編者按
新一輪技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命正在全球范圍內(nèi)蓬勃興起。面對這一歷史機(jī)遇，國家適時提出了“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略，要求通過創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展，加快從制造大國轉(zhuǎn)向制造強(qiáng)國。科技創(chuàng)新是驅(qū)動中國制造業(yè)升級、推動中國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的動力之源。在科技創(chuàng)新方面，被賦予“全國科技創(chuàng)新中心”定位的首都北京責(zé)無旁貸。
前不久，2014年度北京市科學(xué)技術(shù)獎勵大會召開，共有220項(xiàng)科技成果榮獲北京市科學(xué)技術(shù)獎。獲獎成果涌現(xiàn)出一批引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、具有產(chǎn)業(yè)競爭力的“高精尖”技術(shù)成果；一些獲獎成果還為破解“城市病”困局提供了技術(shù)支撐。在此，我們特別選取其中一些有代表性的科技創(chuàng)新成果，讓廣大讀者借由我們的報道，走近這些看起來高不可攀、實(shí)則與你我日常生活息息相關(guān)的科研成果。
獲獎項(xiàng)目
“北京地區(qū)空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測技術(shù)與工程化應(yīng)用”能夠提供北京及周邊6省區(qū) 市 PM2.5、PM10等大氣污染物的空間分布和變化過程，并且動態(tài)監(jiān)控沙塵、秸稈焚燒等大氣污染來源。
目前，該成果已應(yīng)用于北京市環(huán)境保護(hù)的日常監(jiān)測工作，并構(gòu)建了覆蓋北京及周邊地區(qū)3年3個級別60余種，共計20TB(計算機(jī)存儲容量單位)的專題產(chǎn)品遙感數(shù)據(jù)庫。項(xiàng)目實(shí)施以來，共上報秸稈焚燒、沙塵、大氣面源以及空氣重污染等監(jiān)測簡報與遙感報告上百份，已在京津冀環(huán)保部門廣泛應(yīng)用。
上周，北京13年后再次遭遇大范圍強(qiáng)沙塵天氣。北京監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)各站點(diǎn)PM10濃度均超過1000微克/立方米，北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心發(fā)布大氣重污染預(yù)報。這次預(yù)報的一個重要數(shù)據(jù)支持就來源于區(qū)域沙塵的遙感監(jiān)測。“北京地區(qū)空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測技術(shù)與工程化應(yīng)用”項(xiàng)目剛剛榮獲北京市科學(xué)技術(shù)二等獎。憑借衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從蒙古國沙起到過境北京全過程的監(jiān)控、預(yù)測、預(yù)警，對于海量數(shù)據(jù)的計算速度已經(jīng)縮至短短幾分鐘。
揭秘
各種大氣污染都逃不過“天眼”
據(jù)了解，衛(wèi)星環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)在北京的應(yīng)用始于2002年。2004年后，針對北京范圍內(nèi)的秸稈焚燒、PM10監(jiān)測已經(jīng)開始。不過，包括PM2.5、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等大氣污染物在內(nèi)的整套監(jiān)測系統(tǒng)建立起來是在2012年。
說到衛(wèi)星遙感的監(jiān)測流程，北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心遙感室李令軍指著機(jī)房形態(tài)各異的監(jiān)測設(shè)備告訴記者，通俗地說，衛(wèi)星過境就會給地球“拍照”，數(shù)據(jù)通過接收天線經(jīng)調(diào)制解調(diào)器將電磁信號轉(zhuǎn)換成原始數(shù)據(jù)傳入前端計算機(jī)。之后，計算機(jī)會將這些普通人完全看不懂的數(shù)據(jù)分發(fā)到后端處理系統(tǒng)上進(jìn)行處理分析，這樣每天包括PM2.5、沙塵、二氧化氮等在內(nèi)的各類大氣污染數(shù)據(jù)就解析出來了。
“這次我們在計算方法上做了創(chuàng)新。”李令軍說，衛(wèi)星掃過京津冀區(qū)域的速度非?？?，只需要幾分鐘，但衛(wèi)星遙感傳回的數(shù)據(jù)量卻很大，整軌數(shù)據(jù)在1G左右。過去分析這些數(shù)據(jù)需要三四個小時，通過技術(shù)改進(jìn)，現(xiàn)在只要幾分鐘就可計算完成，這對今后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測具有重大意義。
“天眼”監(jiān)測范圍不止京津冀
除了算法上的創(chuàng)新，該項(xiàng)目最主要的成就在于實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)化應(yīng)用，使得北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心對北京地區(qū)的主要大氣污染物的遙感監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了日報，這在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。
監(jiān)測中心的工作人員告訴記者，要做到對北京大氣污染的精確監(jiān)測，只依靠對整層空氣進(jìn)行“拍照”的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，衛(wèi)星遙感“面”上的監(jiān)測要結(jié)合“點(diǎn)”上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要近地面實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的校核驗(yàn)證。目前，北京共有35個地面自動監(jiān)測站，提供“點(diǎn)”上的實(shí)時大氣污染物數(shù)據(jù)。
“目前我們生成的每日京津冀PM2.5的區(qū)域數(shù)據(jù)，就是遙感數(shù)據(jù)配合地面監(jiān)測數(shù)據(jù)矯正，得到近地面的、區(qū)域的PM2.5分布變化情況。”上述工作人員表示，“而目前衛(wèi)星遙感主要的監(jiān)測范圍已經(jīng)擴(kuò)大到京津冀及周邊6省區(qū)市，將山東、山西、內(nèi)蒙古也包含其中。”
每天，衛(wèi)星過境都會接收大量數(shù)據(jù)，而京津冀PM2.5、PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)圖一天會出兩張，分別在11點(diǎn)和13點(diǎn)左右。“因?yàn)樾l(wèi)星過境的時間基本是固定的，現(xiàn)階段的數(shù)據(jù)只有這么多了。”李令軍說。
今后每10分鐘為PM2.5“畫一次像”
事實(shí)上，每天11點(diǎn)和13點(diǎn)并不是北京PM2.5濃度最高的時候，這樣的監(jiān)測可能并不能完全反映出整個區(qū)域的污染現(xiàn)狀。
“以后的發(fā)展趨勢是每小時甚至10分鐘拍照一次，如果這個技術(shù)開始應(yīng)用，就可以把北京全天PM2.5連續(xù)的變化過程分析出來，現(xiàn)在正在進(jìn)行相關(guān)研究。”李令軍說，“目前，這樣的靜止衛(wèi)星已經(jīng)有了，主要是研究出合適的數(shù)據(jù)反演方法，制作出精度可靠的PM2.5的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。”
而對于數(shù)據(jù)的用途，監(jiān)測中心方面表示，現(xiàn)在大部分集中在環(huán)保系統(tǒng)內(nèi)部使用，為環(huán)境監(jiān)管和污染預(yù)測提供預(yù)警的數(shù)據(jù)支撐。“上周蒙古國起沙了，監(jiān)測中心就會根據(jù)氣象場分析沙塵的遷移、變化，看能否影響到北京地區(qū)。”
配合北京市35個地面監(jiān)測站實(shí)時公開的監(jiān)測數(shù)據(jù)，區(qū)域大氣污染遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)已逐漸向社會公眾發(fā)布，2014年的北京市環(huán)境監(jiān)測公報已發(fā)布了一些遙感監(jiān)測成果。未來越來越多的衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)會向公眾公開。
“遙感監(jiān)測和地面監(jiān)測相比精度還是略差一點(diǎn)。雖然范圍廣、監(jiān)測效率高，但PM2.5等污染物的具體評價濃度還是以近地面監(jiān)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。”李令軍說。
對話
未來將出PM2.5三維立體圖
京華時報：除了大氣遙感技術(shù)的應(yīng)用，監(jiān)測中心在科技創(chuàng)新方面還有哪些重要成果？
北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心遙感室工作人員（以下簡稱“監(jiān)測人員”）：我們利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了北京市裸地?fù)P塵、平房燃煤的全監(jiān)測，為環(huán)境執(zhí)法和環(huán)境統(tǒng)計提供依據(jù)。北京每年有上億平方米的在建裸地，如果管理不好，在春季比較干燥的時候就會造成揚(yáng)塵，使得大氣顆粒物濃度上升。
京華時報：遙感監(jiān)測的中長期目標(biāo)是什么？
監(jiān)測人員：如果京津冀三地將“衛(wèi)星遙感+地面監(jiān)測”形成一個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，這樣對整個區(qū)域的大氣污染情況、變化過程、積累程度、重污染的影響就能有更全面深入的認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上建立一個數(shù)據(jù)共享平臺，更好地服務(wù)于大氣污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控工作。
另外，未來我們還需要及時跟進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)。我們正在做大氣污染的激光雷達(dá)監(jiān)測，這樣就可以詳細(xì)了解從地面到高空大氣污染物的垂直分布。目前衛(wèi)星遙感只是看面的分布，而激光雷達(dá)可以從垂直方向看到每一層污染情況。這樣可以獲取大氣污染完整三維立體圖，使我們更充分了解PM2.5在三維空間是怎么遷移轉(zhuǎn)化的，由此可以更清楚地理解PM2.5的形成機(jī)理。
目前北京有4個激光雷達(dá)監(jiān)測點(diǎn)，并且已經(jīng)開始監(jiān)測。如果布設(shè)更多的監(jiān)測站點(diǎn)，就可以更清楚了解污染物的區(qū)域差異和相互之間的影響。從中長期來看，激光雷達(dá)監(jiān)測點(diǎn)可適當(dāng)增加，進(jìn)而延伸到京津冀整個區(qū)域，監(jiān)測的數(shù)據(jù)也應(yīng)該更細(xì)化。
國產(chǎn)專業(yè)衛(wèi)星太少是短板
京華時報：在科技創(chuàng)新方面還有哪些困難？
監(jiān)測人員：對大氣污染過程的機(jī)理理解還不夠透徹，現(xiàn)在衛(wèi)星遙感對大氣污染的監(jiān)控并不連續(xù)。因此，衛(wèi)星遙感監(jiān)測需要開發(fā)更新的數(shù)據(jù)源，提高監(jiān)控的頻次。同時，相對于地面監(jiān)測來說，遙感監(jiān)測的結(jié)果目前精度不夠，以后還應(yīng)該從反演方法、與其他數(shù)據(jù)的相互結(jié)合方面提高精度。
此外，監(jiān)測中心在遙感監(jiān)測方面已經(jīng)投入了大量的人力、物力，但是相對飛速發(fā)展的遙感監(jiān)測技術(shù)，需要獲取更多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)、開發(fā)更全面的環(huán)境遙感監(jiān)測產(chǎn)品，需要持續(xù)不斷的投入。
京華時報：您認(rèn)為我們當(dāng)前工作還需要哪些支持？
監(jiān)測人員：目前我們需要在方法上做更多開發(fā)研究，在數(shù)據(jù)資源方面以后是不是可以接入更多的衛(wèi)星？是不是我們國家可以自己發(fā)射專業(yè)的大氣環(huán)境監(jiān)測方面的專用衛(wèi)星？現(xiàn)在我們使用的專用衛(wèi)星以歐美、日本國家的居多。
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