專家用衛星遙感圖分析北京霧霾真的改善了!

雖然作為一個北京人可以用親身體驗為首都大氣的改善做一份證言,但是作為一個遙感科技工作者還是希望用“有圖有真相”的方式來表達更有意義。

地面觀測儀器通常能將儀器周邊的霧霾情況測量的比較精確,但是更大範圍就只能類推了。遙感衛星觀測的範圍比較大,但是畢竟不是直接接觸空氣,只是通過大氣反射的波譜來獲取信息。因此準確測量霾也挺困難的,比如雲、霧、霾之間的準確區分就不是很容易,正經的學術工作有很多論文等著。

對北京上空的大氣能見度進行分析,這個和普通老百姓的直觀感觀是最接近的,因為大家出門前看看是否需要戴口罩最簡單的方法就是拉開窗簾看看天空。

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數據組織

美國的TERRA/AQUA星座是一組非常有用的衛星,它們裝載的MODIS傳感器雖然空間分辨率不高但是好處是每天都能訪問地球上任何地方兩次(TERRA上午,AQUA下午)。因為霧霾是一個彌散性較均勻的現象,所以這樣的分辨率也就夠用了。

首先收集AQUA衛星

2012年(霧霾引發廣泛關注的那一年)和2017年的每日北京數據(設定在六環範圍),將每天的圖像數據進一步縮小成25像素x25像素的縮略圖,然後再排成20個一行的縮略圖表格,這樣一年的北京上空的情況就聚集在一張手機也能看的小圖上了。

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2012年每天

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2017年每天

雖然已經濃縮了數據,但是直接比較還是有點困難。

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排序

雲和霧霾都會導致圖像比正常地物偏亮,所以我們做一個排序,最亮的排前面,最暗的排後面。也就是前面是多雲或者霧霾重的,後面是比較晴朗的。當然這個只是一個對北京空氣能見度的一種簡單的評估(冬天和夏天的地表亮度也不同哦,因為太陽的照射角度有差別)。

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2012年每天

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2017年每天

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動畫

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這下可以一目瞭然地看出來了吧!2017年晴天多了很多

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中間值

如果用一年365天的中間值的像素來代表全年平均水平,那麼就可以用一張數字濾波後的圖像來代表全年的北京的平均影像。

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2012年

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2017年

動畫

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可以看到2017年北京的平均能見度顯著提高了。

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2011~2017

將製作的每年平均影像再做全圖亮度的平均,用一個單一的數值表示該年整個北京的平均灰度。把範圍擴大到2011~2017六年的跨度,然後製作成圖表:

專家用衛星遙感圖分析北京霧霾真的改善了!

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可以看到該數值序列在2015年之前穩定在高位,而2013年卻相對較低。這一點和網絡上對2013年的描述有差別,我反覆校對了圖像,覺得結論沒有問題。

後來我查證了一下2013年之所以在網絡記憶中印象深刻是因為該年霧霾重心移到了江蘇等地,引發了全國性的恐慌,而相對而言北京卻沒有其他年份嚴重,這大概是該年的小氣候導致的。

圖表上看到北京的霧霾在2016年已經有了很明顯的下降,而2017年在2016年的基礎上繼續下降,達到的目前的最低值。

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評論

這個實驗統計的是全年的平均水平,因此雖然北京2017年1月的逆溫現象導致嚴重的霧霾,但是全年平均下來,2017卻是最近幾年以來最好的一年。而且北京在2016已經有顯著的改善,但是大家卻不怎麼覺得,可能也是被2017年年初的短期惡化影響到了吧。

人類的記憶特點是對於特別突出的事件記得比較牢,而對於潛移默化的變化卻不敏感,因此通過數據分析把這樣的潛移默化突出出來還是挺有意義的。

另外《大氣十條》是2013年開始啟動的,為啥2014、2015年沒有好轉(按我這裡的圖表實際是變差了),而2016年開始急劇好轉了呢。我對政策關注得不是太緊,大家可以討論一下原因是什麼,2016年(或者2015年下半年)以後肯定有什麼重要的質變。

我能想到的一個可能性是北京煤改氣的進程

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