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地表空污全解析!如何用衛星遙測技術監測,提升全球尺度觀測優勢?

111/04/29 瀏覽次數 364
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國立中央大學太空及遙測研究中心 林唐煌主任(影像來源:林唐煌主任)

由於溫室氣體對全球暖化的影響相當顯著,早期研究人員便已進行許多的研究且獲得相當具體之結論,但對於大氣氣膠的影響,因成份複雜且光學特性與微物理性質會隨著時間及空間變化頗大,氣膠輻射驅動力的估算目前不確定性還很大(圖一),氣膠的種類與成份辨識對於輻射效應的影響因此成為主要的研究重點。

不同種類氣膠混合的權重不同,對輻射驅動力造成的影響程度也不一樣,例如當大氣中的弱吸收氣膠粒子增多時,其大氣輻射驅動力由 0.85Wm-2 降為  0.25 Wm-2,由模式模擬結果顯示,氣膠內含物比例的不同(黑碳/有機碳)及地表反照率的差異,使氣膠源區和周圍區域存在著差異很大的水平梯度大氣加熱率改變量,可能影響局部環流之發展及造成輻射驅動力的改變。

若能得到近即時的氣膠種類、參數與輻射驅動力的空間分布,將可準確的模擬評估氣膠輻射驅動力對於區域氣候變化的效應,對於模式預報準確度及後續的因應措施將有相當的助益。
 

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圖一:與氣候相關之人為與自然輻射驅動力,1750-2011 年間。

高濃度細懸浮微粒不僅對健康造成影響還會誘發慢性病的發病率

大氣氣膠(懸浮微粒)不僅影響全球暖化與氣候變遷,亦危害人體健康,根據世界衛生組織(WHO)的統計,空氣污染造成全球每年約 700 萬人死亡,即全球每八位死者中,就有一位是因空氣污染而死亡。

而眾多空氣污染物中,細懸浮微粒(PM2.5)近年來已成為全球最關注之空氣污染物。懸浮微粒在環境科學中,特指懸浮在空氣中的固體顆粒或液滴,是空氣污染的主要物質。其中,直徑小於或等於 10 微米的懸浮微粒稱為可吸入懸浮微粒(PM10);直徑小於或等於 2.5 微米的懸浮微粒稱為細懸浮微粒。

若長時間暴露於高濃度細懸浮微粒的環境下,PM2.5 微粒會突破人體鼻腔絨毛及痰液的阻隔,順利進入支氣管以及肺泡,對健康造成影響,不僅會引發呼吸道疾病、肺癌和心血管疾病,更可能造成新生兒早產和影響認知系統的發展,及誘發慢性病的發病率,嚴重者將導致死亡。
 

大範圍觀測優勢的衛星遙測精準監測 PM2.5 污染物的分佈與特性

近年來亞洲地區大氣污染物(包含亞洲沙塵、生質燃燒、酸性污染物等)的長程輸送已受到相當廣泛的注意,臺灣位處於亞洲大陸東南隅,從地理與氣候條件來觀察正好位於東亞大氣污染物下風處及南亞生質燃燒傳送路徑之下風處,因此,不僅臺灣的空氣品質會受到衝擊(參閱圖二),區域環境與氣候也會受影響。

而為了有效維護民眾健康及生活環境品質,並釐清有害空氣污染物大氣時空及日夜變化對人體暴露之影響,針對環境 PM2.5 污染物的分佈與特性進行監測實屬必要,且已成為全球關注的重要議題,然受限於地面測站觀測點位與數量,此時具大範圍觀測優勢的衛星遙測便成為最佳選擇。
 

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圖二: 亞洲地區境外污染長程傳輸,包括大陸西北沙塵、東北工業區及東南亞生質燃燒對臺灣空氣品質影響之示意。

懸浮微粒觀測方式受限,單一衛星也無法滿足需求

國際上對於懸浮微粒的觀測方式主要有兩種,一為利用地面測站進行單點高精確度的量測,二是使用衛星資料對大範圍的氣膠資訊進行反演。由於地面測站為單點的量測,對於二維的空間分布則須仰賴衛星觀測提供,此亦為衛星之觀測優勢,然而空氣污染(大氣氣膠)在時間及空間的變化上分別具有生命週期短及範圍小的特性,如露天燃燒或沙塵暴等事件,這對現有的衛星觀測而言,難有單一衛星能滿足此需求。

因此,結合高空間解析度與高時間解析度的衛星觀測資料,基於影像融合技術來產製多元衛星高時、空解析觀測資料(圖三),則使衛星遙測成為最具有潛力以及實用性的先進環境監測科技。
 

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圖三:臺灣嘉義地區高時空影像融合之範例,2017/11/28。(a)參考時間點Himawari-8影像,(b)、(c)、(d)預測時間點Himawari-8影像,(e)參考時間點Landsat-8影像,(f)、(g)、(h)預測時間點融合影像。

氣膠種類與含量之率定的先進遙測技術

由於氣膠種類繁多,不同的氣膠有著不同的物理及化學特性,且其粒徑不同也對於輻射影響也有所差異,對此全球氣膠地面觀測網絡 AERONET(Aerosol Robotic Network)除了提供大氣各類氣膠參數之檢驗外,也可證實長期觀測之氣膠光學參數應用於氣膠種類辨識的能力。
該技術還針對一階導數進行正規化,並定義為正規化氣膠指數(Normalized Derivative Aerosol Index,NDAI),可大幅改善氣膠光學厚度在粒徑分布計算之影響,明確區分沙塵,生質燃燒(黑炭)及人為污染物(硫酸鹽與硝酸鹽)之粒徑分布。

氣膠光學厚度頻譜的二階導數則與折射指數(complex refractive index)之虛部相關,經正規化後可量化各類氣膠在散射與吸收之特性及其間之差異,並提供氣膠種類之區分辨識(參閱圖四),成為國際上首次之應用。
 

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圖四:多頻譜氣膠光學厚度(圖左)所計算之一階導數(粒徑分布,圖中)與二階(折射指數,圖右)在正規化前後之差異 (Lin et al., 2021)。

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圖五:應用衛星多頻譜氣膠光學厚度於全球沙塵(DS),生質燃燒(BB)及人為污染物(AP)氣膠種類、混合比例及 PM2.5 含量之辨識與估算,2016 年平均。

混合氣膠輻射驅動力常遭遇多類氣膠混合情形而影響分析

而目前雖可提供各類氣膠之輻射驅動力,但在實際應用上常遭遇多類氣膠混合之情形而無法準確地估算。因此得必需先率定沙塵(DS)、生質燃燒(BB)及人為污染物(AP)氣膠種類之混合比例(如圖六左),再配合近地表之短波(太陽)輻射通量(圖六右)即可精準地計算出區域或全球尺度氣膠輻射驅動力之空間分布,如圖七,以提供因人類活動造成的地表排放影響評估,作為後續減緩或防治參考。

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圖六:左圖為 MODIS 衛星資料應用 NDAI 於東南亞區域氣膠種類生質燃燒(BB)、人為污染(AP)、沙塵(DS)的辨識與混合情況的分布。右圖則為CERES所觀測之地表短波(太陽)輻射通量,2014/3/21。
 

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圖七:依據圖六所提供氣膠種類與混合情況,對應地表短波(太陽)輻射通量分別計算大氣層頂、大氣層及地表各類氣膠之輻射驅動力。圖中黑線代表粒徑大小之分布。

高濃度的 PM2.5  主要分布於亞洲與非洲地區,部分地區甚至為標準值的十倍

根據 2000~2015 年 MODIS 衛星資料所反演全球 PM2.5 的結果顯示,高濃度的 PM2.5  主要分布於亞洲與非洲地區(圖八右),部分地區的年平均甚至高達 100 μg/m3,約為標準值(10 μg/m3)的 10 倍,空氣污染的情形相當嚴重。此衛星觀測結果與世界衛生組織所公布因空氣污染致死的分布區域相互對應,其中亞洲與非洲地區超過 50% (圖八左)。

除濃度分布訊息外,衛星觀測亦可率定空污 PM2.5 之主要種類,如沙塵(DS)、生質燃燒(BB)及人為污染物(AP)等,對於中風、心血管、呼吸道等致病風險之探討與分析提供了更完整的訊息,凸顯了衛星觀測應用的潛能與價值。
 

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圖八:世界衛生組織所公布全球每年因空氣污染致死的分布區域(圖左),以及 MODIS 衛星所率定空污 PM2.5 之主要種類,沙塵(DS)、生質燃燒(BB)及人為污染物(AP)與濃度, 2000-2015 年平均(圖右)。

衛星遙測整合多元衛星觀測讓空污動態監測再升級

衛星遙測為一新興科技,具有全球尺度的觀測優勢以及高頻次低成本之實用效益,配合國際積極發展太空計畫,如能創新衛星遙測技術,整合多元衛星觀測在區域(或大尺度)空氣污染(PM2.5)與環境時空變化的動態監測,應可準確評估人類各項活動對於環境變遷、全球暖化、氣候變遷及環境空污風險暴露之主因和衝擊,為目前監測與拯救地球村的最佳選擇。

資料來源
  • IPCC, Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2013.
  •  Tang-Huang Lin*, Si-Chee Tsay, Wei-Hung Lien, Neng-Huei Lin and Ta-Chih Hsiao, 2021, Spectral derivatives of optical depth for partitioning aerosol type and loading, Remote Sensing, 13(8), 1544, https://doi.org/10.3390/rs13081544.
     
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