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卫星观测下海盐污秽调查

November 16, 2016 • Transient Thoughts

者或许记得已发表的专栏, 专注于遥控或全球监测影响输电线路可靠运行参数的进展, 如落雷密度、不溶性和可溶性污染水平、未降雨日、土壤含水量和电导率。不断有新的关于遥感的文献成果, 这些成果通常关注预测对健康产生影响的因素, 基于空气动力学当量直径小于2.5微米颗粒物 (PM2.5) 的密度或者过去测量的空气动力学当量直径小于10微米PM10的密度。PM10密度通常比PM2.5读数大两倍, 这有助于综合从地面标本收集来的新旧数据。其中一个典型的例子是从互联网搜索中国主要城市, 例如<上海PM2.5>进入PM2.5以及PM10实时传感器的密集网络。2015年期间, 190个城市地面有945个自动站点每小时进行报告。

Vet等.海盐干沉降大气环境93(2014)3-100全球图 单位: 千克/公顷/年, 1公顷=108平方厘米  卫星观测下海盐污秽调查 Screen Shot 2016 11 16 at 10

Vet等.海盐干沉降大气环境93(2014)3-100全球图
单位: 千克/公顷/年, 1公顷=108平方厘米

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早期基于卫星评估气溶胶密度的焦点是校准北美和欧洲地面PM2.5仪器测量的结果, 因此没有区别离子的不同。卫星利用大气的光学属性, 居高临下观测32或者更多波长, 包括450至870纳米, 然后调整光衰减情况下离子气溶胶效应的模型。例如, 人们意识到, 在尘土飞扬, 等值灰密水平很高的沙漠地区, PM2.5形成的气溶胶光学厚度是温带地区的5倍。14到16年前的卫星在高空经过时的分辨率通常为10x10公里。

S. Philip, R.V. Martin等.《全球性环境细颗粒物 化学成分的暴露评估》, Environmental Science & Technology, Vol. 48, pp. 13060-13068, 2014.  卫星观测下海盐污秽调查 Screen Shot 2016 11 16 at 10

S. Philip, R.V. Martin等.《全球性环境细颗粒物 化学成分的暴露评估》, Environmental Science & Technology, Vol. 48, pp. 13060-13068, 2014.

校准卫星估算的污染物, 如PM2.5、NO2、SO2或者NaCl浓度, 与电力公司选择绝缘子的经验进行对比的这一过程相对慢长。部分原因是卫星积累的测量数据库无法识别一些已知盐雾兼备的条件下需要增加漏电距离的靠近海岸的地区。为了对辨识度要求有更多的了解, IEC 60815导则 (IEEE标准1862甚至包括1000kV交流系统) 将海岸一公里以内的区域标注为污染 非常严重的E7等级污秽水平 (SPS), 将距离海洋三公里的区域标注为污染 严重的E5等级污秽水平。纬度每一度之间约111公里, 0.01度的精确度应该能辨识污秽区域。再次列举中国的另一个最佳案例, 2015年INMR国际会议的内容中, 可以看到污秽等级的详细分布图。图中标出, 一些玫瑰色的区域是极重度污染的城市和工业区, 但大多数这类区域在山东沿海。
卫星获取的年平均PM2.5分布图, 微克/平方米, 分辨 率1km, 蒙特利尔岛, 2009年平均值(Wang和Chen, Science of the Total Environment, 2016)。  卫星观测下海盐污秽调查 Screen Shot 2016 11 16 at 10

卫星获取的年平均PM2.5分布图, 微克/平方米, 分辨 率1km, 蒙特利尔岛, 2009年平均值(Wang和Chen, Science of the Total Environment, 2016)。

很容易获取当前估测的PM2.5卫星图, 例如, 在谷歌地图上以.kmz格式获取, 但没有显示出海边PM2.5的大幅增加, 这是一项重要的差异。卫星图也显示绝缘子老化快的地区不应该有问题, 例如南非库贝赫绝缘子污秽测试站。显然, 行业经验是可靠的参考, 而卫星数据中必定有遗漏的数据。近期在解决这一问题的方面已经有了进展, 即NaCl的特异性及更高的分辨率。加拿大环境部Robert Vet主持的研究提供了对全球所有重要导电离子 (, )、海盐和PH值的沉降化学及沉降物的评估。

加拿大哈利法克斯达尔豪斯大学的另外一项研究没有采用Vet使用的地面取样标本, 而是研究卫星观测的PM2.5的化学成分。结果发现, PM2.5组分中的海盐比例很少, 约1%, 相比之下, 69%不溶性组分 (矿物灰尘, 炭黑, 有机灰尘), 30%为通常造成绝缘子闪络的罪魁祸首, 即硫酸盐, 硝酸盐和铵盐。下图显示了沿海地区浓度升高, 但仍缺失某些数据。1微克/立方米的NaCl峰值水平是40, 小于次要的无机气溶胶密度, 而无机气溶胶浓度是硫酸盐, 硝酸盐和铵盐密度的总和。

菲利普曲线上的物理分辨率反映了0.1x0.1度的像素尺寸, 相当于45°纬度11x8公里的区域。这也许不足以分辨现有绝缘子污秽图中现场污秽等级高企的地区, 但这也是变化迅速的区域。最近发表的研究报告测量了加拿大蒙特利尔的气溶胶光学厚度, 表明沿主要道路的PM2.5 水平升高。靠近主要道路架设输电线路的惯例表明, 电力公司接受的污染量或许是附近距道路有一定距离的污染量的三倍。

当改进的1x1公里空间分辨率与分离离子的新技术相结合时, 我们可能更清晰地了解海盐在绝缘子的选择中所起的关键作用, 这是迄今为止卫星观测结果仍然缺乏的。

Dr. William A. Chisholm

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