卫星遥感细颗粒物（PM2.5）监测技术指南

1 项目背景

1.1 任务来源

我国细颗粒物污染形势较为严峻，已经成为国家环境监测的重点指标。为有效地对细颗粒物浓度时空分布进行监测，根据原环境保护部《关于开展 2017 年度国家环境保护标准项目实施工作的通知》（环办函〔2017〕413 号），将《细颗粒物遥感监测及其应用技术指南》列入国家标准制修订项目计划，项目统一编号为 2017-27，项目承担单位为原环境保护部卫星环境应用中心。

1.2 工作过程

2017 年 2 月，任务下达后，原环境保护部卫星环境应用中心迅速成立了标准编制组， 制定了相关工作计划，明确了项目成员的分工。

2017 年 2 月-2018 年 6 月，根据工作计划进度安排，标准编制组认真进行了资料收集和前期调研工作。内容包括：收集整理有关细颗粒物卫星遥感相关技术规范的文献；调研细颗粒物卫星遥感的现有数据源、监测方法和验证方法等；此外，编制组还积*开展了细颗粒物卫星遥感监测方法的深入研究及实验工作。在前期大量工作的基础上，编制组确定了本标准编制的原则、技术路线和要求，完成了《细颗粒物遥感监测及其应用技术指南》的开题报告和标准文本初稿。

2018 年 7 月，生态环境部环境标准研究所在组织召开了本标准的开题论证会。论证委员会由中国环境科学研究院、师范大学、中国环境监测总站、市环境保护监测中心、中国科学院遥感与数字地球研究所、江苏省环境监测中心的有关专家组成。论证委员会听取了标准主编单位关于标准开题论证报告的主要技术内容、编制技术路线和标准初稿内容介绍，经质询和讨论，认为该标准的编制单位提供的材料齐全、内容完整；标准编制单位对方法标准及文献进行了充分调研；标准定位基本准确，技术路线合理可行。 论证委员会一致通过本标准的开题，并提出如下修改意见和建议：删除区域 PM2.5专题制图及统计分析、监测产品制作部分及附录 A；进一步简化原理说明，规范文字；将标准名称改为“细颗粒物（PM2.5）遥感监测技术指南”。后根据监测司审议有关卫星遥感标准规范命名规则， 将本指南命名为“卫星遥感细颗粒物（PM2.5）监测技术指南”。

2019 年 9 月 3 日，生态环境部环境标准研究所在组织召开了本标准征求意见稿的技术审查会。会议邀请行业专家、行业领导和监测专家组成审查委员会，审查委员会听取了标准编制单位关于标准征求意见稿的主要技术内容、编制工作过程的汇报。经过质询、讨论， 认为该标准的编制单位提供的材料齐全、内容完整；标准征求意见稿规定了卫星遥感细颗粒物监测的技术方法、结果验证、质量控制等内容，标准内容制定依据充分，具有实际可操作性。审查委员会一致通过本标准征求意见稿及编制说明的审查，并提出如下修改意见：进一步明确标准适用范围；适当补充监测原理，进一步梳理监测处理流程和监测方法逻辑关系； 进一步按照 HJ565 要求对标准文本进行编辑修改。

根据审查委员会提出的修改意见，编制单位进行了相关资料的收集，形成了标准文本征求意见稿和征求意见稿编制说明初稿。之后，编制组将标准文本、编制说明初稿发给生态环境部标准研究所进行审查，根据反馈意见又对标准文本和编制说明进行了进一步的修改，终形成了标准文本征求意见稿和征求意见稿编制说明。

2 标准制订的必要性分析

2.1 环境形势的变化对标准提出新的要求

细颗粒物（fine particulate matter）指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物，又称 PM2.5（以下均记为“PM2.5”）。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。近年来我国大气 PM2.5污染十分严重，年平均浓度超过发达国家 3～5 倍，大气低能见度事件频率、持续时间及覆盖范围在逐年增加，如 2013 年 1 月笼罩在我国中东部地区大范围、持续的严重污染过程，灰霾影响面积达 270 多万平方公里；2015 年 11 月 2 日至 2016 年 1 月 4 日，京津冀及周边地区持续受灰霾影响，共发生了 5 次严重污染过程，大影响面积 66 万 km2，其中重霾面积 56 万 km2，分别占京津冀及周边地区总面积的 94%和 80%。

我国政府高度重视大气环境污染的综合防治，为了加强大气污染防治力度，改善我国环境空气质量，2013 年 9 月国务院出台了《大气污染防治行动计划》，并提出了具体的指标： 到 2017 年，京津冀、长三角、珠三角等区域 PM2.5浓度分别下降 25%、20%、15%左右，其中市 PM2.5年均浓度控制在 60 g/m3左右；2014 年 7 月原环境保护部、发展改革委、工业和信息化部、财政部、住房和城乡建设部和能源局联合印发《大气污染防治行动计划实施情况考核办法（试行）实施细则》，明确将 PM2.5作为年度考核指标。由此可见，监测和定量评估 PM2.5时空分布是我国环境保护中长期科技发展的重要战略需求。

当前，开展 PM2.5监测工作已经成为环境监管的重要内容之一，新的环境监管形势要求PM2.5的监测要更加全面和科学，但当前的监测方法还主要依赖于主要集中在城市地区的地面站点的监测，因此，迫切需求拓展新的技术手段来获取全面、准确的PM2.5区域分布信息。由于卫星遥感技术具有宏观、动态、科学等优势，可以用来很好地解决这一问题。通过获取的区域 PM2.5浓度、等级及各等级分布面积等信息可更全面科学地掌握 PM2.5区域动态变化信息，为制定大气污染防控政策提供有力的技术支撑。目前我国还无专门针对 PM2.5卫星遥感监测应用相关的技术规范，因此急需制定 PM2.5卫星遥感监测方面的技术指南。

2.2 相关环保标准和环保工作的需要

随着 PM2.5卫星遥感监测应用技术的不断提高，会不断产生新的监测方法及产品。为了有效、正确地利用卫星遥感技术进行 PM2.5监测，对全国各级环境保护管理人员、科研人员、监测人员提供相应的技术指导，迫切需要制定 PM2.5卫星遥感监测技术指南。该指南通过对PM2.5遥感监测方法、结果验证和质量控制等方面进行统一规定，确保监测产品更具科学性与权威性，从而为保质保量地完成 PM2.5遥感监测工作，为开展卫星遥感细颗粒物监测及其区域分布规律分析工作提供技术参考。因此，为满足 PM2.5卫星遥感监测应用技术建设与管理的需要，编制符合我国国情、科学实用的《卫星遥感细颗粒物（PM2.5）监测技术指南》十分必要。

3 标准编制的依据与原则

3.1 标准编制的依据

GB/T 31159-2014 大气气溶胶观测术语

HJ 653-2013 环境空气颗粒物 连续自动监测系统技术要求及检测方法

3.2 标准编制的原则

（1）适用性、可操作性原则

本标准的内容应具有普遍适用性，方法应具有可操作性，能够为环境监测及管理等相关部门进行卫星细颗粒物（PM2.5）监测提供技术参考。

（2）科学性、性原则

本标准在编制过程中应积*借鉴和利用相关研究成果，运用可靠的原理、成熟的技术和科学的方法，保证制定的指南具有科学性和性。

（3）经济技术可行性原则

标准中采用的技术方法应经济可行，确保按照该标准开展细颗粒物（PM2.5）卫星遥感监测时，涉及到的卫星遥感数据源比较容易获取、方法比较容易实现，监测成本较低，经济可行。

4 标准主要技术内容

4.1 标准适用范围

本标准规定了细颗粒物卫星遥感监测的方法、结果验证、质量控制等内容。本标准适用于卫星遥感细颗粒物监测及其区域分布规律分析工作。

4.2 标准结构框架

表 1 《卫星遥感细颗粒物（PM2.5）监测技术指南》标准架构

​4.3 术语和定义

下列术语和定义适用于本标准。

4.3.1 气溶胶光学厚度 aerosol optical depth，AOD

指从地面到大气层顶垂直路径中气溶胶消光系数的总和，量纲为 1，引自 GB/T 31159-2014。

4.3.2 象元 PM2.5浓度 pixel concentration of fine particulate matter

象元PM2.5浓度指 1 个卫星观测象元范围内的近地面大气细颗粒物平均质量浓度，计量单位为微克/立方米（μg /m3）。

该定义由编制组给出。

4.3.3 边界层高度 Height of the planetary boundary layer，HPBL

边界层高度是指行星边界层的厚度，表示污染物在垂直方向可以被热力湍流稀释的范围，是用于大气数值模式和大气环境评价的重要物理参数之一。

该定义由编制组给出。

4.4 监测原理

根据 PM2.5浓度与气溶胶光学厚度（AOD）、吸湿增长因子、密度、半径、消光效率因子及大气边界层高度等因素的转化关系计算象元 PM2.5质量浓度，形成区域 PM2.5浓度空间分布。其中，气溶胶光学厚度是 PM2.5浓度遥感反演的关键参量之一。

4.4.1 卫星 AOD 遥感反演原理

在大气水平均一的假设条件下，卫星传感器接收到的大气顶部的辐射信号，既是气溶胶光学厚度的函数，又是下垫面地表反射率的函数，卫星表观反射率可以表示为（Vermote， 1997）：

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