现代化环境空气质量监测网络构想

解淑艳 王瑞斌 李健军 郑皓皓 张 欣

（中国环境监测总站，北京 100012）

现代化环境空气质量监测网络构想

解淑艳 王瑞斌 李健军 郑皓皓 张 欣

（中国环境监测总站，北京 100012）

本文从环境空气质量监测网络现存的问题出发，结合卫星遥感、航空测量、地理信息系统等先进的环境监测技术，提出现代化环境空气质量监测网络构想。

现代化；环境空气质量监测网络；构想

由于城市群经济迅速增长，能源消费不断攀升，机动车数量迅猛增加，发达国家历经近百年出现的环境问题在我国近二、三十年集中出现，空气污染形势发生了很大变化。大气污染的范围已不再局限于单个城市或单个工业区范围，城市间大气污染的相互影响和叠加日渐突出，煤烟型污染与光化学复合型污染问题相互交织。上世纪九十年代以来，NOX、颗粒物及其他污染物排放显著增加，城市的细粒子和光化学污染问题日益突出，给人们的生产生活造成了一定的影响，公众反映强烈。反映出我国目前的环境空气质量监测网络还存在着一些问题，不能全面反映空气质量的真实状况。

1 监测现状

我国空气质量监测起步于上世纪70年代中期。到80年代，建立了最早的国家环境空气质量监测网络，监测项目主要是二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）和总悬浮颗粒物（TSP），大部分城市采用的是手工采样-实验室分析的手工监测方法，少部分大城市开展了空气自动监测系统。到90年代，覆盖城市扩大到了103个。1997年，全国46个环境保护重点城市实现环境空气质量周报，并于1998年1月开始向社会发布。2000年，全国地市级以上城市大都开展了空气质量自动监测，监测项目为SO2、NO2和可吸入颗粒物（PM10）。

历经“九五”、“十五”、“十一五”的发展和建设，截至“十一五”末，已建成了由113个环保重点城市661个环境空气质量自动监测站点、14个国家环境空气背景监测网监测站点、31个国家农村空气监测网监测站点、440个国家酸沉降监测站网监测站点、82个沙尘天气影响环境空气质量监测站点、31个城市温室气体试验监测网监测站点，24个京津冀区域空气质量监测网监测站点组成的国家环境空气质量监测网。

目前，我国环境空气质量监测网还存在以下主要问题：

（1）国家环境空气质量监测网主要覆盖113个环保重点城市，广大地级以上城市、农村、区域及背景地区建设的监测点位还很少，不能全面反映全国空气质量状况；

（2）监测项目不全，目前大部分城市的监测因子为二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物，对于新出现的复合型污染重要因子PM2.5、臭氧、一氧化碳等监测因子还不具备监测能力，导致监测结果与公众感受不一致的情况时有发生；

（3）现有的城市监测点位并未实现全部自动化监测，少部分城市的监测能力还停留在手工采样实验室分析阶段，监测结果不及时；

（4）部分城市的环境空气自动监测仪器设备使用年限太长、仪器设备老化、故障率及返修率高；

（5）质量控制和质量保证措施不全或操作不规范，有的实验室的标准气体已经过期却没有更换，质控设备故障没有及时维修等因素，导致部分城市质量控制和质量保证工作不到位；

（6）国家级行业或标准方法、技术规范、评价体系不完善；

（7）信息发布及预警体系开发处于起步阶段，还未正式纳入国家建设的范畴。

随着社会经济的快速发展，能源消耗的不断增加，现有的监测网络已不能满足形势严峻的空气污染问题，因此，利用先进的科学技术和理念，建立一个现代化的、天地一体化的环境空气质量监测网络是满足人民群众环境知情权、环境管理的迫切需要。

2 现代化环境空气质量监测网络的构成

为了适应时代的发展需要，为环境管理、综合决策提供坚实的科技支持，为公众提供优质环境信息服务，应建立一个布局合理、覆盖全面、功能齐全、指标完整、运行高效的国家环境空气质量监测网络，充分利于激光雷达、环境卫星等先进的科学技术，实现环境空气质量监测“天地一体化”的格局。网络构架见图1。

现代化的环境空气质量监测网络应该是由地面监测、遥感监测和其他先进技术相结合的有机整体，同时加强质量保证、质量控制工作，建设先进的环境空气质量监测预警平台，实现城市、区域、背景尺度全覆盖，地面监测与遥感监测相结合，信息发布及时直观。

2.1 地面监测系统

地面监测系统应由监测点位、数据传输及网络化监控平台、信息发布及区域化的监测预警平台等主要部分构成，同时还应建立相应的、先进的质控实验室。

2.1.1 监测点位及监测项目

应在城市、区域和背景三个尺度形成层次分明、功能完善的监测网络，城市尺度的环境空气质量监测网主要以现有城市空气质量监测网络为依托，根据不同的监测目的，优化监测点位，建立更加合理的城市环境空气质量监测网络，了解城市空气污染水平，并为治理城市污染、改善城市空气质量提供可靠和科学的监测数据。区域尺度和背景尺度的环境空气质量监测网主要围绕环境保护部区域联防联控目标，以“三区九群”区域站、国家农村站、国家大气背景站为依托，逐步完善配备先进的环境空气监测设备及相关设施，了解区域和背景地区的空气污染水平，并为跨区域的空气污染问题的解决提供科学数据。

图1 现代化环境空气质量监测网络构架图

2011年11月16日，环保部就《环境空气质量标准》（修订稿）第二次公开征求社会意见，此次征求意见的新标准与原标准相比，在一般项目中增加了细粒子（PM2.5）标准、臭氧8小时标准等内容。新标准将于2016年1月1日开始实施。为了满足新标准的要求，需在现有的SO2、NO2和可吸入颗粒物(PM10)三项指标基础上增加本文对PM2.5监测网络的建立和运行进行了策划和论述。在监测点位中增加细粒子（PM2.5）、O3和CO等自动监测项目，同时还应具备监测总悬浮颗粒物（TSP）、氮氧化物（NOX）、铅（Pb）、苯并［a］芘（BaP）、氟化物等项目的监测能力。因此，在监测网络中应建立相应的监测能力，并选择一些监测基础较好、复合型空气污染较重的地区开展具有前瞻性的试点监测工作，开展PM1、VOCs、汞等对人体健康的危害、形成机理、治理措施及监测技术等研究工作，为将来监测项目的扩大奠定良好的基础并积累相关的原始数据。

有条件的城市或地区可配备一定数量的环境空气自动监测车，用于移动源的监测或固定源的临时监测，同时可用于与固定台站的比对测试工作。监测车应根据监测目的的不同配备相应的监测设备和便携式分析仪。

2.1.2 数据传输及网络化监控平台

网络数据传输和处理系统是监测网络最重要的基础之一，新一代的空气监测网络的实时数据传输和处理、质控信息和数据核查需要集成建立在统一的VPN数据传输和处理系统网络上。将目前分段中继式的直联网升级为点对点（或一点多发）的实时VPN数据传输和处理系统网络，将目前分离的数据核查和质控信息、日报和预报业务等工作集成到这个网络。即实现子站数据同时传输至多个数据平台，实现数据真正的实时传输。

以环境空气自动监测数据为基础和核心的数据管理和运用在环境管理中占有重要的地位，但在国家对自动监测系统的监控、运行管理、数据审核方面，存在一些明显的不足，主要表现在：不能对监测过程及结果进行有效的质量控制；未能充分体现出自动监测在线、可视的特点；信息的加工处理能力差，无法形成综合性的信息库，不能满足环保部门决策的需求等。建立监测网络的质控监控平台能实现监控及监测数据信息化，提高信息采集、传输、处理的准确性、时效性和自动化水平，为自动监测过程提供监控手段，实时监控和展示国家监测网络的空气质量状况，为决策提供依据，为环境保护更好地服务经济社会发展创造条件。

通过现场控制器采集到的数据分为状态数据、监测数据和质量控制数据，其中监测数据分为有效监测数据和无效监测数据，根据建立的数据有效性判别原则，对数据进行分类管理，按照所指定的具体指标和要求，将质量管理体系的集约化数据规整、判别、审核，并将其与站房运行状态进行远程控制。

按照一定的周期，以远程控制的自动化方式来实现检查、校准监测设备工作，从而实现控制和保证子站监测设备数据准确度，克服、消减因仪器零点、跨度飘移和线性等因素造成的误差（或不确定度）。

2.1.3 信息发布及区域化的监测预警平台

实现环境空气质量监测信息的实时监测、实时发布、及时发布监测预警信息等是为了做到真正保护人体健康的重要工作，实现预警信息发布、传播、接收快捷高效的监测预警体系是现代化环境空气质量监测网络的重要环节。

系统以监测数据的流向为依据，总体划分为现场监测子站、通讯网络、控制中心、用户四个部分。将全国环境空气自动监测质控网络建成一个统一的管理平台，用户只需通过一个界面，就可以访问到各个监测子站的实时监测数据，也可以通过订阅报警信息等手段，如采用手机、电子邮件等即时接收系统发来的监测预警信息或仪器设备故障情况等信息，会手机短信。同时，中国环境监测总站对传送到控制中心的各种信息（包括监测数据和仪器设备运行状态参数），按照统一的数据质控管理程序对监测数据进行有效性分析和判别，有效的监测数据以小时均值的方式存入共享数据库中，同时可以此生成日报、周报、月报等各种数据报表。

2.1.4 质量保证/质量控制中心

数据质量是整个监测系统的基础，保证监测数据的准确性是监测工作的重要内容，因此应建立国家级的质控中心、省级和地市级质控实验室，国家级的质控中心每年不定期随机对部分地市级监测设备进行抽测，省级质控实验室负责辖区内所有地市级质控设备的标准溯源及质量保证和控制工作，地市级质控实验室负责辖区内所有监测设备的质量保证和控制工作。质量保证和质量控制措施和信息通过数据传输及网络化质控平台实时传输到各级数据中心平台上。

2.2 空中监测系统

2.2.1 雷达

利用多普勒天气雷达、风廓线雷达、偏振激光雷达等对沙尘暴天气进行监测和预报，已经成为一种实用的监测技术手段。韩经纬等利用天气雷达和T213数值预报产品资料对2005年发生在内蒙古中的一次局地强沙尘暴和雷雨大风天气过程进行了连续的监测和分析，表明局地强沙尘暴发生前,动力、热力场条件和系统结构有利于强对流天气的发生发展,沙尘暴发生区域,低层散度的辐合中心和垂直运动的上升中心有很好的对应关系,并与雷达资料的逆风区相对应。

2.2.2 航空测量

航空测量是指由飞机等航空器加载需要的设备，如摄影机、监测设备等，按照设计的航线进行飞行观测的活动。王玮等对长江三角洲、珠江三角洲及京津唐三大城市群开展了主要气态污染物（SO2、NOX、O3、颗粒物的质量浓度、离子浓度、元素浓度、OC和EC浓度等）的航空测量研究，均得出客观的结论。

2.2.3 高空科学气球

来自美国环保署的国家风险管理研究实验室的空气质量研究人员在墨西哥湾漏油事件中采用热气球加载监测设备的方法对漏油地点附近的空气进行采样，半自动分析由于溢油燃烧产生的污染物，并评估暴露工作人员的健康危害。

热气球采样方法是由美国环保署空气质量研究人员研发出来，用以测定爆炸、森林火灾、填埋垃圾的燃烧等所产生的有害废物。热气球上可装载18kg的仪器设备，在风速小于47公里/小时的天气条件下进行采样。装载的设备可根据需要自主搭配，一般的采样设备包括CO、CO2、粒径从0.25到2.5微米的颗粒物以及其他有毒有害污染物，还可对周围环境的温度、相对湿度等气象参数进行观测，同时可装配GPS用于定位，以及摄像仪进行实况录像。

2008年，法国巴黎地区空气质量监测站采用一个空气质量热气球在半空漂浮，这个气球可根据巴黎地区的空气质量改变颜色。绿色、橙黄色和红色分别表示空气质量极佳、一般、较差，该气球升空后，可在方圆40公里内看到。这是一种直观、有效的发布空气质量状况的方法。

2.3 卫星遥感系统

遥感监测手段可以较好地调查大气污染源的分布、污染源周围的扩散条件、污染物的扩散影响范围等，通常用植物对大气环境的指示作用来判别城市大气环境质量状况，生长正常的植物对红外线的反射强，受到污染的植物对红外线反射弱，因此，在彩色红外像片上颜色有明暗区别，通过遥感监测结果可对城市污染源及其扩散影响、污染程度进行分析研究。同时，结合监测站点的资料可以定量化获取大气污染指标，利用同一地物的不同光谱特性，通过一定的处理分析，可监测城市中主要大气污染物、颗粒大小及空间区域分布。结合彩色红外遥感图像及常规地面监测数据，可建立城市大气污染的评估模型。

遥感系统在环境空气质量监测中的应用主要体现在以下几个方面。

2.3.1 对大气气溶胶的监测

高分辨率的卫星遥感可弥补一般地面监测系统难以反映气溶胶空间分布及变化趋向的不足, 为城市污染分析、区域乃至全球气候研究提供研究资料。李成才等利用NASAMODIS 气溶胶光学厚度产品与北京市空气污染指数进行长期比较分析，结果表明，卫星遥感气溶胶光学厚度在经过垂直和湿度影响两方面的订正后，可作为监测颗粒物污染地面分布的一个有效手段。王雪梅等利用从TM卫星数据直接定量提取区域大气污染气体累加浓度信息，结果表明所提取的污染信息对珠江口大气污染状况优较客观、形象的再现。

2.3.2 对臭氧层的监测

自1978年以来, 科学家们利用搭载在Nimbus-7卫星上的臭氧制图光谱仪（TOMS）对大气中的臭氧进行了卫星观测, 开创了利用遥感手段对全球变化进行研究的先河。胡顺星等［13］利用激光雷达对对流层2km-3.6km 高度范围的臭氧分布进行了测量, 得到了比较精确的臭氧分布。

2.3.3 对沙尘暴的监测

目前对沙尘暴的遥感监测主要是利用MODIS和NOAA/ AVHRR 数据。厉青等通过分析沙尘暴的波谱响应特征及EOS-Terra/MODIS传感器通道的特点，提出了利用MODIS进行沙尘暴监测的热红外双通道差值法、三通道彩色合成直方图均衡增强法及基于双通道域值的叠加分析法，认为基于双通道域值的叠加分析法是一种集定量、定性分析于一体的监测方法，有利于对沙尘暴信息的准确提取，可作为MODIS数据进行沙尘暴监测的有效手段。

章伟伟等采用EOSTerra/MODIS 数据通过分析沙尘暴的波谱特征和MODIS 传感器通道的特点, 采取基于双通道阂值的叠加分析法对对内蒙古的沙尘暴进行了提取监测。范一大等提出了利用NOAA/AVHRR数据提取沙尘暴信息和沙尘暴信息密度分割的方法, 经与气象数据对比验证, 结果比较满意。

2.3.4 对二氧化碳、CH4的监测

二氧化碳主要吸收带为2.60-2.80μm，4.10-4.45μm，9.10-10.90μm，12.9-17.1μm，均处于红外区，可用NOAA气象卫星搭载的多通道微波辐射计获取信息。白文广利用辐射传输模式模拟分析卫星星下和临边观测结果表明，在红外3.3μm和2.3μm波段对0-5km高度处的CH4敏感性最高。

利用地理信息系统、卫星及多源遥感数据紫外、可见光及近红外波段的光谱信息定量反演大气气溶胶光学厚度、近地表二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物、可吸入颗粒物、总悬浮颗粒物等参数，建立区域环境空气变化遥感监测实用化模型，利用地基验证和多源交叉定标对卫星气溶胶及大气成分反演结果进行校正。

研究和集成卫星、多源遥感数据和地面监测点位环境监测数据的特征污染物信息提取技术、扩散过程模拟与仿真技术、时空变化分析技术、可视化表达技术，开展区域环境空气质量遥感评价研究，综合评估重点城市环境空气污染和跨区域空气污染状况。

2.4 其他先进技术的应用

2.4.1 地理信息系统（GIS）

随着监测技术和计算机技术的不断发展，将现代化环境监测技术手段与计算机地理信息系统相结合，形成环境信息演示、模拟、预测与应急系统，将是环境监测为环境决策服务的重要手段。为了能更好地利用大量的地面监测数据，研究各污染物的来源和污染特性，更好地分析影响各污染物变化的因素，找到更有效的控制和治理措施，利用地理信息系统开展环境空气质量状况的模拟演示，并开展预警信息系统平台建设，利用高技术手段最终建立服务于政府、公众和环境保护工作的环境监测、演示、预测、预警信息平台，这将使环境空气质量监测水平跨上一个新台阶。

在环境监测领域，根据遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）相结合的3S技术，开发适合环境保护与监测的集遥感、地理信息系统和三维定位技术于一体的综合多功能技术平台，将有利于环境要素、污染源的定位，实时并快速提供大面积地表建筑及周围环境变化信息，利用地理信息系统将各要素及环境污染状况在电子地图上非常直观的显示出来，便于环境管理、公众知情，是动态反应城市环境空气质量状况的有效方法。

2.4.2 模式研究

空气质量模式是大气污染预报与控制的重要研究工具之一，数学模型可描述大气污染物的物理化学性质，通过探索大气污染排放的时空规律，研究污染物在大气中输送、演变、清楚的过程。模式的开发涉及到大气物理学、大气化学、大气动力学、大气探测与遥感、计算机与网络技术等多方面学科领域，是科学性、复杂性、综合性很强的系统工程，在城市和区域、甚至全球空气污染控制方面都具有较为广阔的发展前景。

王自发等在北京奥运空气质量保证工作中，利用模式研究北京及周边地区空气质量特征及其对北京空气质量的影响，有效评价了奥运空气质量保障措施效果，为背景奥运空气质量保障提供了科学支撑。

3 结论与展望

以上研究表明，现代化的环境空气质量监测网络应该是由地面监测、遥感监测和其他先进技术相结合的有机整体，同时加强质量保证、质量控制工作，建设先进的环境空气质量监测预警平台，实现城市、区域、背景尺度全覆盖，地面监测与遥感监测相结合，信息发布及时直观。为了适应环保工作需要，为环境管理、综合决策提供坚实科技支持，为公众提供优质环境信息服务，我国应建立一个布局合理、覆盖全面、功能齐全、指标完整、运行高效的国家环境空气质量监测网络，充分利于激光雷达、环境卫星等先进科学技术，实现环境空气质量监测“天地一体化”的格局。

总之，现代化的环境空气质量监测网络的建立，将进一步完善国家环境空气质量监测网络的监测能力，使之具备空气质量新标准全项目监测能力，具备解决环保热点问题（如灰霾、光化学污染等）的监测能力，实现国务院和环保部提出的分四阶段实现的贯彻环境空气质量标准的能力建设目标。全面反映城市空气质量，使之与公众感受接近一致，为公众提供更全面及时的空气质量状况信息。为环境管理提供科学依据，从而实现对灰霾和光化学污染等的控制、管理。为政策制定、环境外交、环境国际合作、环境科学研究等提供支持和服务。

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Concept of Modern Ambient Air Quality Monitoring Network

XIE Shuyan WANG Ruibin LI Jianjun ZHENG Haohao ZHANG Xin
(China National Monitoring Center, Beijing 100012)

The problems of recent ambient air monitoring center is stated in this paper, combine with secondary planet, remote sensing, aerial survey, geography information systems, and other modern environmental monitoring technologies, and propose modern ambient air quality monitoring network concept.

Modern; Ambient air quality monitoring network; Idea

X820.2

A

1673-288X（2012）04-0026-06

项目资助: 山地区域空气质量检测点位布设技术研究（项目编号: 2009467010）

解淑艳, 硕士, 工程师