中国环境科学 2009,29(10)：1016~1020 China Environmental Science
华北地区秸秆禁烧前后的NO2卫星遥感监测分析
陶金花1,2,王子峰2,韩 冬2,李莘莘2,苏 林2,陈良富2* (1.中国科学院大气物理研究所,大气边界层物理与大气化学国家重点实验室,北京 100029；2.中国科学院遥感应用研究所,遥感科学国家重点实验室,北京 100101)
摘要：为保证奥运会期间的空气质量,2008年5~9月在华北平原地区采取了秸秆禁烧措施.采取遥感监测手段,利用MODIS数据的中红外和热红外通道数据监测禁烧前后的2年(2007、2008)同一时期禁烧区域的秸秆焚烧点分布情况,并利用OMI数据计算出该区域相应时期的对流层NO2垂直柱浓度总量变化情况.通过禁烧前后的数据统计分析, 6、7月秸秆焚烧点由2007年的每天近250个减少到2008年的每天约40个,秸秆禁烧对对流层NO2柱浓度的降低起到一定的作用,但不明显.分析了利用遥感监测秸秆焚烧点和NO2浓度的不确定性.
关键词：NO2；秸秆焚烧；卫星遥感；中国华北
中图分类号：X87 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2009)10-1016-05
Analysis of crop residue burning and tropospheric NO2 vertical column density retrieved from satellite remote sensing in North China. TAO Jin-hua1,2, WANG Zi-feng2, HAN Dong2, LI Shen-shen2, SU Lin2, CHEN Liang-fu2* (1.State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China；2.State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Institute of Remote Sensing Applications, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China). China Environmental Science, 2009,29(10)：1016~1020
Abstract：To insure air quality during the Beijing Olympic Games, open field burning of crop residues was banned in North China from May to September in 2008. The impact of this effort was estimated through the detection of the crop residue burning from MODIS data and measurement of NO2 vertical column density retrieved from OMI data. The middle and thermal infrared channels of MODIS data were used to monitor the crop residue burning from June to August in 2007 and 2008. The number of crop residue burning pixels obviously decreased from about 250d in 2007 to less than 40d in 2008 in June and July, but there was a little increase in August. Meanwhile, the monthly averaged tropospheric NO2 vertical column density retrieved from OMI data from June to August in 2007 and 2008 were used to study the difference of the variation of NO2 in these two years, and the results indicated that NO2 concentration had been reduced due to the ban of crop residue burning to some extent, but the impact of this effort was limited. Key words：NO2；crop residue burning；satellite remote sensing；North China
近年来,每年都有大量秸秆被当作废弃物焚烧,给生态环境、大气质量、交通安全和火灾防护造成威胁和影响[1].2007年5月~6月,华北粮食主产区大规模秸秆焚烧,使得北京等周边城市的空气质量明显下降[2].2008年5~9月,为保障北京等奥运城市的空气质量,将北京、天津、河北、河南、山东、山西、安徽、江苏、辽宁等九省市作为重点禁烧区域.
利用遥感技术,可在大尺度内快速获取地面信息,对焚烧火点的位置和焚烧烟尘的分布等进
行准实时监测[35].为评价2008年重点禁烧区域的秸秆禁烧效果,及相应NO2的污染变化情况,利用卫星遥感监测了2008年6~8月期间上述九省市的禁烧状况,以及对流层NO2柱浓度区域分布状况.卫星遥感监测焚烧火点,是在获得地表热异常点的基础上,再利用土地分类数据确定火点类型,
-
收稿日期：2009-03-06
基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目(kzcx1-yw-06-01);国家“863”项目(2006AA06A303) * 责任作者, 研究员, [email protected]
10期
陶金花等：华北地区秸秆禁烧前后的NO2卫星遥感监测分析 1017
监测获得秸秆焚烧信息.本研究利用美国航天航空局(NASA)/Aura卫星上的臭氧探测仪(OMI)数据监测秸秆焚烧地区的对流层NO2柱浓度,评价秸秆禁烧情况以及相应的NO2浓度状况,并在此基础上分析秸秆禁烧对NO2柱浓度的影响. 1 研究方法
生物燃烧的火点温度通常在500~1200K[6],按照维恩位移定律,这一温度范围的黑体辐射能量集中在2.5~5.7μm.由于卫星观测像元空间尺度较大,实际的秸秆焚烧往往不能充满整个像元,观测的燃烧火焰辐射峰值一般分布在4~5μm的中红外区域[7],这种温度异常点和常温背景(300K)在辐射峰值区具有明显差异.秸秆焚烧点温度异常像元与常温背景像元在中红外和热红外波段辐射能量的差异是卫星遥感监测秸秆焚烧火点异常的基础.美国上午星(Terra),下午星(Aqua)上都搭载了中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感器,其有36个波段,包括中红外和热红外探测波段,以及相应用于监测非高温异常引起的虚假火点等探测波段,用于秸秆焚烧监测的MODIS通道中心波长和用途见表1.
表1 地表温度异常探测算法所需的MODIS通道及用途 Table 1 Bands of MODIS used for monitoring the anomaly
of land surface temperature and their usages
通道 中心波序号 长(nm)
用 途
温度异常像元主要利用像元在中心波长为4μm和11μm 2个通道亮度温度值来判断.即4μm处的通道亮度温度T(4μm)要大于设定的被认定为潜在火点的亮度温度值PT(4μm),且4μm和11μm波长处通道亮度温度差值也要同时大于这2个探测通道潜在火点的亮度温度差阈值.背景像元平均温度值的获取依赖于所选统计的背景窗口,对于空间分辨率为1~2km的数据,Giglio
-等[78]建议窗口的变化范围为(3×3)~(21×21)个像元面积.MODIS标准火点产品MOD14则采用大小固定为5×5的窗口,本研究针对不同地区开展了不同空间尺度的统计试验.在温度异常去伪方面主要考虑了太阳耀斑的影响;为了将秸秆焚烧点和其他火点进行区分,基于土地覆盖类型数据,将监测出的火点分成秸秆焚烧、林火和草原火3种类型,其中秸秆焚烧数据是本研究关注的对象.比较详细的秸秆焚烧卫星遥感监测算法参考文献[7].
目前利用卫星遥感监测对流层NO2柱浓度主要利用差分吸收光谱算法[9],该算法主要利用425~450nm之间窗口通道的探测量,反演获得太阳辐射以及被地面反射到卫星传感器的整个光路的NO2斜柱浓度.基于SCIATRAN软件获得的大气质量因子将NO2斜柱质量浓度转为垂直柱浓度,最后减去利用大气化学模式或其他方式获得平流层NO2浓度,就获得了对流层NO2柱浓度.NO2柱浓度详细反演算法参考文献[10].
2 监测结果
2.1 秸秆焚烧监测结果
根据试验调整后的算法背景窗口和关键阈点去除;云标识
太阳耀斑、水体边缘引起的虚假火点去除 B7 2100 值[6]对MODIS 1B数据进行处理,就可得到秸秆
B21 3970 高响应范围;用于火点探测与火点特性反演
焚烧区域火点监测结果.图1是2007年6月12
低响应范围;用于火点探测与火点特性反演 B22 3970
日利用MODIS数据合成的真彩色图上叠加了秸B31 11000 火点探测与云标识
云标识 B32 12000 秆焚烧点(红点)监测结果图.从图1中可以清晰
地看出云覆盖情况,火点位置及所在行政区的分秸秆焚烧火点的卫星遥感监测算法包括:温布情况.携带MODIS载荷的卫星在华北地区每度异常像元的确定;背景像元平均温度的获取;非天上午和下午各过境1次.因此基于MODIS数据,高温引起的温度异常像元去伪和温度异常像元在监测区域无云情况下,每天上午和下午可以分中秸秆焚烧点的确定. 别获得1幅秸秆焚烧点监测结果,但在云覆盖区
高反射地表、太阳耀斑、水体边缘引起的虚假火B2 860
B1 650 太阳耀斑、水体边缘引起的虚假火点去除;云标识
1018 中 国 环 境 科 学 29卷
域无法获得监测结果.
按上述方法对2007年和2008年6~8月的有效MODIS数据进行处理,得到每日秸秆焚烧点分布信息.再按月分别进行秸秆焚烧点累计,得到每月禁烧区实际发生的焚烧情况.图2是2007年和2008年6~8月按月累计的秸秆焚烧点分布情况,图3是按月统计的秸秆焚烧点的日均值.
由图2和图3可见,在华北平原麦收季节(每年6~7月),2008年实施秸秆禁烧后的秸秆焚烧点数,和2007年同期相比有明显的下降.但2008年8月份统计区的秸秆焚烧点数较2007年8月反而有微弱上升.
图1 2007年6月12日利用MODIS数据获得的
秸秆焚烧点分布
Fig.1 Distribution of fire pixels retrieved from
MODIS data on 12th June 2007
A1:2007年6月(9d) A2:2007年7月(12d) A3:2007年8月(31d) B1:2008年6月(17d) B2:2008年7月(25d) B3:2008年8月(20d) 图2 2007年和2008年6~8各月秸秆焚烧点累计分布
Fig.2 Distribution of the total burning pixels in June, July and August of 2007 and 2008 respectively
括号内为参与累计的天数
图3 2007年和2008年6~8月按月统计的秸秆焚烧点
的日平均值对比
Fig.3 Comparison of the number of daily averaged crop residue burning pixels in June, July and August between 2007 and 2008
2.2 NO2柱浓度
NO2数据来自荷兰皇家气象学院(KNMI)的基于OMI数据反演得到的对流层NO2柱总量月均值,OMI数据反演得到的星下点像元分辨率为(13.5×24)km2.具体取样统计的华北附近区域范围为30°N~41°N,115°E~120.5°E,对该范围内2007年和2008年6~8月的对流层NO2平均垂直柱总量月均值变化进行统计,用2007年的NO2平均垂直柱总量月均值减去2008年的NO2平均垂直柱总量月均值,得到2007年和2008年NO2的柱总量月均值变化分布(图4),2007年和2008年6~8月的NO2垂直柱密度总量月均值(图5).
10期
32°0′ 34°0′ 36°0′ 38°0′ 40°0′
陶金花等：华北地区秸秆禁烧前后的NO2卫星遥感监测分析 1019
110°0′1 12°0′1 14°0′1 16 °0′1 18°0′1 20°0′1 22°0′
1000500 0 -500-1000
纬度
由图4和图5可见,2008年实施秸秆禁烧后,
和2007年同时期相比,2008年6~8月对流层NO2垂直柱总量月均值稍有降低,但不显著. 3 讨论
利用遥感手段可以长期有效地监测大面积
110°0′1 12°0′1 14°0′1 16 °0′1 18°0′1 20°0′1 22°0′ 的火点分布情况,遥感具有的“大面积”和“区
1000域连续分布”特点是其他监测手段不具备的,但
也存在一定的不确定性. 500
遥感数据受卫星过境时间的限制,遥感数据0
为瞬时数据.本研究采用的MODIS数据搭载在
-500
Terra、Aqua平台上重访时间为1d,通过遥感数据
-1000 反演的火点只代表Terra和Aqua过境某一时刻覆盖区域的火点分布情况,不能代表1d中所有火点的分布情况;当监测区域被云覆盖时,云下可能
有火点发生,但红外遥感监测不到.所以,本研究
尽量选取晴天少云数据进行秸秆焚烧点反演.
另外,在NO2柱浓度卫星遥感反演算法方面,对流层NO2柱浓度反演结果严重依赖于图像各- 像元中云所占的百分比.一些文献[1113]中提到,即
图4 2007年和2008年6~8月对流层NO2柱总量月均使很少量(5%~20%)的云都可能使反演结果降低
值变化分布
40%.也有学者认为,由于污染和云导致OMI的
Fig.4 Difference of monthly averaged tropospheric NO2
NO2反演结果存在20%~50%的垂直柱浓度误
vertical column density between 2007 and 2008 in North
差[14].与此相反的说法指出[15],由于云反射的影
China for four months from June to Auguest
响,低云和雾也能提高探测传感器对痕量气体探A1 6月;A2 7月;A3 8月
NO2柱总量单位为molecules/cm2;遥感数据源:Aura卫星OMI数据 测的灵敏度,当一定量的NO2位于低云之上或之
中的时候,云也能使NO2柱浓度的反演结果增大.
75
本研究中NO2反演是针对云量少于10％的像元
70
进行反演,但在云量判断方面存在一定程度的误65 60 差,会影响监测结果. 55
由于NOx寿命较短,其主要效应将表现为局50
45 地性或区域性[16].说明利用遥感手段获得的瞬时40
NO2柱浓度来自于目标区域附近,该NO2柱浓度
35
可以近似代表目标区域的NO2柱浓度.另外NOx30
6月 7月 8月
的寿命受温度等因素影响变化较大,从而使得
监测时间
NOx监测存在不确定性. 图5 2007年和2008年6~8月对流层NO2垂直柱总量
本研究采用的OMI数据和下午星MODIS月均值对比
Fig.5 Comparison of monthly averaged tropospheric NO2 的过境时间都在14:00左右,可以近似认为秸秆
焚烧火点监测和NO2柱浓度监测是同一时刻的. vertical column density in the period from June to
Auguest between 2007 and 2008 在本研究区域,2008年6~7月每天平均获得
纬度 纬度 32°0′ 34°0′ 36°0′ 38°0′ 40°0′
垂直柱密度总量(×1014 molecules/cm2)
1020 中 国 环 境 科 学 29卷
了40个左右的秸秆焚烧点,远远少于2007年近参考文献：
250个点的平均值,说明这2个月禁烧令的实施[1] 徐玉宏.我国秸秆焚烧污染与防治对策 [J]. 环境与可持续发
展, 2007,(3):21-24. 是较有效的.而2008年8月份的秸秆焚烧点反而
[2] 北京市环保局,2007年6月空气质量日报, [EB/OL]. 2007-06-19.
比2007年有少量增加.出现这种情况可能是由于
http://www.bjepb.gov.cn/bjhb/publish/porta10/tab377/info9519.htm.
遥感监测的不确定性或数据统计的时间差,2008[3] 何立明,王文杰,王 桥,等.中国秸秆焚烧的遥感监测与分析 年8月仅有20d数据参与统计,而2007年8月有[J]. 中国环境监测, 2007,23(1):42-50.
[4] 邹春辉,赵学斌,刘忠阳,等.卫星遥感技术在秸秆焚烧监测业务31d.
中的应用 [J]. 应用气象, 2005,(3):24-26. 利用和秸秆焚烧监测相近时间过境的卫星
[5] 方 萌,张 鹏,徐 喆.“3S”技术在农作物秸秆焚烧监测中的
获得的NO2柱浓度结果,获得2年间6~8月NO2
应用 [J]. 国土资源遥感, 2006,(3):1-5.
柱浓度的变化量.结果表明6月在秸秆焚烧点下[6] Justice C O, Giglio L, Boschetti L, et al. Algorithm technical 降比较多的江苏和河南,NO2柱浓度也相对减background document MODIS fire products (Version 2.3, 1 Oct.
2006) [R]. Maryland: MODIS Science Team, 2006. 少.7月华北平原大部分地区的秸秆焚烧禁烧点
都有明显减少,相应的在NO2柱浓度变化量方面[7] Giglio L, Descloitres J, Justice C O, et al. An enhanced contextual
fire detection algorithm for MODIS (2003) [J]. Remote Sensing
出现大范围的减小态势;从8月焚烧点的分布情
of Environment, 2003,87:273-282.
况来看,山东和江苏的秸秆焚烧点有少量增加,但
[8] Giglio L, Kendall J D, Mack R, et al. A multi-year active fire data
NO2柱浓度呈部分地区减少,部分地区增加.应该set for the tropics derived from the TRMM VIRS [J]. Int. J. 说NO2柱浓度的变化不全来源于秸秆焚烧点的Remote Sens., 2003,24(22):4505-4525.
变化,除了秸秆生物质燃烧外,工厂排放也是NO2[9] Platt U, Perner D, Paetz H. Simultaneous measurement of
atmospheric CH2 O, O3 and NO2 by differential optical absorption
的主要来源.2008年秸秆禁烧期间对北京周边地
[J]. J. Geophys. Res., 1979,84(10):6329-6335.
区污染排放严重的企业也实施了减产或停产措
[10] Burrows J P, Weber M, Buchwitz W, et al. The global ozone
施,这些排放源的变化对NO2柱浓度均有影响,monitoring experiment (GOME): Mission concept and first 其次天气因素直接影响污染物的扩散状况.本研scientific results [J].J. Atmos. Sci., 1999,56:151-175.
究利用NO2月平均浓度的变化量,目的就是尽量[11] Velders G J M, Granier C, Portmann R W, et al. Global
tropospheric NO2 column distributions: Comparing 3-D model
消除天气因素、未进行减产和停产的工厂等固定
calculations with GOME measurements [J]. J. Geophys. Res.,
点排放源等因素带来的影响.综合来看,在2008
2001,106:12643-12660.
年6~7月北京周边地区很多工厂未实行减产或[12] Richter A, Burrows J P. Retrieval of tropospheric NO2 from 停产的期间,秸秆焚烧点大量的下降是NO2柱浓GOME measurements [J]. Adv. Space Res., 2002,29(11):
1673-1683. 度变小的主要原因.而正在奥林匹克运动会期间
的8月,应该说北京周边该控制的排放源基本实[13] Martin R V, Chance K, Jacob D J, et al. An improved retrieval of
tropospheric nitrogen dioxide from GOME [J]. J. Geophys. Res.,
施到位,工厂减排是降低NO2柱浓度的重要因素,
2002,107(D20):4437.
而秸杆禁烧对NO2柱浓度的降低影响不大. [14] Chance K. OMI algorithm theoretical basis document (Volume 4 结语
2008年国家实施的秸秆禁烧措施对秸秆焚烧的控制取得了明显的效果,这一生物质焚烧源的控制也相应减少了相关地区的大气NO2浓度.卫星遥感技术的瞬时大面积并具有周期性重复获取信息的特点,可以在区域尺度上为环境空气质量监测服务,是大气传统监测手段的一个补充.
IV):OMI trace gas algorithms [R]. ATBD-OMI-02, Version 2.0, 2002.
[15] Savage N H, Law K S, Pyle J A, et al. Using GOME NO2 satellite
data to examine regional differences in TOMCAT model performance [J]. Atmos. Chem. Phys., 2004,4(7):1895-1912. [16] 唐孝炎,张远航,邵 敏.大气环境化学 [M]. 北京:高等教育出
版社, 2006.
作者简介：陶金花(1978-),女,黑龙江大庆人,博士后,主要从事大气
遥感及空气质量模式研究.发表论文10余篇.
中国环境科学 2009,29(10)：1016~1020 China Environmental Science
华北地区秸秆禁烧前后的NO2卫星遥感监测分析
陶金花1,2,王子峰2,韩 冬2,李莘莘2,苏 林2,陈良富2* (1.中国科学院大气物理研究所,大气边界层物理与大气化学国家重点实验室,北京 100029；2.中国科学院遥感应用研究所,遥感科学国家重点实验室,北京 100101)
摘要：为保证奥运会期间的空气质量,2008年5~9月在华北平原地区采取了秸秆禁烧措施.采取遥感监测手段,利用MODIS数据的中红外和热红外通道数据监测禁烧前后的2年(2007、2008)同一时期禁烧区域的秸秆焚烧点分布情况,并利用OMI数据计算出该区域相应时期的对流层NO2垂直柱浓度总量变化情况.通过禁烧前后的数据统计分析, 6、7月秸秆焚烧点由2007年的每天近250个减少到2008年的每天约40个,秸秆禁烧对对流层NO2柱浓度的降低起到一定的作用,但不明显.分析了利用遥感监测秸秆焚烧点和NO2浓度的不确定性.
关键词：NO2；秸秆焚烧；卫星遥感；中国华北
中图分类号：X87 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2009)10-1016-05
Analysis of crop residue burning and tropospheric NO2 vertical column density retrieved from satellite remote sensing in North China. TAO Jin-hua1,2, WANG Zi-feng2, HAN Dong2, LI Shen-shen2, SU Lin2, CHEN Liang-fu2* (1.State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China；2.State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Institute of Remote Sensing Applications, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China). China Environmental Science, 2009,29(10)：1016~1020
Abstract：To insure air quality during the Beijing Olympic Games, open field burning of crop residues was banned in North China from May to September in 2008. The impact of this effort was estimated through the detection of the crop residue burning from MODIS data and measurement of NO2 vertical column density retrieved from OMI data. The middle and thermal infrared channels of MODIS data were used to monitor the crop residue burning from June to August in 2007 and 2008. The number of crop residue burning pixels obviously decreased from about 250d in 2007 to less than 40d in 2008 in June and July, but there was a little increase in August. Meanwhile, the monthly averaged tropospheric NO2 vertical column density retrieved from OMI data from June to August in 2007 and 2008 were used to study the difference of the variation of NO2 in these two years, and the results indicated that NO2 concentration had been reduced due to the ban of crop residue burning to some extent, but the impact of this effort was limited. Key words：NO2；crop residue burning；satellite remote sensing；North China
近年来,每年都有大量秸秆被当作废弃物焚烧,给生态环境、大气质量、交通安全和火灾防护造成威胁和影响[1].2007年5月~6月,华北粮食主产区大规模秸秆焚烧,使得北京等周边城市的空气质量明显下降[2].2008年5~9月,为保障北京等奥运城市的空气质量,将北京、天津、河北、河南、山东、山西、安徽、江苏、辽宁等九省市作为重点禁烧区域.
利用遥感技术,可在大尺度内快速获取地面信息,对焚烧火点的位置和焚烧烟尘的分布等进
行准实时监测[35].为评价2008年重点禁烧区域的秸秆禁烧效果,及相应NO2的污染变化情况,利用卫星遥感监测了2008年6~8月期间上述九省市的禁烧状况,以及对流层NO2柱浓度区域分布状况.卫星遥感监测焚烧火点,是在获得地表热异常点的基础上,再利用土地分类数据确定火点类型,
-
收稿日期：2009-03-06
基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目(kzcx1-yw-06-01);国家“863”项目(2006AA06A303) * 责任作者, 研究员, [email protected]
10期
陶金花等：华北地区秸秆禁烧前后的NO2卫星遥感监测分析 1017
监测获得秸秆焚烧信息.本研究利用美国航天航空局(NASA)/Aura卫星上的臭氧探测仪(OMI)数据监测秸秆焚烧地区的对流层NO2柱浓度,评价秸秆禁烧情况以及相应的NO2浓度状况,并在此基础上分析秸秆禁烧对NO2柱浓度的影响. 1 研究方法
生物燃烧的火点温度通常在500~1200K[6],按照维恩位移定律,这一温度范围的黑体辐射能量集中在2.5~5.7μm.由于卫星观测像元空间尺度较大,实际的秸秆焚烧往往不能充满整个像元,观测的燃烧火焰辐射峰值一般分布在4~5μm的中红外区域[7],这种温度异常点和常温背景(300K)在辐射峰值区具有明显差异.秸秆焚烧点温度异常像元与常温背景像元在中红外和热红外波段辐射能量的差异是卫星遥感监测秸秆焚烧火点异常的基础.美国上午星(Terra),下午星(Aqua)上都搭载了中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感器,其有36个波段,包括中红外和热红外探测波段,以及相应用于监测非高温异常引起的虚假火点等探测波段,用于秸秆焚烧监测的MODIS通道中心波长和用途见表1.
表1 地表温度异常探测算法所需的MODIS通道及用途 Table 1 Bands of MODIS used for monitoring the anomaly
of land surface temperature and their usages
通道 中心波序号 长(nm)
用 途
温度异常像元主要利用像元在中心波长为4μm和11μm 2个通道亮度温度值来判断.即4μm处的通道亮度温度T(4μm)要大于设定的被认定为潜在火点的亮度温度值PT(4μm),且4μm和11μm波长处通道亮度温度差值也要同时大于这2个探测通道潜在火点的亮度温度差阈值.背景像元平均温度值的获取依赖于所选统计的背景窗口,对于空间分辨率为1~2km的数据,Giglio
-等[78]建议窗口的变化范围为(3×3)~(21×21)个像元面积.MODIS标准火点产品MOD14则采用大小固定为5×5的窗口,本研究针对不同地区开展了不同空间尺度的统计试验.在温度异常去伪方面主要考虑了太阳耀斑的影响;为了将秸秆焚烧点和其他火点进行区分,基于土地覆盖类型数据,将监测出的火点分成秸秆焚烧、林火和草原火3种类型,其中秸秆焚烧数据是本研究关注的对象.比较详细的秸秆焚烧卫星遥感监测算法参考文献[7].
目前利用卫星遥感监测对流层NO2柱浓度主要利用差分吸收光谱算法[9],该算法主要利用425~450nm之间窗口通道的探测量,反演获得太阳辐射以及被地面反射到卫星传感器的整个光路的NO2斜柱浓度.基于SCIATRAN软件获得的大气质量因子将NO2斜柱质量浓度转为垂直柱浓度,最后减去利用大气化学模式或其他方式获得平流层NO2浓度,就获得了对流层NO2柱浓度.NO2柱浓度详细反演算法参考文献[10].
2 监测结果
2.1 秸秆焚烧监测结果
根据试验调整后的算法背景窗口和关键阈点去除;云标识
太阳耀斑、水体边缘引起的虚假火点去除 B7 2100 值[6]对MODIS 1B数据进行处理,就可得到秸秆
B21 3970 高响应范围;用于火点探测与火点特性反演
焚烧区域火点监测结果.图1是2007年6月12
低响应范围;用于火点探测与火点特性反演 B22 3970
日利用MODIS数据合成的真彩色图上叠加了秸B31 11000 火点探测与云标识
云标识 B32 12000 秆焚烧点(红点)监测结果图.从图1中可以清晰
地看出云覆盖情况,火点位置及所在行政区的分秸秆焚烧火点的卫星遥感监测算法包括:温布情况.携带MODIS载荷的卫星在华北地区每度异常像元的确定;背景像元平均温度的获取;非天上午和下午各过境1次.因此基于MODIS数据,高温引起的温度异常像元去伪和温度异常像元在监测区域无云情况下,每天上午和下午可以分中秸秆焚烧点的确定. 别获得1幅秸秆焚烧点监测结果,但在云覆盖区
高反射地表、太阳耀斑、水体边缘引起的虚假火B2 860
B1 650 太阳耀斑、水体边缘引起的虚假火点去除;云标识
1018 中 国 环 境 科 学 29卷
域无法获得监测结果.
按上述方法对2007年和2008年6~8月的有效MODIS数据进行处理,得到每日秸秆焚烧点分布信息.再按月分别进行秸秆焚烧点累计,得到每月禁烧区实际发生的焚烧情况.图2是2007年和2008年6~8月按月累计的秸秆焚烧点分布情况,图3是按月统计的秸秆焚烧点的日均值.
由图2和图3可见,在华北平原麦收季节(每年6~7月),2008年实施秸秆禁烧后的秸秆焚烧点数,和2007年同期相比有明显的下降.但2008年8月份统计区的秸秆焚烧点数较2007年8月反而有微弱上升.
图1 2007年6月12日利用MODIS数据获得的
秸秆焚烧点分布
Fig.1 Distribution of fire pixels retrieved from
MODIS data on 12th June 2007
A1:2007年6月(9d) A2:2007年7月(12d) A3:2007年8月(31d) B1:2008年6月(17d) B2:2008年7月(25d) B3:2008年8月(20d) 图2 2007年和2008年6~8各月秸秆焚烧点累计分布
Fig.2 Distribution of the total burning pixels in June, July and August of 2007 and 2008 respectively
括号内为参与累计的天数
图3 2007年和2008年6~8月按月统计的秸秆焚烧点
的日平均值对比
Fig.3 Comparison of the number of daily averaged crop residue burning pixels in June, July and August between 2007 and 2008
2.2 NO2柱浓度
NO2数据来自荷兰皇家气象学院(KNMI)的基于OMI数据反演得到的对流层NO2柱总量月均值,OMI数据反演得到的星下点像元分辨率为(13.5×24)km2.具体取样统计的华北附近区域范围为30°N~41°N,115°E~120.5°E,对该范围内2007年和2008年6~8月的对流层NO2平均垂直柱总量月均值变化进行统计,用2007年的NO2平均垂直柱总量月均值减去2008年的NO2平均垂直柱总量月均值,得到2007年和2008年NO2的柱总量月均值变化分布(图4),2007年和2008年6~8月的NO2垂直柱密度总量月均值(图5).
10期
32°0′ 34°0′ 36°0′ 38°0′ 40°0′
陶金花等：华北地区秸秆禁烧前后的NO2卫星遥感监测分析 1019
110°0′1 12°0′1 14°0′1 16 °0′1 18°0′1 20°0′1 22°0′
1000500 0 -500-1000
纬度
由图4和图5可见,2008年实施秸秆禁烧后,
和2007年同时期相比,2008年6~8月对流层NO2垂直柱总量月均值稍有降低,但不显著. 3 讨论
利用遥感手段可以长期有效地监测大面积
110°0′1 12°0′1 14°0′1 16 °0′1 18°0′1 20°0′1 22°0′ 的火点分布情况,遥感具有的“大面积”和“区
1000域连续分布”特点是其他监测手段不具备的,但
也存在一定的不确定性. 500
遥感数据受卫星过境时间的限制,遥感数据0
为瞬时数据.本研究采用的MODIS数据搭载在
-500
Terra、Aqua平台上重访时间为1d,通过遥感数据
-1000 反演的火点只代表Terra和Aqua过境某一时刻覆盖区域的火点分布情况,不能代表1d中所有火点的分布情况;当监测区域被云覆盖时,云下可能
有火点发生,但红外遥感监测不到.所以,本研究
尽量选取晴天少云数据进行秸秆焚烧点反演.
另外,在NO2柱浓度卫星遥感反演算法方面,对流层NO2柱浓度反演结果严重依赖于图像各- 像元中云所占的百分比.一些文献[1113]中提到,即
图4 2007年和2008年6~8月对流层NO2柱总量月均使很少量(5%~20%)的云都可能使反演结果降低
值变化分布
40%.也有学者认为,由于污染和云导致OMI的
Fig.4 Difference of monthly averaged tropospheric NO2
NO2反演结果存在20%~50%的垂直柱浓度误
vertical column density between 2007 and 2008 in North
差[14].与此相反的说法指出[15],由于云反射的影
China for four months from June to Auguest
响,低云和雾也能提高探测传感器对痕量气体探A1 6月;A2 7月;A3 8月
NO2柱总量单位为molecules/cm2;遥感数据源:Aura卫星OMI数据 测的灵敏度,当一定量的NO2位于低云之上或之
中的时候,云也能使NO2柱浓度的反演结果增大.
75
本研究中NO2反演是针对云量少于10％的像元
70
进行反演,但在云量判断方面存在一定程度的误65 60 差,会影响监测结果. 55
由于NOx寿命较短,其主要效应将表现为局50
45 地性或区域性[16].说明利用遥感手段获得的瞬时40
NO2柱浓度来自于目标区域附近,该NO2柱浓度
35
可以近似代表目标区域的NO2柱浓度.另外NOx30
6月 7月 8月
的寿命受温度等因素影响变化较大,从而使得
监测时间
NOx监测存在不确定性. 图5 2007年和2008年6~8月对流层NO2垂直柱总量
本研究采用的OMI数据和下午星MODIS月均值对比
Fig.5 Comparison of monthly averaged tropospheric NO2 的过境时间都在14:00左右,可以近似认为秸秆
焚烧火点监测和NO2柱浓度监测是同一时刻的. vertical column density in the period from June to
Auguest between 2007 and 2008 在本研究区域,2008年6~7月每天平均获得
纬度 纬度 32°0′ 34°0′ 36°0′ 38°0′ 40°0′
垂直柱密度总量(×1014 molecules/cm2)
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了40个左右的秸秆焚烧点,远远少于2007年近参考文献：
250个点的平均值,说明这2个月禁烧令的实施[1] 徐玉宏.我国秸秆焚烧污染与防治对策 [J]. 环境与可持续发
展, 2007,(3):21-24. 是较有效的.而2008年8月份的秸秆焚烧点反而
[2] 北京市环保局,2007年6月空气质量日报, [EB/OL]. 2007-06-19.
比2007年有少量增加.出现这种情况可能是由于
http://www.bjepb.gov.cn/bjhb/publish/porta10/tab377/info9519.htm.
遥感监测的不确定性或数据统计的时间差,2008[3] 何立明,王文杰,王 桥,等.中国秸秆焚烧的遥感监测与分析 年8月仅有20d数据参与统计,而2007年8月有[J]. 中国环境监测, 2007,23(1):42-50.
[4] 邹春辉,赵学斌,刘忠阳,等.卫星遥感技术在秸秆焚烧监测业务31d.
中的应用 [J]. 应用气象, 2005,(3):24-26. 利用和秸秆焚烧监测相近时间过境的卫星
[5] 方 萌,张 鹏,徐 喆.“3S”技术在农作物秸秆焚烧监测中的
获得的NO2柱浓度结果,获得2年间6~8月NO2
应用 [J]. 国土资源遥感, 2006,(3):1-5.
柱浓度的变化量.结果表明6月在秸秆焚烧点下[6] Justice C O, Giglio L, Boschetti L, et al. Algorithm technical 降比较多的江苏和河南,NO2柱浓度也相对减background document MODIS fire products (Version 2.3, 1 Oct.
2006) [R]. Maryland: MODIS Science Team, 2006. 少.7月华北平原大部分地区的秸秆焚烧禁烧点
都有明显减少,相应的在NO2柱浓度变化量方面[7] Giglio L, Descloitres J, Justice C O, et al. An enhanced contextual
fire detection algorithm for MODIS (2003) [J]. Remote Sensing
出现大范围的减小态势;从8月焚烧点的分布情
of Environment, 2003,87:273-282.
况来看,山东和江苏的秸秆焚烧点有少量增加,但
[8] Giglio L, Kendall J D, Mack R, et al. A multi-year active fire data
NO2柱浓度呈部分地区减少,部分地区增加.应该set for the tropics derived from the TRMM VIRS [J]. Int. J. 说NO2柱浓度的变化不全来源于秸秆焚烧点的Remote Sens., 2003,24(22):4505-4525.
变化,除了秸秆生物质燃烧外,工厂排放也是NO2[9] Platt U, Perner D, Paetz H. Simultaneous measurement of
atmospheric CH2 O, O3 and NO2 by differential optical absorption
的主要来源.2008年秸秆禁烧期间对北京周边地
[J]. J. Geophys. Res., 1979,84(10):6329-6335.
区污染排放严重的企业也实施了减产或停产措
[10] Burrows J P, Weber M, Buchwitz W, et al. The global ozone
施,这些排放源的变化对NO2柱浓度均有影响,monitoring experiment (GOME): Mission concept and first 其次天气因素直接影响污染物的扩散状况.本研scientific results [J].J. Atmos. Sci., 1999,56:151-175.
究利用NO2月平均浓度的变化量,目的就是尽量[11] Velders G J M, Granier C, Portmann R W, et al. Global
tropospheric NO2 column distributions: Comparing 3-D model
消除天气因素、未进行减产和停产的工厂等固定
calculations with GOME measurements [J]. J. Geophys. Res.,
点排放源等因素带来的影响.综合来看,在2008
2001,106:12643-12660.
年6~7月北京周边地区很多工厂未实行减产或[12] Richter A, Burrows J P. Retrieval of tropospheric NO2 from 停产的期间,秸秆焚烧点大量的下降是NO2柱浓GOME measurements [J]. Adv. Space Res., 2002,29(11):
1673-1683. 度变小的主要原因.而正在奥林匹克运动会期间
的8月,应该说北京周边该控制的排放源基本实[13] Martin R V, Chance K, Jacob D J, et al. An improved retrieval of
tropospheric nitrogen dioxide from GOME [J]. J. Geophys. Res.,
施到位,工厂减排是降低NO2柱浓度的重要因素,
2002,107(D20):4437.
而秸杆禁烧对NO2柱浓度的降低影响不大. [14] Chance K. OMI algorithm theoretical basis document (Volume 4 结语
2008年国家实施的秸秆禁烧措施对秸秆焚烧的控制取得了明显的效果,这一生物质焚烧源的控制也相应减少了相关地区的大气NO2浓度.卫星遥感技术的瞬时大面积并具有周期性重复获取信息的特点,可以在区域尺度上为环境空气质量监测服务,是大气传统监测手段的一个补充.
IV):OMI trace gas algorithms [R]. ATBD-OMI-02, Version 2.0, 2002.
[15] Savage N H, Law K S, Pyle J A, et al. Using GOME NO2 satellite
data to examine regional differences in TOMCAT model performance [J]. Atmos. Chem. Phys., 2004,4(7):1895-1912. [16] 唐孝炎,张远航,邵 敏.大气环境化学 [M]. 北京:高等教育出
版社, 2006.
作者简介：陶金花(1978-),女,黑龙江大庆人,博士后,主要从事大气
遥感及空气质量模式研究.发表论文10余篇.