清潔的空氣是人類健康和福祉的基本需求，空氣污染在全球范圍內(nèi)對健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。
要想獲悉更細(xì)致、更全面的關(guān)于空氣顆粒污染物的分布情況，必須借助先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。使用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行空氣污染估算具有以下優(yōu)勢：能夠長期監(jiān)測、實(shí)時觀測和提供空氣質(zhì)量預(yù)報。
1 氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5的關(guān)系
估算PM2.5的常用方法有：二元函數(shù)、多變量函數(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模型與衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合、經(jīng)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)同化等。這些方法在以下方面具有應(yīng)用前景：把衛(wèi)星數(shù)據(jù)和全球過程模型相結(jié)合；把統(tǒng)計模型、衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地面觀測相結(jié)合；把地面儀器、雷達(dá)和衛(wèi)星監(jiān)測相結(jié)合。
圖1 估算PM2.5的常用方法
氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）定義為介質(zhì)的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，用于描述氣溶膠對光的衰減作用。AOD是對大氣柱總的測量，不能直接提供污染物的垂直分布信息。
估算PM2.5需要準(zhǔn)確知道大氣垂直結(jié)構(gòu)、氣象效應(yīng)、晝夜效應(yīng)、氣溶膠質(zhì)量、氣溶膠類型和氣溶膠吸濕性，這些重要的因素受季節(jié)、濕度和大氣邊界層的影響，隨著區(qū)域的變化而發(fā)生變化。
Van Donkelaar等通過把MODIS/MISR衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)中獲得的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)與全球化學(xué)傳輸模型GEOS-Chem相結(jié)合，制作出全球PM2.5年均濃度分布圖（圖2）。
采取以下措施可以提高遙感數(shù)據(jù)和PM2.5之間的相關(guān)性：根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件調(diào)整衛(wèi)星數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演；應(yīng)用傳輸模型、預(yù)測模型、數(shù)值模型和統(tǒng)計模型；增加使用其他衛(wèi)星的氣溶膠數(shù)據(jù)和痕量氣體數(shù)據(jù)；生成每日AOD—PM關(guān)系的地面儀器測量網(wǎng)；使用地面和星載激光雷達(dá)獲取氣溶膠和邊界層的垂直分辨率；當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)。
圖2 基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)模擬的2001-2006年間全球PM2.5年均濃度分布圖
2 未來遙感在空氣質(zhì)量研究中的應(yīng)用
遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)是提供空間上覆蓋全球的氣溶膠和痕量氣體數(shù)據(jù)的最佳方式；它能為全球和區(qū)域模型提供重要的庫存信息；為模型和預(yù)測提供重要的近實(shí)時數(shù)據(jù)。未來可提供氣溶膠數(shù)據(jù)的傳感器見表1。當(dāng)前有許多關(guān)于未來十年的衛(wèi)星任務(wù)計劃，傳感器技術(shù)和反演算法有待不斷提高，氣溶膠垂直分布的監(jiān)測能力也需不斷改善，從而使用戶獲得更高分辨率的痕量氣體產(chǎn)品以及新的痕量氣體產(chǎn)品。
表1 遙感監(jiān)測氣溶膠數(shù)據(jù)的傳感器
模型能夠幫助我們了解氣溶膠和痕量氣體的作用過程及其傳輸；為沒有衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時間或地區(qū)提供資料；具有預(yù)測和預(yù)報功能；有助于改進(jìn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演。模型發(fā)展的前景：計算機(jī)運(yùn)算能力的提升將極大地提高氣體和氣溶膠模型的平面分辨率和空間分辨率；對過程理解的增強(qiáng)將會改進(jìn)模型；越來越多可用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和近實(shí)時性能將會提高模型；過程統(tǒng)計模型和組合統(tǒng)計過程模型的預(yù)測能力將增強(qiáng)，但由于地面?zhèn)鞲衅魅狈σ虼似湫в糜邢蕖?/p>
地面?zhèn)鞲衅骱蛯?shí)地測量數(shù)據(jù)的當(dāng)前現(xiàn)狀：主要污染物數(shù)據(jù)優(yōu)先針對臭氧和PM；提供衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證；為衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演提供必要的資料；地面數(shù)據(jù)能改進(jìn)過程模型；地面網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可用于統(tǒng)計建模。未來發(fā)展前景：人們開始主動擴(kuò)展PM、激光雷達(dá)和無線電探空儀的地面測量網(wǎng)絡(luò)，有的對發(fā)展測量臭氧的激光雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了興趣。由于成本、優(yōu)先級、接入和地方能力等原因，全球覆蓋將繼續(xù)存在巨大缺口。