卫星遥感评估船舶大气污染物排放控制区实施效果的可行性分析

胡健波，张翰林，彭士涛，徐 旻，谢 昕

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 水路交通环境保护技术交通行业重点实验室 港口水工建筑技术国家工程研究中心，天津 300456；2.上海海事局，上海 200086)

航运对世界经济和全球贸易做出了重要贡献，承担了80%～90%的全球贸易运输，但也造成了不可忽视的大气环境污染问题。船舶尾气中的主要污染物是SO2和NOx及其二次转化污染物，高SO2排放主因是船舶“偏爱”低成本的高硫重油，而高NOx排放主因是船用发动机高温烧燃促进了N2和O2化学反应。据统计，航运NOx年排放量约2～11.4 Tg[1-3]，占人类全部NOx排放的15%～35%，而SO2占4%～9%。为解决船舶大气污染问题，国际海事组织IMO于20世纪70年代专门制定了《国际防止船舶造成污染公约》，即MARPOL 73/78公约。

随着机动车、电力、工业等陆地污染源排放的有效控制，航运大气污染物排放问题日渐凸显且随全球贸易一体化呈逐年递增的趋势[4-5]，国际和国内相关防控政策不断出台。在MARPOL 73/78公约的基础上，发达国家和地区率先行动，先后设立了4个国际船舶排放控制区[6-7]。中国、韩国等国家和地区紧随其后，先后设立了一些区域船舶排放控制区[8]。2020年，IMO的全球限硫令正式生效[9-10]，是船舶燃油硫含量管控的关键年。船用燃油硫含量的限值从3.5%下降至0.5%，可极大减少航运SO2的排放。全球限硫令和船舶大气污染物排放控制区是近年来国际上主要的船舶大气污染物排放管控政策。

实施效果评估是船舶大气污染物排放控制区管控政策继续深入或优化调整的重要依据，减排效益数据可以是自下而上的船舶大气污染物排放清单[2]、港口或沿江城市空气质量的间接反映[11]和自上而下的卫星观测[5]。船舶大气污染物排放清单工作量大、数据处理复杂、结果不确定性大，港口或沿江城市空气质量改善的间接反映受其他排放源干扰大、影响因素多(距离、船舶密度、气象条件等)、点位少且固定。卫星观测技术具有覆盖范围广和结果更直观的优势，随着大气污染卫星遥感技术的发展，用于该管控政策实施效果评估具有很好的前景。本文介绍了船舶大气污染物排放控制区前世今生，梳理了大气污染卫星遥感技术研究进展和船舶大气污染卫星遥感应用，分析卫星遥感评估船舶大气污染物排放控制区实施效果的必要性和可行性。

1 船舶大气污染物排放控制区管控要求

1.1 国际排放控制区和全球限硫令

IMO设立的第一个国际排放控制区是波罗的海排放控制区，和MARPOL公约附则VI同时生效。2005年、2010年和2011年先后又设立了北海、北美和美国加勒比海船舶排放控制区。它们的共同之处是分阶段降低船用燃油硫含量(图 1)；不同之处是欧洲的2个起初对NOx没有管控要求，而美洲的2个则有管控要求。自2021年1月1日起，欧洲的2个排放控制区也对NOx提出了管控要求，即2016年后建造或有重大改动的船舶NOx排放应满足Tier III排放标准。

1-a IMO的燃油硫含量管控要求1-b IMO的3个NOx排放管控要求图1 国际排放控制的燃油限硫和NOx排放限值时间表及全球限硫令时间表Fig.1 Schedule of sulfur content limit and NOx limit in international ship emission control area and global sulfur cap

在全球限硫令方面，2012年后要求船用燃油硫含量不得超过3.5%，而2020年后则不得超过0.5%。

1.2 我国排放控制区

2015年8月29日，《大气污染防治法》修订通过，第六十四条规定“国务院交通运输主管部门可以在沿海海域划定船舶大气污染物排放控制区，进入排放控制区的船舶应当符合船舶相关排放要求。”2015年12月，交通运输部出台交海发[2015]177号文，正式设立珠三角、长三角和环渤海(京津冀)3个排放控制区(图2)。2018年12月，为响应我国其他区域的减排呼声并扩大减排力度，交通运输部出台交海发[2018]168号文，正式扩大我国的船舶排放控制区地理范围，将控制区沿海水域拓展至全国领海基线外延12 n mile内的所有海域，并新增长江干线和西江干线内河排放控制区。

图2 我国2015年设立的3个排放控制区和2018年设立的排放控制区Fig.2 China′s ship emission control area established in 2015 (three) and 2018

我国同样采取分阶段降低船用燃油硫含量和NOx排放的措施。2019年起，海船进入排放控制区应使用硫含量不大于0.5%的船用燃油；2020年起，海船进入内河控制区应使用硫含量不大于0.1%的船用燃油；2022年起，海船进入沿海控制区海南水域应使用硫含量不大于0.1%的船用燃油。2022年以后建造或进行船用柴油发动机重大改装的、进入沿海控制区海南水域和内河控制区的中国籍国内航行船舶，所使用的单缸排量大于或等于30 L的船用柴油发动机应满足Tier III的NOx排放要求。

2 大气污染卫星遥感技术研究进展

表1 专门用于大气污染遥感监测的卫星相关参数Tab.1 Parameters of remote sensing satellites specially used for air pollution monitoring

利用卫星监测大气污染的研究始自20世纪70年代，当时可用的卫星只有AVHRR、Landsat和GOES等早期的通用型遥感卫星。20世纪90年代后，专门用于大气污染遥感监测的卫星升空年代和相关参数见表 1。

VEEFKIND等[12]综述了大气污染卫星遥感技术，总结了卫星瞬间、大范围和高空间分辨率这3个优势及其支撑大气污染情势通报、排放趋势分析、排放源筛查与监控等方面的价值。MARTIN[13]梳理了本世纪大气污染卫星遥感技术的进展和监测指标，提出了研发更高分辨率传感器等方面的建议。KHOURY等[14]证明了NO2和AOT之间的强关系，阐明了NO2二次转化对AOT的贡献。FIOLETOV等[15]利用OMI观测北美电厂SO2排放通量。ZIEMKE等[16]比较O3卫星观测和模拟结果，证明了卫星观测验证模拟结果的价值。MIJLING和VAN DER[17]利用OMI和GOME-2定量界定了NOx在空气中的寿命。LUO等[18]利用TES观测得到的NH3和CO高度相关现象，揭示了秸秆焚烧区域排放的特征。BARKLEY等[19]利用OMI数据分析了2005年—2010年中东超过1 000处位置(城市、炼油厂、油码头和电厂)的NO2、HCHO和SO2的变化趋势，识别了各种排放源的排放特征和占比。

陈良富等[20]提出了大气污染卫星遥感技术发展的迫切性和提升的建议。刘毅等[21]综合分析了国际上卫星遥感观测CO2的主要方法、影响因素及研发方向。姜杰等[22]总结了灰霾遥感监测的基本原理。王刚等[23]分析了OMI的仪器性能和SO2定量反演方法。陈良富等[24]就NO2柱浓度卫星差分光谱吸收反演算法(DOAS)的误差和不确定性进行了评述。汤玉明等[25]从大气辐射传输机理上分析了国内外气溶胶遥感反演方法的优缺点。王英鉴等[26]综述了我国O3卫星观测技术发展的3个阶段，指明了星载观测仪器研发的方向。张强等[27]利用SCIAMACHY和GOME识别了1996年—2010年中国NOx重污染区域以及部分新增的污染点。张磊石[28]等利用OMI数据分析了河南省NO2和SO2在2005年—2014年的变化趋势。

2017年10月13日，欧空局ESA成功发射了专用于全球大气污染监测卫星Sentinel 5P，其搭载的传感器TROPOMI(对流层观测仪)成像幅宽达2 600 km，空间分辨率达7 km×3.5 km，性能得到了大幅度的提升。2018年至今，国内外陆续开展了Sentinel 5 TROPOMI产品的应用挖掘工作。GRIFFIN等[29]观测了加拿大油田的NO2排放，结果与飞机监测、地面监测和地面遥测结果之间的偏差仅为15%～30%。LORENTE等[30]分析了巴黎NO2浓度的时间变化特征，发现2018年的NO2排放量仅比2011年—2012年低了5%～15%，认为法国的减排任务十分艰巨。VAN DER等[31]发现了西伯利亚天然气管道沿线的高浓度NO2排放，并将其归咎于当地宽松的环保要求。2020年初，美国宇航局NASA发布了我国的NO2浓度变化图，直观展现了我国人类活动水平的剧烈改变对NO2浓度的决定性影响[32-33]。

李旭文等[34]对Sentinel 5 TROPOMI的应用进行了初步测试，认为其将开启大气环境遥感监测新的应用领域，可定位污染物来源地、识别污染重点地区。夏丛紫等[35]评估了Sentinel 5 TROPOMI的SO2产品在中国的适用性，发现数据明显偏高，也有研究认为卫星监测结果与地面观测结果存在较好的相关性[36]。总体而言，我国在大气污染卫星遥感硬件(包括卫星数量和传感器性能)能力上与国外还存在一定的差距，但在应用水平上与国外已处于并跑阶段。

3 船舶大气污染卫星遥感应用

从国际排放控制区和我国排放控制区的设立时间可以看出，国际上在船舶大气污染防治方面比我国早了近10 a。相应地利用大气污染监测卫星观测船舶大气污染物的研究进度也是如此。

3.1 国外研究进展

BEIRLE等[37]利用GOME维系那个数据估算得到斯里兰卡与印尼之间航路上的NO2排放量为10～73Gg/y，与船舶排放清单结果22～54Gg/y十分吻合。Richter等[38]利用SCIAMACHY卫星数据分析了红海和印度洋航线上的NO2浓度，与船舶排放清单结果吻合，尤其是红海航线。RUYTER等[4]利用GOME、SCIAMACHY、OMI和GOME-2卫星数据分析了地中海、红海、印度洋和中国南海4条航线上的NO2浓度变化，发现2003年—2008年的NO2浓度增加了62%～109%，而后在金融危机期间下降了12%～36%。BOERSMA等利用OMI卫星数据分析了欧洲海域2005年—2009年的船舶NO2排放情况，发现2005年—2008年排放增加了约15%，而2009年却降低了12%，结合船舶AIS数据发现主要是因为经济形势不好导致船速降低约30%。VINKEN等[39]利用OMI卫星数据计算了2005年—2006年波罗的海、北海、比斯开湾和地中海的船舶NOx排放清单，只比自下而上的船舶排放清单结果低了11%～15%。

荷兰的研究机构[40]对利用Sentinel 5 TROPOMI观察到疫情期间欧洲海域船舶NO2排放明显减少，与基于船舶AIS统计航运行情下降的结果吻合。GEORGOULIAS等[41]结合Sentinel 5 TROPOMI、船舶AIS数据和风速风向数据，分析认为该卫星可识别到海上具体船舶的NO2排放情况(图3)。

注：该船舶AIS轨迹(点)、风速风向(箭头)、基于AIS轨迹和风速风向预测的尾气带(十字)、NO2浓度(色斑，颜色越深则浓度越高)图3 Sentinel 5 TROPOMI监测到的某船舶尾气带Fig.3 The ship plume monitored by Sentinel 5 TROPOMI

3.2 国内研究进展

由于我国船舶大气污染物管控起步较晚，2016年后才有对船用燃油硫含量的限制要求，因此国内相关研究较少。李亚芳等[42]基于OMI对环渤海湾水域排放控制区SO2减排效益进行了分析，结果表明2016年—2019年SO2柱总量峰值逐年降低，并且高值区域逐渐减少，证明排放控制区的设立对大气质量保护具有积极作用。总体而言，我国船舶大气污染卫星遥感应用研究比国外明显滞后，Sentinel 5p TROPOMI等更先进的卫星遥感技术应用更是空白。

4 Sentinel 5p TROPOMI应用于船舶大气污染物排放控制区实施效果评估的展望

4.1 必要性

实施效果评估是船舶大气污染物排放控制区实施方案下一步调整的必要过程，并且已经在实施方案中做了明确要求。交海发[2018]168号文制定的船舶大气污染物排放控制区实施方案是一个阶段性政策，在硫氧化物和颗粒物排放控制要求中，明确提出了“适时评估船舶使用硫含量不大于0.1%m/m 的船用燃油的可行性，确定是否要求自2025 年1月1日起，海船进入沿海控制区使用硫含量不大于0.1%m/m 的船用燃油”。在氮氧化物排放控制要求中，明确提出了“适时评估船舶执行《国际防止船舶造成污染公约》第三阶段氮氧化物排放限值要求的可行性，确定是否要求2025 年1月1日及以后建造或进行船用柴油发动机重大改装的中国籍国内航行船舶，所使用的单缸排量大于或等于30 L的船用柴油发动机满足《国际防止船舶造成污染公约》第三阶段氮氧化物排放限值要求”。燃油硫含量限值从0.5%下降至0.1%和NOx排放标准从Tier II提升至Tier III，是管控要求的大幅度提升，必然会对航运业产生深刻的影响，实施效果评估十分必要。

传统的实施效果评估方式难以科学、准确支撑政策调整工作。传统的实施效果评估方式主要有两种，一种是自下而上的船舶大气污染物排放清单，另一种是港口或沿江城市空气质量的间接反映。船舶大气污染物排放清单方法理论上要求掌握每一艘船的燃油硫含量和实时的NOx排放数据，燃油硫含量可来自于海事局的燃油抽检结果统计，但是码头上的抽检结果无法代表实际航行中情况(航行期间违规使用高硫油的概率远大于靠泊期间)；NOx排放可根据船舶发动机参数和AIS活动水平计算获得(目前没有强制安装在线监测系统的要求)，由于AIS数据核验、风浪流/负载对实际功耗的影响、柴油/重油不同燃烧温度对NOx排放的影响等问题，使得该方法工作量大、数据处理复杂、结果不确定性大。港口或沿江城市空气质量改善的间接反映多有报道，但是改善程度不仅与管控要求和船舶数量有关，还与空气质量监测站与航线之间的位置、气象条件、背景空气质量等密切相关，评估结果因地、因时而异且只能给出定性的结论。

卫星观测技术的优势与船舶大气污染物排放控制区实施效果评估需求十分匹配。船舶大气污染物排放控制区覆盖我国领海和主要内河，实施效果评估的范围非常之大，卫星观测技术具有“站得高、看得远”的大范围观测优势，可以在同一时间监测整个船舶排放控制区内航线上的大气污染情况。实施效果评估需尽可能避免陆地排放源的干扰，卫星所在的地球同步轨道具有全球覆盖能力，可选择观测距离陆地较远的船舶航线作为代表。实施效果评估需要定量、客观的数据支撑，卫星观测得到的航线上SO2、NOx等大气污染物的下降趋势是最直观的证据。

开发卫星观测技术在船舶大气污染防治中的应用价值，追赶国际先进水平。通过梳理大气污染卫星遥感技术研究进展，可知我国的技术应用水平并不落后。通过梳理船舶大气污染卫星遥感应用研究进展，可知国外自本世纪初至Sentinel 5p卫星发射升空后就持续在研究，而我国几乎是空白，虽然有部分原因是我国管控政策出现较晚，但是也说明了我国在该领域研究前瞻性不足的问题。Sentinel 5p卫星是目前国际上最先进的大气污染遥感监测卫星，恰逢于我国船舶大气污染物排放控制区实施初期发射升空，对于该管控政策实施效果评估具有重要的价值且正当其时，有必要开展卫星观测技术在船舶大气污染防治中的应用研究，追赶国际先进水平。

4.2 可行性

卫星遥感数据具有可获得性。Sentinel 5p卫星是欧洲全球环境与安全监测系统项目——“哥白尼计划”的成员，秉承该计划的数据开放政策，政府机构、高校、企事业单位等均可通过官网下载制定时间和空间的卫星遥感数据。背后有全球顶级遥感专业团队的支持，自动处理原始的光谱数据，生产全球SO2、NO2等大气污染物浓度分布图，可直接用于船舶大气污染物排放控制区实施效果评估。

卫星遥感数据时间跨度上覆盖我国船舶大气污染物排放控制区实施的关键节点。根据交海发[2018]168号文制定的船舶大气污染物排放控制区实施方案，2018年前仅要求船舶靠港期间使用低硫油(硫含量限值为0.5%)，2019年后要求船舶在控制区内所有水域都是使用低硫油。虽然存在小比例的船舶违规使用高硫油的情况，但是可以预见2019年后控制区内航线上的船舶尾气SO2浓度会有很大程度的降低，2019年前后是关键节点。IMO全球限硫令，2020年后全球船用燃油的硫含量限值从之前的3.5%骤然下降至0.5%，可以预见包括我国沿海在内的航线上船舶尾气SO2浓度会有很大程度的降低，尤其是我国船舶大气污染物排放控制区之外的海域，2020年前后是关键节点。Sentinel 5p卫星发射于2017年，至今仍在服役，利用同宗同源的Sentinel 5p数据评估船舶大气污染物排放控制区实施效果，可避免不同卫星光谱通道设置差异对观测结果同一性的影响。

卫星遥感数据具有很强的挖掘潜力。2019年后船上可以装载硫含量超过0.5%的燃油(在控制区外可以合法使用)，可以评估船东在控制区内违规使用高硫油行为的侥幸心理；而2020年后硫含量超过0.5%的燃油供应量急剧减少，可以评估船东非法获取高硫油的情况。山东半岛以南的南北航线和南海航线距离陆地较远，是实施效果评估的绝佳区域；而近岸或内河航线区域的观测结果，可用于分析陆地排放源对水上大气污染的分担率。排放控制区内外观测结果的比较，可以在实施效果评估中剥离全球限硫令的贡献。

卫星观测技术的缺点对实施效果评估影响不大。相比地面观测结果，卫星观测结果存在空间分辨率低的缺陷，即便是最先进的Sentinel 5p卫星，空间分辨率也只能达到7 km×3.5 km。但是，该空间分辨率对于排放控制区范围来说已经足够，因为船舶在海上没有严格的固定航线，只有宽度较广、路径较优的大通道。相比地面观测结果，卫星观测结果容易受到云层的干扰。但是，Sentinel 5p卫星每天覆盖全球一次，即便是剔除了受到云层干扰的数据，也仍然有充足的数据分析年平均甚至月平均的变化趋势。

4.3 建议

充分发挥船舶大气污染卫星遥感对于船舶大气污染物排放控制区的效果评估作用，结合船舶大气污染物排放清单(自下而上统计船舶排放量)对于船舶大气污染物排放控制区政策的科学依据作用和船舶尾气遥测技术(高效精准识别高硫油船舶)对于船舶大气污染物排放控制区政策的落地保障作用[43-45]，可以形成一套覆盖政策、监管和评估三个环节的闭环技术集，有力支撑船舶大气污染物排放控制区政策。