分参数，为长时间和大尺度空气污染监测提供新的技术手段，在获取大气污染时空分布特征和了解区域传输等方面可以发挥重要作用，可为大气污染联防联控和综合治理提供重要的科学数据，并辅助制定决策方案。鉴于此，《遥感学报》组织策划“空气污染卫星遥感”专刊，汇集了8篇空气污染的最细进展论文。
主题关键词： 遥感长时序新冠疫情TROPOMI高分五号高光谱技术颗粒物沉降模型集成学习遥感监测近地面臭氧
目前，空气污染已成为世界性环境问题，是发展中国家的主要环境健康威胁之一。引起空气污染的大气成分主要包括气溶胶态污染物(AOD、PM2.5、PM10等)和气态污染物(如O3、NO2、SO2、CO、HCHO、NH3等)。然而，当前开展大范围实时定量大气污染监测仍面临严峻挑战。卫星遥感可以定量观测反演不同大气成分参数，为长时间和大尺度空气污染监测提供新的技术手段，在获取大气污染时空分布特征和了解区域传输等方面可以发挥重要作用，可为大气污染联防联控和综合治理提供重要的科学数据，并辅助制定决策方案。鉴于此，《遥感学报》组织策划“空气污染卫星遥感”专刊，汇集了8篇空气污染的最新进展论文。
- 论文汇编
- 摘要：大气无机氮沉降是全球氮循环的重要过程，对生态系统的可持续发展至关重要。监测大气氮沉降主要包括地面站点监测和大气化学传输模型模拟两种方法；但在区域尺度上两种方法获得的氮沉降通量具有较大差异。因此，急需发展新的方法以补充探讨区域尺度大气氮沉降时空分布格局。卫星遥感技术具有监测全球高时空分辨率大气含氮化合物浓度的能力，已应用于区域尺度氮沉降通量估算。本文系统回顾了监测大气NO2和NH3的主要卫星载荷及其数据特点、基于卫星监测的NO2和NH3柱浓度开展氮沉降估算的基本原理，大气硝态氮和氨态氮的气体、颗粒物和湿沉降遥感估算模型，中国大气无机氮沉降时空分布格局，并指出了当前基于卫星监测信息开展大气无机氮沉降通量估算研究中存在的不足。关键词：大气无机氮沉降;气体沉降模型;颗粒物沉降模型;湿沉降模型;卫星遥感1871|3389|1<HTML><网络PDF><Enhanced-PDF><Meta-XML>更新时间：2025-04-27
- 摘要：本文基于2010年—2020年GOSAT卫星二氧化碳柱总量产品，从全球空间分布、纬向分布、区域分布、年际与季相变化特征等方面，分析了大气CO2的时空变化特征。结果表明，2010年—2020年全球陆地区域大气CO2浓度持续上升，年均值从387.42 ppm上升至410.32 ppm，年均增长率约为2.33 ppm/a，其中2016年全球陆地区域平均大气CO2浓度首次超过400 ppm，年增长量超过3 ppm，为近10年最高。季相变化方面，北半球春季最高、夏末秋初最低，南半球波动相位相反，波动幅度北半球远高于南半球，且纬度越高波动越大。纬向分布特征明显，从南向北总体呈现先升高后降低，受到云及数据质量控制等因素影响，在赤道附近，存在较为明显的下降，峰值出现在0°—10°N和30°N—40°N。区域分布差异较大，多年均值的最大值出现在南美热带，最小值出现在北美北部，差异将近30 ppm；年均增长率方面亚洲温带最高，亚洲北部最低，分别为2.36 ppm/a和2.27 ppm/a。关键词：GOSAT;CO2浓度;全球陆地区域;时空变化特征;大气;长时序;遥感2444|2699|6<HTML><网络PDF><Enhanced-PDF><Meta-XML>更新时间：2025-04-27
- 摘要：自2013年大气污染防治行动以来，PM2.5、PM10、SO2、NO2等空气污染物浓度都有不同程度下降，但臭氧污染仍有上升趋势，臭氧污染已成为制约中国空气质量持续改善的关键问题。地基站点可以提供空间上特定点的臭氧浓度，但无法获得近地面臭氧连续的空间分布。由于臭氧大量分布于平流层，遥感卫星反演的臭氧柱浓度产品仅能反映整层臭氧柱浓度，但整层臭氧柱浓度与近地面浓度无明显相关性，因而无法体现近地面臭氧浓度。本文综合地基监测数据、再分析资料、卫星产品，采用不同的模型方法，得到近地面臭氧浓度的时空分布，结果表明集成学习方法可以准确估算近地面臭氧在空间上的分布状况和在时间上的变化趋势。本文对比了梯度提升回归树（GBRT）、极端随机树（ERT）、极端梯度提升器（XGBoost）3种不同的集成学习方法在近地面臭氧污染估算的效果表现，3种集成学习方法在2019年—2020两年的十折交叉验证R2都在0.89以上，极端梯度提升器（XGBoost）方法在RMSE、MAE指标上有最好的表现，2019年—2020年两年的平均RMSE、MAE分别为15.77 μg/m3、10.53 μg/m3，但基于极端随机树（ERT）方法获得的近地面臭氧空间分布更加连续自然。因此最终选择极端随机树（ERT）方法估算得到中国近地面臭氧浓度数据集，并在此基础上进行时空分析。由于中国政府实施积极的减排措施的及疫情影响，臭氧浓度多年来的上升趋势得到了逆转，2020年臭氧年均值为107.41±18.6 μg/m3，较去年平均值109.26±19.71 μg/m3，有所减少。时间上，每年的5—9月气温较高，光化学反应剧烈，因而臭氧高污染事件频繁发生。空间上，京津冀地区、长三角地区、珠三角地区、成渝地区等城市群显著高于周围其他区域，是臭氧污染防治的重点区域。关键词：遥感;近地面臭氧;集成学习;极端随机树;梯度回归提升树;极端梯度提升器;TROPOMI;新冠疫情2012|3625|3<HTML><网络PDF><Enhanced-PDF><Meta-XML>更新时间：2025-04-27
- 摘要：中国“高分五号”（GF-5）卫星上搭载的痕量气体差分吸收光谱仪（EMI）是第一台设计用于大气痕量气体的探测的高光谱载荷。本文首次基于EMI NO2观测结果分析全球NO2污染典型区域在新冠疫情期间的NO2浓度变化情况。结果表明EMI载荷捕捉到了2020年1—3月，中国东部（-13.6%）、欧洲（-10.2%）、伊朗（-7.9%）和韩国（-13%）等大部分地区NO2柱浓度区域均值的明显下降趋势。不论是同年封锁前后的比较，还是2020年封锁期间与2019年同期的比较，都能够看到EMI NO2柱浓度明显的下降。NO2柱浓度下降的主要原因是疫情期间采取的限制性措施导致的交通和工业活动排放大幅减少。EMI NO2观测结果与国际同类成熟载荷OMI和TROPOMI观测结果的相关性大于0.97，在区域和城市尺度上EMI与OMI和TROPOMI的平均相对差异分别小于13%和9%。本研究结果体现了EMI在全球NO2污染变化监测的能力和实际应用价值，为中国后续痕量气体探测载荷的研制和应用提供参考。关键词：遥感;高分五号;EMI;OMI;TROPOMI;NO2反演;新冠疫情;NO2减排1158|2286|0<HTML><网络PDF><Enhanced-PDF><Meta-XML>更新时间：2025-04-27
- 摘要：2021年3月中旬，中国北部地区遭遇了近十年来最强的一次沙尘天气。本文利用多源卫星和PM10浓度数据对此次沙尘天气过程进行了水平、垂直方向动态监测，并通过HYSPLIT模式前向、后向轨迹的聚类分析了沙尘的来源及传输路径，结果表明：（1）2021年3月14日至18日，中国20个省市和渤黄海近岸海域均受到沙尘影响，其中西北、华北、东北地区部分省市出现沙尘暴，华中、华东部分省市和渤黄海近岸海域受轻度沙尘天气影响。（2）14日至15日的沙尘主要源自蒙古国中部，16日至18日的沙尘则更多来自中国内蒙古中西部和新疆维吾尔自治区中部。沙尘传输路径可以分为西北路、北路、西路3支。（3）沙尘的输送高度主要为对流层低层1—3 km与对流层中高层3—10 km，高于“三北防护林”等生态环境工程的风沙拦截高度。多源卫星产品和数值模式相结合，为中国沙尘天气的预报预警以及沙尘污染的区域联防联控提供了科学参考。关键词：沙尘天气过程;FY-4A;遥感监测;沙源地;传输路径2796|2279|5<HTML><网络PDF><Enhanced-PDF><Meta-XML>更新时间：2025-04-27
- 摘要：PM2.5作为空气污染物，对人体健康构成了潜在威胁。中国和印度是全球人口最多的两个发展中国家，PM2.5污染造成的疾病负担问题尤为严重。因此，本文基于长时间序列高分辨率（0.01°×0.01°）卫星反演的PM2.5浓度数据，分析了中国和印度19年（2000年—2018年）的PM2.5时空格局变化和人口暴露情况；基于综合暴露响应模型全面评估了两个国家因PM2.5长期暴露导致的6种疾病（急性下呼吸道感染、慢性阻塞性肺病、二型糖尿病、缺血性心脏病、肺癌和中风）的过早死亡人数。结果表明，中国PM2.5浓度的高值区集中在新疆、四川盆地、华北平原以及长江经济带等地区，年人口加权浓度总体呈减少趋势（2000年为50 μg∙m-3，2018年为40.8 μg∙m-3）；印度PM2.5浓度的高值区集中在北部地区，年人口加权浓度一直呈上升趋势（2000年为51.5 μg∙m-3，2018年为76.4 μg∙m-3）。对于中国而言，PM2.5暴露造成的过早死亡人数从2000年的90.8万人增长至2018年的137.8万人，增长了47万人；中风是导致过早死亡的主要疾病终端，占总死亡人数的45.9%（56.3万人）。印度PM2.5暴露造成的过早死亡人数从2000年的34.3万人增长至2018年的75万人，增长了40.7万人；缺血性心脏病和中风是导致过早死亡的主要疾病终端，分别占比39.9%（20.2万人）和25.5%（12.9万人）。研究结果有望为决策者和污染控制机构提供参考，有助于制定空气污染治理政策。关键词：遥感;PM2.5;疾病负担;过早死亡;中国;印度;长时序2074|3075|0<HTML><网络PDF><Enhanced-PDF><Meta-XML>更新时间：2025-04-27
- 摘要：甲醛（HCHO）作为一种重要的大气污染物，不仅会影响区域大气环境质量，还会对人体健康造成危害。然而，目前HCHO的监测手段依然以地面监测为主，缺乏垂直观测阻碍了人们对HCHO垂直演化和高空大气化学过程的深入认识。本文基于搭设于广州地球化学研究所高光谱设备的观测数据，通过最优估计反演算法获得了2020年12月至2021年11月期间的HCHO垂直廓线。研究发现，广州市HCHO浓度在垂直方向呈现出边界层底层（6.61 ppb）>边界层中层（4.76 ppb）>边界层顶层（3.00 ppb）；在时间上表现为夏季（8.58 ppb）>春季（8.50 ppb）>秋季（8.05 ppb）>冬季（5.43 ppb）；不同季节的HCHO垂直日变化特征相似，最高浓度均出现在200 m且呈现出“双峰”变化模式，第一个峰值出现在08：00—10：00，第二个峰值出现在14：00左右。此外，基于遥感数据建立多元线性回归模型实现了对观测期间HCHO背景浓度、一次和二次来源浓度的剥离。研究发现，整个观测期间HCHO二次源浓度（约占64.10%）>背景浓度（约占20.20%）>一次源浓度（约占15.70%）；此外，受VOCs排放浓度与光化学反应强度的影响，夏季二次HCHO浓度占比明显高于冬季。通过对HCHO周末与工作日的垂直日变化特征进行分析，得出广州周末HCHO排放水平并没有表现出明显的下降。本研究可加强对HCHO时空分布特征的深入认识，为污染防控措施的制定提供数据支持。关键词：遥感;高光谱技术;甲醛;垂直分布;季节变化;二次源;周末效应;广州市918|2136|0<HTML><网络PDF><Enhanced-PDF><Meta-XML>更新时间：2025-04-27
- 摘要：地表UV-B辐照度会对地球生态系统产生非常重要的影响。利用卫星遥感探测，可实现全球地表UV-B辐照度的长期探测，对于生态系统评估和大气科学研究等具有重要意义。目前基于国产卫星的地表UV-B辐照度产品较少，因此本文开展了高分五号卫星大气痕量气体差分吸收光谱仪（EMI）的地表UV-B辐照度的初步反演。首先基于地表UV-B辐照度的敏感性分析结果，建立无气溶胶情况下晴空地表UV-B辐照度查找表。随后提出了云、气溶胶场景下的校正方法，实现了全球地表UV-B辐照度的反演。最后，为验证该算法的准确性，将EMI结果分别与欧洲OMI卫星数据、WOUDC地面站点数据进行了对比，其中与OMI数据的相关系数大于0.9，与WOUDC地面站点数据的相关系数达到0.91。研究结果表明EMI载荷的地表UV-B辐照度产品准确性高，为后续地表UV-B辐照度等相关产品的发布提供研究基础，也证明了该载荷在全球地表紫外辐射时空分布监测应用中的能力。关键词：遥感;痕量气体差分吸收光谱仪;地表UV-B辐照度;SCIATRAN模型;查找表1187|1658|0<HTML><网络PDF><Enhanced-PDF><Meta-XML>更新时间：2025-04-27
