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“技术赋能减污降碳”观察 | 新型监测技术
2021年05月25日 文章来源:美国环保协会  阅读  

2021年4月27日,“技术赋能蓝天低碳行动研讨会”在京举行。会议设立了“新型环境监测与数据分析技术创新”分论坛,包括“新型监测技术”和“污染溯源与源解析”两个专题。“新型监测技术”专题旨在介绍卫星遥感、激光雷达、大数据基础设施、低成本传感器等新兴技术及大数据分析技术的应用与发展趋势。中国科学院大气物理研究所研究员吉东生,生态环境部卫星环境应用中心大气遥感部副主任王中挺,美国加州南海岸空气质量管理局(SCAQMD)空气质量传感器绩效评估中心(AQ-SPEC)项目主管Vasileios Papapostolou,美国大气和环境研究中心(AER)副总裁Matthew Alvarado, 北京环丁环保大数据研究院大数据部负责人林斯杰分别作了主旨发言。中国环境科学研究院大气环境研究所副所长、研究员高健,香港科技大学副教授宁治,英国国家物理实验室(NPL)大气环境科学部高级研究员Nick Martin参加了专家对话环节。现将嘉宾精彩观点综述如下,供读者参考(注:专家观点根据速记稿整理,未经本人审核)。

 
一、低成本空气质量传感器的发展及应用
 
由于传感器技术具有低成本、小尺寸和低功耗等特点,通过大规模的布设低成本传感器可以实现对已有空气质量监测网络的补充,也可以对特定监测项目提供数据支持。在结合交通流量、气象数据等其他类型数据基础上,通过数据整合、处理及可视化,可以定制针对不同应用场景的数据管理和分析解决方案。
 
在美国,低成本空气质量传感器(low cost sensors, LCS)在投入使用之前,需要经过两阶段测试。阶段一为实地测试,将待测传感器布设在固定监测站点旁,进行为期两个月的测试,并将监测结果与联邦参考法(FRM)或者联邦等效法(FEM)认证的监测设备进行比对。阶段二为实验室测试,待测传感器将在最先进的表征实验室内,在控制温度和湿度的条件下,对颗粒物和气体的监测情况进行测试。美国加州空气质量传感器绩效评估中心(Air Quality Sensor Performance Evaluation Center, AQ-SPEC)已经对100多个针对颗粒物或者气体的传感器进行了测试,并制定了多项污染物及CO2监测的传感器绩效标准。
 
中国的空气质量监测网络从点位数量、密度、监测指标等方面来看,位于发展中国家前列,也趋近于世界一流水平。目前,中国的空气质量监测设备主要包括固定监测和移动监测两类。其中固定监测设备数量非常多,基本覆盖了不同尺度、不同高度(2米至300米)、不同需求的监测。但对于跟人类污染暴露水平最为相关的高度——1.5米至2米的近地空间——存在监测盲区。
 
北京环丁环保大数据研究院与其合作伙伴通过将PM2.5传感器和已有的共享单车有机结合,将共享单车变成移动的PM2.5监测站。利用共享单车物联网分布广、数量大,与人行为轨迹结合紧密等特点,获取高价值的环境监测信息,对基于共享单车的PM2.5监测网络的可行性进行了验证。目前,该项目已经完成了实地测试,最终,基于共享单车的监测数据与国控站浓度数据趋势整体一致,证明设备相对稳定可靠。测试显示,共享单车监测网络可以对国控站和已有固定微站监测网络进行良好补充。
 
低成本空气传感器技术的发展有利于城市空气精细化管理实现“五个精准”。2013年后,传感器技术快速发展,逐渐实现了从颗粒物到氮氧化物、黑炭等多污染物参数的全面覆盖,针对不同污染源更具有针对性,也可以更好、更全面、更及时地对污染物浓度进行评估。同时,技术的发展也使得更多的公众参与到环境治理的进程中,提升了对于空气污染的认识。
 
传感器技术的发展也为温室气体监测提供了可能。如果单纯依靠常规监测或者方法对温室气体进行监测,比如CO2和甲烷,难度较大,但是利用传感器技术对污染源、生产过程、物料使用及能源使用等进行监测,可以间接计算出温室气体的排放情况。
 
二、卫星遥感监测技术的应用
 
PM2.5污染对贫困地区人口造成了巨大的健康影响,并限制其发展潜力;而通常这类地区又极度缺乏对于空气质量的地面监测。卫星观测的空间覆盖范围广,可用于填补地面监测网络空白。但以往的卫星观测主要在拥有健全地面监测网络的国家开展。美国大气和环境研究中心(AER)与世界银行合作拓展了PM2.5监测卫星在中低收入国家的应用。
 
在中国,大气环境遥感监测主要应用于如下五个领域:
 
•秸秆焚烧遥感监测:其基本原理是基于火点和常温地物的热辐射特性,利用上下文算法,设置合理的阈值,从而将火点从常温地物中识别出来,同时去除云、太阳耀斑等虚假火点 ,根据土地利用数据,区分火点类型。
 
•沙尘遥感监测:根据辐射性的不同,利用红外两个分裂窗以及中红外和热红外两个通道的亮温差进行判断。
 
•大气颗粒物遥感监测:主要是用卫星遥感获得的气溶胶厚度,在结合边界层高度,湿度和温度,用多元统计回归和地理加权回归的方法获得的结果。
 
•气态污染物遥感监测:主要用差分光谱的方法,常用载荷有美国的AURA/OMI、欧洲的5P/TROPOMI以及中国的GF-5/EMI。
 
•温室气体遥感监测:温室气体遥感监测及碳源汇分析,包括CO2浓度空间分布、人为源CO2排放空间分布、陆地生态系统源CO2排放和多尺度CH4浓度及排放监测。
 
在蓝天保卫战中,遥感监测也在夏季臭氧监督帮扶VOCs高值区遥感监测、疑似污染中小企业识别、重污染天气应急遥感评估、“散乱污”企业整治效果评估、基于卫星遥感地面监测优化布点等方面得到了广泛应用。
 
三、多种大气污染监测技术融合
 
京津冀“2+26”城市基于地基、塔基、系留艇及飞机构建成了大气环境综合立体观测技术体系,实现了对国家全域不同尺度的立体综合的大气环境与气候变化进行监测。
 
中国科学院大气物理研究所联合北京大学、清华大学、复旦大学等多家单位,利用“大气重污染成因与治理攻关”专项在京津冀地区建立了综合立体监测网。长期监测结果发现,从2013年至2020年,该区域的PM2.5浓度明显降低,空气质量得到显著改善。但同时,臭氧问题逐步显现,浓度逐年上升,臭氧已成为影响夏季空气质量的首要污染物。另外,近几年京津冀地区“2+26”城市采暖期主要化学组分空间分布分析结果表明,硫酸盐、硝酸盐和铵盐占PM2.5化学组分比前几年有所上升,表明大气氧化能力的增强对PM2.5贡献有所增加。 
 
新技术的发展有利于我们更好的应对环境问题。随着空气污染治理的不断深入,臭氧污染问题逐渐显现,利用包括传感器、卫星技术对臭氧实现全方位、综合体的观测,为实现臭氧和颗粒物的协同管理、联防联控提供了可能。