2016年年末以來，霧和霾天氣成為公眾關注熱點。霾在衛(wèi)星云圖上看起來是怎樣的？氣象衛(wèi)星在霧和霾的監(jiān)測和大氣污染治理評估等方面有哪些應用？針對這些問題，2017年1月6日下午，記者采訪了中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心遙感應用室副主任、京津冀及周邊地區(qū)大氣污染防治專家委員會專家張興贏。
專家：中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心遙感應用室副主任張興贏
采訪人：中國氣象報記者葉海英、新華網記者李海韻
統(tǒng)籌策劃：葉海英、王亮、王若嘉
張興贏（左）接受記者采訪。李根 攝影
記者：針對2016年年末華北黃淮地區(qū)出現(xiàn)的霧和霾影響面積，氣象部門提供的數(shù)據(jù)是通過衛(wèi)星監(jiān)測到的嗎？
張興贏：是的，對于2016年12月16日至21日的霧和霾天氣過程，2016年12月17日新聞媒體和電視上報道的霧霾覆蓋約九分之一國土面積，就是我們風云氣象衛(wèi)星監(jiān)測得到的101萬平方公里，2016年12月18日監(jiān)測到的面積是142.2平方公里，據(jù)2017年1月6日上午的衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，我國中東部大部分地區(qū)都是云層覆蓋，衛(wèi)星能看到的霾污染面積大約有40萬平方公里。
記者：監(jiān)測霧和霾的是什么樣的氣象衛(wèi)星？霾在衛(wèi)星云圖上看起來是怎樣的？和云有什么區(qū)別？衛(wèi)星是如何判定霾的輕重呢？
張興贏：目前我們監(jiān)測霧和霾的氣象衛(wèi)星，用到了兩類衛(wèi)星，一類是極軌氣象衛(wèi)星，也就是太陽同步衛(wèi)星或者叫低軌衛(wèi)星，每天觀測全球一次；另外一類是靜止氣象衛(wèi)星，也就是地球同步衛(wèi)星或者叫高軌衛(wèi)星，可以每小時，或者每分鐘，甚至可以秒級觀測衛(wèi)星正對的地球圓盤圖，也就是三分之一個地球。
氣象衛(wèi)星被形象地稱為“天眼”，指的是衛(wèi)星在天上看地球時就和人的眼睛看到一樣，衛(wèi)星直接看到的霾的圖像就是灰蒙蒙的一片，而云在衛(wèi)星眼里就是白色的。
衛(wèi)星除了可以像眼睛一樣看到圖像，還可以像醫(yī)生給人體做CT一樣，根據(jù)太陽光穿透大氣層后備吸收或者散射削弱的信號，通過科技人員的解譯，可以得到霾的輕重信息。我們?yōu)榱俗尮娍梢灾庇^地看到，賦予不同輕重霾污染不同的顏色還有相應的數(shù)字信息，這樣就可以便捷地分清霾的輕重了。
2017年1月2日風云三號氣象衛(wèi)星監(jiān)測及14:00時地面PM2.5濃度監(jiān)測圖。（來源：國家衛(wèi)星氣象中心）
記者：霧和霾的厚度能通過衛(wèi)星監(jiān)測到嗎？未來有沒有可能通過衛(wèi)星探測到霾的成分？
張興贏：隨著衛(wèi)星探測手段的不斷提升，目前我們可以利用衛(wèi)星上搭載的主動激光雷達，可以獲得云、霧和霾的高度信息以及含量信息。比如2016年12月16日至21日的霧和霾天氣過程期間，我們利用地面的激光雷達和衛(wèi)星上的激光雷達都可以獲得霾的厚度信息，大約都在500米-1000米之間。
對于霾的成分，目前衛(wèi)星只探測到覆蓋的范圍和輕重等級，還沒有霾的化學成分信息，但在2018年我國將發(fā)射一顆高光譜觀測衛(wèi)星，預計5年后還會發(fā)射一顆專門的大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，上面將搭載特殊的偏振和多角度的儀器，可以獲取霾顆粒物中不同粒子的大小以及主要幾類化學成分的信息，比如是硫酸鹽型的顆粒物還是硝酸鹽型的顆粒物等。
記者：衛(wèi)星監(jiān)測霧和霾的結果有什么用處？
張興贏：主要有三個層面的應用，對于公眾來說，衛(wèi)星監(jiān)測到的結果可以提供霾的覆蓋面積、影響范圍和輸送擴散的信息。
對于專業(yè)研究來說，簡單的衛(wèi)星成像結果并不足以提供足夠的信息量，更重要的是利用衛(wèi)星對大氣污染物的定量監(jiān)測結果，除了大家一目了然可以看到的衛(wèi)星霧霾監(jiān)測圖像外，衛(wèi)星還具備了對大氣層進行CT檢測的功能，可以獲取大氣中的氣溶膠光學厚度，還可以獲得看不見摸不著的污染氣體，比如二氧化氮、二氧化硫，而這些氣體是形成霾顆粒物污染重要的前體物。目前我們的大氣污染預報精度還不夠，很重要的原因是污染排放源的清單的精度不夠，而利用衛(wèi)星資料的同化技術將可以改善源排放清單的估算，再結合氣象條件的預報，這樣大氣污染的預報結果就會提高很多。
對于國家決策來說，借助衛(wèi)星資料獲得更準確的污染源排放清單，治理將更加有的放矢。另外可以利用衛(wèi)星長期的觀測結果來評估我國霾污染的程度和變化趨勢，國家和地方政府尤其需要通過長期穩(wěn)定的衛(wèi)星探測資料，來了解大區(qū)污染控制措施實施后，究竟有沒有效果，以及未來該如何開展治理，衛(wèi)星資料可以提供非常有益的支撐。
衛(wèi)星數(shù)據(jù)被應用于天氣預報。(來源：中國氣象網)
記者：最近我國發(fā)射了風云四號衛(wèi)星，那么這顆星業(yè)務運行之后，將對我國的天氣氣候監(jiān)測預報水平有著怎樣的提升？
張興贏：目前風云四號衛(wèi)星屬于在軌測試階段，測試時間半年到一年，風云四號衛(wèi)星不僅是我國氣象科技界，也是世界氣象科技界的一件大事。
2016年12月11日零時11分風云四號01星成功發(fā)射。(來源：新華網)
風云四號衛(wèi)星上面搭載了先進的靜止軌道干涉式紅外探測儀，這是目前全世界第一個在靜止衛(wèi)星上搭載的高光譜紅外探測器，正式運行后，將可以高頻次地獲取天氣監(jiān)測和預報最重要的溫濕度產品；另外，還有靜止軌道輻射成像儀，由于觀測波段比原來看風云二號大幅度地提升，可以生產出更多的產品，其中就包括可以用于霧霾監(jiān)測的氣溶膠產品；此外，還搭載了國內第一臺閃電成像儀，將可以第一時間捕捉到閃電在云層階段的信息，這為地面的閃電預警提供了非常有力的支撐。從通道數(shù)來看，先進的靜止軌道輻射成像儀在風云二號衛(wèi)星5個通道的基礎上，增加到14個通道，包括可見光、近紅外和紅外通道等，可以挖掘到跟多的產品。由于增加了可以看到氣溶膠的通道，所以我們能夠每15分鐘看一次霧霾的變化。
風云四號衛(wèi)星上由于儀器數(shù)量和性能的大幅提升，將可以獲取更多的觀測產品，目前我們開發(fā)了34類監(jiān)測產品，涉及天氣、氣候、資源、環(huán)境，其中環(huán)境包括大氣環(huán)境、地表環(huán)境和海洋環(huán)境。
風云四號衛(wèi)星將在原來風云二號衛(wèi)星的基礎上，在時間和空間分辨率上得到很大的提升，風云二號衛(wèi)星空間分辨率是公里級的，時間分辨率是1小時觀測一次，而風云四號衛(wèi)星空間分辨率可以達到500米，時間分辨率提高到15分鐘觀測一次全圓盤圖，甚至還可以實現(xiàn)1分鐘1次區(qū)域觀測。對于快速多變的天氣現(xiàn)象來說，可以提供非常重要的支撐，對天氣預報和防災減災將會是量變到質變的過程。
記者：我們知道，風云衛(wèi)星是航天科技集團公司牽頭研制的，氣象部門參與了部分研發(fā)工作，那氣象部門在風云衛(wèi)星的研發(fā)上，主要是做了哪些方面的工作？
張興贏：我們國家衛(wèi)星氣象中心是氣象衛(wèi)星的用戶和運行單位，不是氣象衛(wèi)星的制造單位，衛(wèi)星平臺和遙感儀器是航天部門，還有中國科學院的研究所來負責研制的，在衛(wèi)星的研制上，國家衛(wèi)星氣象中心主要做兩項工作：一是頂層需求設計，要給工業(yè)制造部分提出明確的需求，需要什么的衛(wèi)星和什么樣的儀器；二是科學指標論證：根據(jù)我們要開發(fā)的衛(wèi)星產品，要經過嚴密的計算模擬，提出每個觀測儀器設計的各項主要技術指標，提交給工業(yè)部門，并且在整顆衛(wèi)星的研制過程中，我們全程參與到各個環(huán)節(jié)，與航天部門共同來推進和完成衛(wèi)星的制造到出廠發(fā)射。這只是我們作為氣象衛(wèi)星用戶單位參與到氣象衛(wèi)星研制的工作，實際上國家衛(wèi)星氣象中心日常更多的工作在于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)的預處理、產品開發(fā)、數(shù)據(jù)存檔和分發(fā)服務以及產品的應用與服務。
干涉式大氣垂直探測儀掃描方式示意圖。（來源：國家衛(wèi)星氣象中心）
記者：如果有用戶想要定制衛(wèi)星數(shù)據(jù)，比如某一個城市的氣溶膠濃度的年際變化，能提供嗎？氣象衛(wèi)星在大氣污染的治理評價上作用如何？
張興贏：極軌衛(wèi)星的觀測是全球覆蓋的，全球任何地方的觀測數(shù)據(jù)都可以提供。衛(wèi)星在全球覆蓋和長時間序列的觀測能力方面是非常突出的，當然衛(wèi)星目前也有自己的“弱點”：那就是由于在遙遠的太空探測，且要實現(xiàn)一天內覆蓋全球，因此地面的空間分辨率不可能非常高，所以如果是一個特別小的城市地區(qū)，衛(wèi)星是不容易識別得到的。氣象衛(wèi)星在大氣污染的治理評價上可以起到非常重要的作用。我們每年都要給國務院提供各類評估報告，尤其比較重大的活動期間，大量減排后究竟效果如何，我們會利用衛(wèi)星以及地面的觀測數(shù)據(jù)來科學地評估減排效果。2017年起中國氣象局將每年編制《大氣環(huán)境公報》，向國家和社會公布我國當年的大氣環(huán)境基本狀況。
網友：城市和農村的霾來源有何不同？
張興贏：霾的來源有自然的，也有人為的。城市里由于工業(yè)和能源消耗的排放，霾顆粒物中的成分包含硫酸鹽、硝酸鹽比較多。而農村則可能由于農業(yè)活動和植物燃燒，顆粒物中可能碳含量比較多。霧霾顆粒物的化學成分會因時因地不同，具有區(qū)域的特征。目前我們的衛(wèi)星從2000年起就開始可以觀測大氣氣溶膠顆粒物的光學厚度，能看到氣溶膠濃度高低和時空的變化，但還不能區(qū)分其中顆粒物的化學成分，等2018我國新的衛(wèi)星發(fā)射后，由于將攜帶氣溶膠多角度偏振儀器，將有可能實現(xiàn)對霾顆粒物的大小和主要的化學成分的區(qū)分，這樣對開展減排的科學支撐會更大。
網友：能見度、霧、霾的輕重究竟是什么關系？能見度越低霾污染越重嗎？
張興贏：不能等同。舉個很簡單的例子：假設北京大霧，自然能見度非常低，但是由于只是大霧，其中不含有污染顆粒物，這時候雖然能見度低，但實際上是沒有霾的。反之，如果空氣中的濕度很低，能見度還是可以的，但實際上空氣中的顆粒物濃度可能已經很高了，這個時候雖然能見度還可以，但已是霾污染的狀態(tài)了。同時，有時候由于大氣于濕度不高，能見度尚可時，但是大氣中已經存在較高濃度的顆粒物污染的情況卻不少見，所以大家不要認為能見度還不錯，就一定沒污染了，要留意每天的氣象預報和觀測數(shù)據(jù)。
全國霾24小時預報。（來源：中央氣象臺）
網友：大氣中的顆粒物也并非完全都是有害的嗎？如果戴上口罩后，會不會把對人體有益處的顆粒物也隔絕了？
張興贏：大氣的顆粒物本來也是大自然客觀存在的。所有的顆粒物都有兩個來源：自然的和人為的。實際上霾在沒有工業(yè)污染活動時已經存在于大自然，由于大氣擴散不好，自然排放的顆粒物也會短時呈現(xiàn)較高濃度而影響了大氣的能見度，比如浮塵等。而對于大自然本身來說，沙塵的客觀存在是大自然生物地球化學循環(huán)非常重要的一個環(huán)節(jié)，比如我們的黃土高原就是沙塵幾萬年緩慢堆積的杰作，我的博士生導師早年在NATURE雜志發(fā)表過一篇文章，專門論證了正是沙塵的傳輸，貢獻了遠洋地區(qū)80%的氮鹽和磷鹽，如果沒有沙塵顆粒物向遠洋輸送氮鹽和磷鹽，海洋中的浮游植物就無法生存。大自然中各種存在的事物都有合理的一面，只是我們人類的活動打破了大自然中各種固有的平衡，那么就會形成災害。
網友：空氣重污染預警和霾預警有什么區(qū)別？
張興贏：這個問題，估計困擾大家已久，在這里我給大家仔細說明一下。目前大家看到的“重污染天氣預警”是地方政府的重污染天氣應急指揮部發(fā)布的，預警的依據(jù)主要是AQI指數(shù)，也就是大氣中污染物的濃度，比如一旦發(fā)布紅色預警，就要執(zhí)行車輛限制、企業(yè)限產以及學生停課等，是一種政府的管理行為。
而大家經常從電視以及媒體上天氣預報中了解到的氣象部門發(fā)布的是霾的預警，這個不同于環(huán)保部門發(fā)布的空氣重污染預警，氣象的霾預警分黃色、橙色和紅色三級，主要是根據(jù)能見度、空氣相對濕度以及顆粒物濃度這三個綜合指標的科學判識來制定的，主要是考慮到公眾的交通出行安全、生活安排以及個人健康的提示，不帶有強制性的行政效力，只是貼近百姓生活的服務預警，讓大家平時生活出行做參考。
