Überwachung des Dunstes in Xi'an mittels hyperspektraler Fernerkundungstechnologie

Mit der wirtschaftlichen Entwicklung und der beschleunigten Industrialisierung und Urbanisierung hat sich die Luftverschmutzung zu einem ernsthaften Problem entwickelt, das die Gesundheit und die sozioökonomische Entwicklung der Bevölkerung beeinträchtigt. In den letzten Jahren hat sich der Smog in meinem Land immer weiter ausgebreitet und verstärkt und zeigt einen explosionsartigen Trend. Im Jahr 2013 waren 25 Provinzen und über 100 große und mittelgroße Städte vom Smog betroffen, wobei die durchschnittliche Anzahl der Smogtage landesweit 29,9 Tage erreichte – der höchste Wert seit 52 Jahren. Smog ist in meinem Land zu einem ganzjährigen Phänomen geworden und dürfte noch Jahrzehnte andauern.

Zusammensetzung und Überwachung von Smog

Aerosole sind gemischte Dispersionssysteme, die aus kleinen Flüssigkeitspartikeln, kleinen Feststoffpartikeln oder einem Gemisch aus Feststoffen und Flüssigkeiten im kolloidalen Zustand bestehen. Sie sind Mehrphasensysteme, die aus Gasen gebildet werden und in der atmosphärischen Gasphase suspendiert sind. Nebel im Smog ist ein Aerosolsystem, das aus winzigen Wassertröpfchen oder Eiskristallen in der Luft besteht.Dunst ist ein Aerosolsystem, das aus nicht-wässrigen Substanzen in der Luft besteht, wie Staub, Schwefelsäure, Salpetersäure und organischen Kohlenwasserstoffen, und eine ernsthafte Bedrohung für die menschliche Gesundheit darstellt.Herkömmliche meteorologische Überwachungsmethoden erfassen die Entstehung und Veränderung von Dunst oft nicht präzise. Die Satellitenfernerkundung hingegen bietet Vorteile wie hohe Aktualität, große Abdeckung und hohe Auflösung, wodurch die Aerosolbedingungen schnell und großflächig überwacht werden können. Daher hat sie sich zu einem wichtigen Instrument für die großflächige Dunstüberwachung entwickelt.

Prinzipien und Methoden der Fernerkundungsüberwachung von Dunst

Aktuelle Forschung und Anwendungen der Fernerkundungstechnologie bei Dunst konzentrieren sich hauptsächlich auf die optische Dicke von Aerosolen (AOD), den Astigmatismuskoeffizienten, die Zusammensetzung, die vertikale Verteilung und Verfahren zur Dunstentfernung in Bildern bei dunstigem Wetter. Die AOD ist eine physikalische Größe zur Messung der grundlegendsten optischen Eigenschaft von Aerosolen und beschreibt deren Lichtdämpfung. Sie ist definiert als das Integral des Extinktionskoeffizienten des Aerosols entlang seines senkrechten Weges zur Strahlungsrichtung.

Die Fernerkundungsüberwachung von Dunst nutzt hauptsächlich Fernerkundungsdaten, um Daten wie die optische Dicke von Aerosolen zu gewinnen und den Zusammenhang zwischen der optischen Dicke von Aerosolen und der Dunstkonzentration zu analysieren.Zu den aktuell ausgereifteren Algorithmen zur Inversion der optischen Dicke von Aerosolen zählen vor allem: die Dunkelzielmethode, die auf der Beziehung zwischen dem mittleren Infrarotkanal (2,12 μm) und den roten (0,66 μm) und blauen (0,47 μm) Kanälen basiert, die Strukturfunktionsmethode, die auf der Oberflächenreflexion basiert, die Polarisations-Aerosol-Inversionsmethode (POLDER), die auf Polarisationsinformationen basiert, und der Tiefblau-Algorithmus, der auf der Reflexion im blauen Spektralbereich basiert usw.

CAS Xi'an Aerospace - Xi'an Aerosolkonzentrationsinversion

In der optischen Fernerkundung ist aufgrund der kürzeren Wellenlänge die Oberflächenreflexion im blauen Spektralbereich generell geringer, während die atmosphärische Reflexion und Streuung relativ größer sind. Daher wird die optische Dicke von Aerosolen üblicherweise durch Invertierung des blauen Spektralbereichs bestimmt.

In letzter Zeit traten in Xi'an häufig Smogprobleme auf, die die Wirtschaft der Stadt und das Leben ihrer Bewohner erheblich beeinträchtigten. Mithilfe der oben genannten Fernerkundungsmethoden überwachte und ermittelte das Xi'an Aerospace Team der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Aerosoldicke und -konzentrationsverteilung in Xi'an und erzielte die folgenden Ergebnisse:

CAS Xi'an Aerospace - Xi'an Aerosolkonzentrationsinversion

Wie aus der Abbildung ersichtlich ist,Die Aerosoldicke zeigte zu drei verschiedenen Zeitpunkten unterschiedliche Tendenzen, wobei die höchste Konzentration am 27. Dezember und ein Rückgang der Aerosoldicke am 3. Januar zu verzeichnen war, was eng mit der tatsächlichen Situation in Xi'an zusammenhängt.  

Dank kontinuierlicher technologischer Fortschritte und ihrer breiten Anwendung wird die Fernerkundungstechnologie im Bereich der Luftverschmutzung zunehmend an Bedeutung gewinnen. Insbesondere die Einsatzmöglichkeiten der Fernerkundung zur Überwachung von Dunst werden sich stetig erweitern. Mithilfe von Fernerkundungsdaten und -modellen lassen sich die räumlichen und zeitlichen Veränderungen sowie die Reichweite der Dunstbelastung umfassend bewerten und somit eine Grundlage für fundierte Entscheidungen schaffen.