從太空看中國空氣污染全景:僅四省PM2.5正常
從遙遠(yuǎn)的太空俯視地球，或許我們無法看清中國的長城，但是卻可以將這個(gè)國家的空氣污染盡收眼底。
最近，我們在耶魯大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和巴特爾研究所的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對中國各省的可吸入顆粒物濃度進(jìn)行了研究。盡管這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)還不盡完美，但是我們依然可以借此對過去十年里中國全境PM2.5污染物地表濃度年平均值進(jìn)行初步估算。
PM2.5也就是空氣中直徑小于等于2.5微米的可吸入顆粒物。由于這種細(xì)小顆粒物能夠滲入人體肺部組織和血液，帶來哮喘、癌癥、心血管疾病等健康隱患，因此，近幾個(gè)月來在中國引起了公共安全人士的廣泛關(guān)注。
那么，如何利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對PM2.5污染進(jìn)行監(jiān)測呢？簡單說來，就是利用衛(wèi)星搭載設(shè)備對氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)進(jìn)行測定。氣溶膠粒子通過吸收散射能夠?qū)饩產(chǎn)生消減作用。利用其這一特點(diǎn)就可以對顆粒污染物的地面指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。
目前有些研究發(fā)現(xiàn)，AOD與地面監(jiān)測指標(biāo)之間存在著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，并為此建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然，用大氣垂直氣柱內(nèi)的氣溶膠光學(xué)厚度來表征地表污染程度是一個(gè)很復(fù)雜的過程，這取決于氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)、組成、粒徑、分布、水含量等多種因素。所以，地域差異和氣候差異都會對PM2.5的測定造成影響(詳細(xì)測定方法請參見該文)。
PM2.5濃度指標(biāo)以各省市的平均大氣污染暴露濃度表示。將全省分成一定的網(wǎng)格區(qū)域。各網(wǎng)格內(nèi)根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)得出的PM2.5濃度乘以該網(wǎng)格內(nèi)居民占全省人口總數(shù)的百分比，即計(jì)算所有網(wǎng)格區(qū)域的大氣污染暴露濃度的人口加權(quán)平均值后便得到人口加權(quán)大氣污染暴露水平。
也就是說，相對于郊區(qū)或人口稀少地區(qū)而言，人口稠密地區(qū)在全省PM2.5平均值中所占比重更大。該方法充分考慮了地廣人稀的低污染地區(qū)以及人口稠密的高污染環(huán)境(或者反之)的情況。
因此，人口加權(quán)值更注重可吸入顆粒物對居民的實(shí)際影響。簡而言之就是，通過這些數(shù)字可以了解中國某省普通居民某天所承受的一般空氣質(zhì)量情況。
那么，這些數(shù)據(jù)又讓我們看到了什么呢？
正如下面的中國PM2.5變化趨勢圖所示，除了四省之外(不包括臺灣)，全國各省、自治區(qū)及直轄市的PM2.5年均濃度都高于世界衛(wèi)生組織(WHO)建議的水平。從圖一中我們可以看到，2007年，中國31個(gè)省、自治區(qū)和直轄市中，大多數(shù)地區(qū)的人口加權(quán)細(xì)顆粒物污染濃度都超過了世衛(wèi)組織每立方米10微克((/m3)的年均空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
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圖一，2007年中國各省人口加權(quán)細(xì)顆粒物年均污染濃度（PM2.5）
而通過圖二和圖三的時(shí)間序列我們可以了解到中國各地區(qū)PM2.5污染的變化趨勢。其中，山東、河南兩省的PM2.5污染最為嚴(yán)重。北京、上海、廣東的PM2.5年均濃度雖然在過去三年有所下降，但是在過去九年里基本都維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平上。而且，也正如我們所料，西藏、內(nèi)蒙等西部欠發(fā)達(dá)省份的細(xì)顆粒污染濃度最低。
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圖二，中國部分省市PM2.5年均濃度時(shí)間走勢圖（2001-2010）
當(dāng)然，任何模型都存在不確定因素，本研究也不例外。利用衛(wèi)星進(jìn)行AOD觀測時(shí)，如果遇到積雪或沙漠等地表亮度較高的情況，其準(zhǔn)確度就會受到影響。同時(shí)，這種方法也無法提供污染物的垂直分布信息(例如，它無法分辨距離地表不同高度的粒子)。就我們所使用的模型而言，其不確定性大約在±25%之間。也就是說，誤差在每立方米6.7毫克左右。
當(dāng)然，衛(wèi)星測繪與地面數(shù)據(jù)之間也并非嚴(yán)絲合縫。地面實(shí)測數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確？墒，衛(wèi)星空氣質(zhì)量監(jiān)測卻能夠彌補(bǔ)地面監(jiān)測基站建設(shè)不足所造成空間斷層及信息缺口。同時(shí)，衛(wèi)星能夠?qū)諝赓|(zhì)量進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定的監(jiān)測，從而便于不同時(shí)期、不同地區(qū)之間進(jìn)行比較。面對著高漲的輿情，這樣的檢測手段正是中國決策層所需要的。
美國科研人員通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)對中國十年間的PM2.5污染濃度進(jìn)行了推算。科研團(tuán)隊(duì)成員徐安琪揭示了研究結(jié)果。
表三，中國各省市自治區(qū)（包括臺灣） PM2.5年均濃度時(shí)間數(shù)據(jù)表（2001-2010）
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