新冠疫情影響下武漢市氣溶膠類型變化分析

韋 耿，侯鈺俏，查 勇

(南京師范大學地理科學學院，南京 210023)

0 引言

大氣氣溶膠定義為懸浮于大氣中，空氣動力學直徑多在0.001～100 μm的固態和液態顆粒共同組成的體系。氣溶膠可以通過直接輻射和間接輻射方式，對地球輻射的平衡以及氣候變化造成一定程度的影響[1-2]。此外，氣溶膠還會對人類生產生活造成危害，氣溶膠濃度值增高會導致大氣能見度下降，造成局地性甚至區域性危害[3-4]。由氣溶膠轉化形成的空氣動力學直徑小于10 μm(PM10)及2.5 μm(PM2.5)的顆粒物，是目前主要的大氣污染物，因其粒徑小、活性高、易攜帶重金屬和有害物質、滯留性強、傳輸距離遠等特點，會對人體的心血管和呼吸系統造成直接傷害[5-7]。我國在經濟發展的同時，城市化和工業化的快速化推進導致氣溶膠濃度值上升，最典型的事件就是霧霾天氣的頻繁出現，尤其在經濟發達、城市化工業化程度高的京津冀、長三角、珠三角地區[8-10]，由氣溶膠引發的大氣污染較為嚴重，引起了全社會持續而廣泛的關注，因此對氣溶膠展開相關科學研究具有重要意義。

氣溶膠對大氣的影響主要體現在其光學特性，傳統的氣溶膠光學參數獲取方式依靠地面監測設備，雖然其獲取的信息精度很高，但覆蓋面積較小，且氣溶膠濃度的空間變化性較大，因此地面監測無法提供大面積范圍內的有效信息[11]。衛星遙感技術具有觀測范圍廣、實時性強、分辨率高等優勢，并且和地面監測的相關性很高[12-14]，能夠很好地代替地面監測設備獲取區域的氣溶膠光學特性，因此已被廣泛運用于大氣顆粒物時空分布、大氣污染遷移和粒子特征等氣溶膠特性的監測及研究之中[15-16]。與SPOT，TM等衛星傳感器相比，MODIS傳感器通道多，動態性強、空間覆蓋廣、可靠性高[17]，其獲取的數據由美國航空航天局向全球每日免費發布，獲取非常便捷，因此MODIS數據成為目前應用最廣泛的衛星影像數據之一。一系列相關研究表明，MODIS數據在中國同樣能取得較好的實驗結果，張瑞芳等[18]利用MODIS氣溶膠產品對河南省大氣氣溶膠光學特性進行研究；施益強等[19]通過氣溶膠Level 2光學厚度產品分析了廈門市氣溶膠和空氣污染指數的季節性特征；鄔明權等[20]通過MODIS氣溶膠產品對北京市氣溶膠類型特性和變化趨勢做出分析；安曉丹等[21]通過MODIS氣溶膠產品分析了2014年華北地區秋收期間氣溶膠時空分布特征。

2020年初，新冠肺炎疫情在湖北省地區爆發，武漢市處于疫情中心。為保障人民的生命財產安全并防止疫情向外擴散，黨中央迅速做出精準決策，各級政府紛紛制定措施，社會各界物資力量涌入湖北，武漢也進入全面嚴格的封閉管理期，在各方不懈努力下，疫情得到有效控制。據國務院聯防聯控機制新聞發布會介紹，在新冠疫情影響期間，除關鍵醫療物資、能源、糧食、物流等重點關鍵領域之外，武漢市其余各類型企業均處于停工狀態。同時，武漢城市交通系統基本處于停運狀態。據央視新聞等媒體報道，截至2020年2月24日，湖北全省復工率尚低于20%，自3月11日有序復工復產以來，各生產生活秩序加快恢復，截至3月31日，武漢市復工率達到85.4%，4月17日則達到97%以上。由于各個系統行業都經歷停滯或嚴格管控狀態，武漢地區氣溶膠類型也勢必發生改變。本文利用地球觀測系統中Terra(上午過境)和Aqua(下午過境)兩顆衛星上搭載的MODIS傳感器獲取的氣溶膠產品(MOD04_3K、MYD04_3K)，獲取其中氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth,AOD)和精細模式分數(fine-mode fraction,FMF)數據，結合大氣顆粒物數據(PM10與PM2.5)，對武漢市在受新冠肺炎疫情影響下，進行全面嚴格的封閉管控及停工停產(以下稱管控停產)前后的氣溶膠類型特性和變化做出分析，為區域環境分析和大氣污染治理提供參考和幫助。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

武漢市是湖北省省會，地處中國中部地區，屬于典型的亞熱帶季風區。如圖1所示，武漢市地貌屬鄂東南丘陵經漢江平原東緣向大別山南麓低山丘陵過渡地區，中間低平，南北為低山丘陵。武漢市是重要的交通樞紐及工業基地，大氣污染問題較為嚴峻。

圖1 湖北省影像及武漢市范圍Fig.1 Image of Hubei Province and scope of Wuhan City

本文選取的研究時段為2019年12月1日—2020年4月30日，其中以2020年1月23日湖北省新冠肺炎疫情防控指揮部發布暫時關閉離漢通道、交通全面停運公告，進入嚴格管控停產狀態為第一個時間節點；因非城市地區未全面實行春節假期期間禁放煙花爆竹的規定，為排除部分區域可能因燃放煙花爆竹產生的大氣污染對管控停產期間數據產生影響，因此以2020年1月31日春節假期結束為第二個時間節點；以2020年3月11日湖北省新冠肺炎疫情防控指揮部發布以限制清單管理有序復工或繼續生產公告為第三個時間節點，將數據分為4個時間段，對比分析嚴格管控停產前、春節假期、節后持續停工和有序復工復產對當地大氣顆粒物和氣溶膠特性變化的影響，具體如表1所示。

表1 新冠疫情影響期間時間階段劃分Tab.1 Time stage division during COVID-19 epidemic situation

第三階段為春節假期過后持續管控停工的階段，是本文重點分析的時間段。往年該時間段，各地工人陸續返崗、工業企業恢復生產狀態，城市交通恢復正常運行秩序，因此搜集2017—2019年期間，以每年春節假期后第一天為起始日期，往后共40 d的大氣顆粒物與氣溶膠數據，與2020年疫情期間第三階段數據進行對比，分析因停工對當地大氣顆粒物和氣溶膠特性造成的影響，具體如表2所示。

表2 歷年第三階段劃分Tab.2 Division of stage III over past years

1.2 顆粒物數據

目前武漢市共有10個國控級空氣質量監測站點，大氣顆粒物質量濃度的每小時平均、日均數據均可通過中國生態環保部全國城市空氣質量實時發布平臺(http://106.37.208.233:20035/)獲取。本文通過獲取7個時段全部的數據，并分別對7個時段的數據進行篩選，計算全市每小時PM10與PM2.5的平均值。

1.3 氣溶膠數據

氣溶膠根據其來源可以分為自然來源與人為排放，自然來源主要是沙漠、海洋、火山噴發、植物燃燒等方面，人為排放則主要來自于化石燃料的燃燒。本文采用的數據是3 km空間分辨率的MODIS氣溶膠產品，MOD04_3K(Terra衛星搭載)和MYD04_3K(Aqua衛星搭載)，均采用最新的C6.1(Collection 6.1)處理級別算法。區域云層對衛星獲取氣溶膠數據有較強的干擾性，零星散點分布數據的參考性受到很大限制，兩顆衛星共同使用可增加觀測機會，從而得到更多有效數據組數。經篩選、剔除、幾何糾正后根據武漢市輪廓進行裁剪，從中獲取其中氣溶膠光學厚度和精細模式分數數據集。

AOD代表氣溶膠在垂直方向上的分布密度，FMF反映了細微粒AOD與總AOD的比值[22]，兩者均為無量綱單位。2019年12月—2020年4月期間武漢市AOD與FMF空間分布如圖2所示，AOD高值主要集中于人口密集的城市區域，低值則集中于遠離城市的山區及部分郊區。城市區域的FMF值同樣偏高，FMF低值則主要圍繞城市外圍分布。但北部山區卻出現FMF高值區，原因在于山區植被茂盛，冬春季節因氣候干燥可能引發山林火災或者因部分人為活動影響，并且入春后植物開始生長，生物排放細顆粒物增多[23]，導致北部山區FMF值偏高。

(a)AOD空間分布 (b)FMF空間分布

Barnaba等[24]提出將AOD與FMF結合對氣溶膠進行分類的方法，具體分類原理圖如圖3所示。將AOD<0.2且FMF>0.7的氣溶膠歸類為干潔海洋型，該類型氣溶膠的細顆粒占比較高，但光學厚度值較小，表明氣溶膠總濃度較低，受到人為排放影響較小，主要影響來自于海洋和季風作用；將AOD>0.3且FMF<0.6的氣溶膠歸類為沙塵型，該類型的氣溶膠受較大顆粒的沙塵影響較大；將AOD>0.2且FMF>0.8的氣溶膠歸類為城市/工業型，該類型氣溶膠受細微顆粒影響較大，細氣溶膠占總氣溶膠的比值較高；其余的則歸類為混合型，表示其他類型的氣溶膠經過一系列凝結、轉化反應后形成的混合型氣溶膠。

圖3 氣溶膠類型分類[20]Fig.3 Classification of aerosol types

2 疫情影響下的顆粒物和氣溶膠變化

2.1 顆粒物變化分析

顆粒物質量濃度日均值如圖4所示，各階段顆粒物濃度及氣溶膠參數見表3。

圖4 顆粒物質量濃度日均值Fig.4 Daily mean mass concentration of particulate matter

表3 新冠疫情各階段顆粒物質量濃度與氣溶膠參數平均值Tab.3 Mean mass concentration of particulate matter and mean value of aerosol characteristics in each stage of COVID-19 epidemic situation

春節后持續管控停產的第三階段期間，除必要物資的運輸、人員轉移和部分重要行業繼續運轉等情況外，城市交通和工業企業生產處于停滯狀態，人為大氣顆粒物排放量總體低于其他階段，與管控停產前的第一階段和春節假期期間的第二階段相比，PM10的質量濃度值分別下降42.1%和14.6%，PM2.5的質量濃度值分別下降39.2%和23.8%，管控停產對大氣顆粒物質量濃度值造成的降幅較大。另一方面，同樣是管控停產狀態，節后相比春節期間，顆粒物質量濃度值同樣有所下降，說明禁止燃放煙花爆竹的規定可以在一定程度上改善大氣污染，但春節期間并未出現重污染現象，可以看出武漢市有關禁放煙花爆竹的規定執行較好。第三階段與有序復工復產后的第四階段相比，PM10濃度值提高，原因在于由冬季進入春季后氣溫變暖，北方大陸解凍，加上氣候干燥和偏北風的影響，造成外源沙塵的擴散輸入[25]，導致PM10濃度值提高。同時PM2.5的濃度值則繼續下降，可以看出武漢市在有序復工復產的同時，對大氣污染的監管和治理也比較嚴格。

為進一步研究第三階段期間因管控停產所帶來的影響，選取往年“第三階段”的顆粒物數據進行對比(圖5和表4)。2020年第三階段與往年相比，PM10的質量濃度值分別下降50.4%，38.5%和31.3%，PM2.5的質量濃度值分別下降47.4%，23.1%和27.4%。從圖5可以看出，大氣顆粒物質量濃度值總體處于下降狀態，且逐年的重污染天氣現象的程度和出現頻率更低，說明武漢市制定大氣污染治理的相關管理條例在2017年至2019年期間已逐步取得成效，相關研究結果同樣可以說明這一趨勢[26]，2020年顆粒物質量濃度大幅下降主要是停工停產，導致排放源顯著降低。

(a)2017年 (b)2018年

表4 2017—2020年第三階段顆粒物質量濃度與氣溶膠參數平均值Tab.4 Mean mass concentration of particulate matter and mean value of aerosol characteristics in stage III from 2017 to 2020

2.2 氣溶膠參數變化分析

根據疫情期間4個階段數據的對比分析，由圖6與圖7可以看出，AOD值總體呈現上升趨勢，FMF值則總體呈現反“U”型變化，其中第二階段FMF值有較大幅度上升，且高值區基本分布在遠離城市的邊緣區域，原因在于春節期間部分區域煙花爆竹的燃放以及城市供暖的影響。第三階段受持續管控停產的影響，僅部分關鍵產業正常運作及必要人員物資的轉移輸送外，人為排放較低，且后期逐漸入春，AOD值則繼續處于上升趨勢。在有序復工復產的第四階段，AOD和FMF值均出現上升，AOD值上升比較明顯，FMF值上升則較小，此階段入春后，攜帶粗顆粒物的北方沙塵向南方擴散，且受到本地復工復產的影響，本地揚塵增多。從圖7中也可以得出相似結論，第二階段城市/工業型氣溶膠占比出現上升，對應燃放煙花爆竹以及城市供暖導致FMF值上升的趨勢；第三階段城市/工業型氣溶膠下降幅度較大，干潔海洋型和混合型氣溶膠占比則均有上升，對應人為排放減少后細氣溶膠占比下降的趨勢。第四階段混合型和干潔海洋型氣溶膠占比則出現下降趨勢，城市/工業型氣溶膠占比上升幅度較小，沙塵型氣溶膠占比則出現較大幅度的上升，表明該階段氣溶膠受春季沙塵天氣影響[27]，大氣中粗顆粒占比較高，與顆粒物濃度值變化趨勢一致。

(a)第一階段AOD平均值 (b)第一階段FMF平均值 (c)第二階段AOD平均值 (d)第二階段FMF平均值

圖7 新冠疫情各階段氣溶膠特性分類Fig.7 Classification of aerosol characteristics in different stages of COVID-19 epidemic situation

從圖8管控停產的第三階段與往年的第三階段氣溶膠參數的對比中可以發現AOD和FMF值均低于往年同期水平，并且除FMF值在2019年有小幅度反彈之外，AOD和FMF值均處于逐年下降的趨勢，說明大氣氣溶膠類型正在逐年改善，而停工帶來的下降幅度最為明顯，2020年第三階段相比于2019年的第三階段，AOD和FMF值分別下降25%和22%。圖9為2017—2020年第三階段氣溶膠類型分類。從圖9中可以看出，城市/工業型氣溶膠占比總體處于下降趨勢，混合型占比處于上升趨勢，與AOD和FMF的變化趨勢相對應。受人為排放量減少的影響，往年第三階段期間干潔海洋型占比均低于3%，城市/工業型占比均高于29%，2020年第三階段期間干潔海洋型占比則上升至13.4%，城市/工業型占比則降低至13.4%。相比往年各類氣溶膠占比變化總體趨于平穩，管控停產對城市/工業型氣溶膠的降幅，對干潔海洋型占比的增幅影響最為明顯。

(a)2017年第三階段AOD平均值 (b)2017年第三階段FMF平均值 (c)2018年第三階段AOD平均值 (d)2018年第三階段FMF平均值

圖9 2017—2020年第三階段氣溶膠特性分類Fig.9 Classification of aerosol characteristics in stage III from 2017 to 2020

3 結論

1)相比管控停產前，春節后持續管控停產期間大氣顆粒物PM10，PM2.5濃度值和大氣氣溶膠AOD，FMF值均出現下降趨勢，城市/工業型氣溶膠占比下降，干潔海洋型與混合型氣溶膠占比均有提高，并且與往年春節過后期間相比，其變化趨勢與管控停產前后的變化趨勢總體一致。春節期間因部分區域燃放煙花及城市供暖，導致城市/工業型氣溶膠有所提高，但節后停產期間其占比下降幅度較大。

2)在有序復工復產后AOD出現較大幅度提高，PM10濃度值和FMF均有提高，但PM2.5濃度值則繼續下降，在有序復工復產的同時，武漢市對大氣污染的嚴格監管和治理也在進行中。

3)與往年相比，大氣顆粒物濃度值和氣溶膠特性值總體呈下降趨勢，表明武漢市大氣污染治理已獲得成效，但管控停產期間各類大氣數值均呈較大幅度下降趨勢。MODIS產品能夠對評估區域氣溶膠特性提供有力依據支撐，并能夠對區域大氣環境評價及治理提供較好幫助。