COVID-19疫情不同階段管控措施對(duì)大氣污染物濃度的影響研究

李婷慧，蔡曉斌，董佳丹，陳 芳，陳曉玲*

(1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079；2.中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院，武漢 430077)

新冠肺炎作為一種席卷全球的突發(fā)性流行病，成為了新中國成立以來感染范圍最廣、傳播速度最快、防控難度最大的一次重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件[1].迄今為止，COVID-19疫情已對(duì)我國及全球的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人類活動(dòng)造成了前所未有的影響[2].由于我國實(shí)施了最為嚴(yán)格的管控措施，使得新冠疫情在現(xiàn)階段總體上得到了有效控制，相關(guān)的措施也成為了世界各國疫情防控最有效的參考模板[3].

為防范病毒蔓延、減少人員感染，在疫情發(fā)生的初期，以武漢市為代表的湖北省內(nèi)各城市率先采取了嚴(yán)格的管控措施[4-5]，隨后國內(nèi)疫情得到基本控制.然而，此后吉林市、北京市、大連市、烏魯木齊市、瑞麗市等地區(qū)相繼又出現(xiàn)了零星的新冠病毒感染病例.行之有效的預(yù)防管控措施使得后續(xù)疫情發(fā)生城市均未發(fā)生大規(guī)模的疫情擴(kuò)散事件[6].在減小疫病傳染風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，居家隔離、交通管制等管控措施對(duì)人類活動(dòng)也起到了明顯的抑制作用.交通出行會(huì)直接減少汽車尾氣排放，而汽車尾氣是CO、NO2和PM2.5等大氣污染物的重要排放源.同時(shí)，嚴(yán)格的人員流動(dòng)管控措施也使得大部分的工廠企業(yè)停工停產(chǎn)，而其中部分重化工企業(yè)及施工工地則是SO2、PM10等大氣污染中重點(diǎn)關(guān)注的污染源.在嚴(yán)格管控期間除了必要的生產(chǎn)生活外，交通管制、居家隔離等措施及其對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的影響，直接造成了人為大氣污染物排放量的減少.由于大氣中的污染物濃度受自然排放源與人為排放源兩者的綜合影響，對(duì)比疫情前后污染物濃度的變化，既可以用來分析疫情對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響[7-8]，也可以分析在保證人民群眾生產(chǎn)生活基本條件下人為減排對(duì)污染物濃度減小的極限.

COVID-19疫情影響下的大氣污染物濃度變化相關(guān)研究主要依靠衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)[9-14]，且側(cè)重于NO2濃度這一單一污染指標(biāo)[15].雖然衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有大范圍同步觀測的優(yōu)勢，但受云雨等因素的影響，其有效觀測結(jié)果的穩(wěn)定性受限.對(duì)于疫情管控時(shí)間較短的區(qū)域，衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)存在漏檢的可能.地面站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)雖然在空間上的代表性有限，但其持續(xù)穩(wěn)定的觀測能更好地分析大氣污染物的時(shí)序變化過程.此外，大氣中污染類型多樣，僅常規(guī)監(jiān)測的主要大氣污染物就包括6種.除了NO2外，CO、SO2、O3、PM2.5、PM10等污染物在疫情管控過程中的變化研究較少.與此同時(shí)，相關(guān)研究主要聚焦于疫情的集中爆發(fā)期，對(duì)于后續(xù)疫情的局部散發(fā)過程的管控影響分析鮮有涉及.

因而，本研究采用國控站點(diǎn)的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了疫情集中爆發(fā)期管控措施對(duì)湖北省內(nèi)6種主要大氣污染物濃度的影響過程.隨后，利用其中最為敏感的大氣污染物指標(biāo)，分析了后續(xù)局部散發(fā)區(qū)管控措施對(duì)大氣污染物濃度的影響.

1 數(shù)據(jù)與方法

本研究主要采用2015年1月—2020年9月我國1 456個(gè)國控站點(diǎn)的主要大氣污染物參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中CO、SO2、NO2、PM10、PM2.5采用站點(diǎn)的時(shí)報(bào)數(shù)據(jù)，O3則選取8 h滑動(dòng)平均數(shù)據(jù).在此基礎(chǔ)上，通過反距離權(quán)重法插值獲得我國6種大氣污染濃度的空間分布結(jié)果，并統(tǒng)計(jì)了新冠疫情爆發(fā)區(qū)和散發(fā)區(qū)內(nèi)的大氣污染物濃度均值變化過程.為減小氣溫、降水等季節(jié)性因素的干擾，厘清管控措施對(duì)大氣污染物的影響程度，以各月濃度前5年的均值作為參考，疫情期間各月均濃度相對(duì)于對(duì)應(yīng)月前5年均值的距離為判定指標(biāo)，疫情期間某月均值超出對(duì)應(yīng)月份前5年內(nèi)2倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍作為受管控措施顯著影響的標(biāo)準(zhǔn).

j=2015，2016，…，2019;k=1，2，…，6；

其中，cijk為j年i月第k種大氣污染物的濃度值，μik為2015年—2019年i月第k種大氣污染物濃度的均值.

j=2015，2016，…，2019;k=1，2,…，6；

其中，σik為2015年—2019年第i月第k種大氣污染物濃度的標(biāo)準(zhǔn)差.

考慮到大氣污染物濃度的自然波動(dòng)特征，將疫情管控期間第i月某種大氣污染物k濃度與μik的差異超出[-2σik，+2σik]的情況定義為顯著低于/高于往年同期水平，表明受管控措施影響顯著.

2 疫情期間湖北省6種大氣污染物濃度變化特征

2020年1月底湖北省內(nèi)各地市(除神農(nóng)架林區(qū))陸續(xù)封鎖出入交通，禁止人員隨意流動(dòng)，至4月8日武漢解除離鄂通道管控措施，標(biāo)志著湖北省內(nèi)疫情得到了基本控制，相應(yīng)管控措施逐步放開.由于湖北省為我國累計(jì)確診人數(shù)最多的省份，也是疫情初期的集中爆發(fā)區(qū)，其各地市均采取了最為嚴(yán)格的管控措施.其管控措施的持續(xù)時(shí)長也遠(yuǎn)長于后續(xù)疫情的零星病例散發(fā)區(qū)，因而大氣污染物排放受管控的影響也最為明顯.從長時(shí)序的分析結(jié)果來看(圖1)，疫情管控措施對(duì)6種大氣污染物濃度均有一定的抑制作用.除PM2.5在2020年4月份出現(xiàn)了略高于前5年均值的情況外，其他5種污染物濃度1月—9月的月均值都低于對(duì)應(yīng)月份前5年的均值(表1).SO2和NO2濃度近6年的最低月均值出現(xiàn)在疫情管控期間內(nèi)，其中SO2月均濃度最低值出現(xiàn)在管控措施剛開始實(shí)施的1月，而NO2月均濃度最低值則出現(xiàn)在疫情管控措施在省內(nèi)全面鋪開的2月.SO2的最低月均值濃度則分別為其前5年對(duì)應(yīng)月份均值的34.40%，為2020年非管控期間最低值的95.31%；NO2最低月均值濃度僅為前5年對(duì)應(yīng)月份均值的34.76%，為2020年非管控期間最低值的70.22%.

湖北省2020年1月—9月各月的NO2濃度值均為近年來同期最低值.1月底管控措施才剛開始實(shí)施，且NO2濃度變化往往會(huì)略滯后于污染物的減排過程，因而當(dāng)月并未出現(xiàn)顯著低于往年的結(jié)果[7].2、3、4月份NO2濃度則均顯著低于往年同期水平.其中，2020年2月份NO2濃度值僅為14.94 μg·m-3，相較于前5年2月均值下降了65.24%；3月份較前5年3月均值下降了59.57%；4月份則較同期均值下降了34.02%，可見限制非必要交通等最嚴(yán)格的管控措施使得2月份下降最為明顯.4月8日武漢解除離鄂通道管控，也標(biāo)志著湖北省生產(chǎn)生活逐步走向正?；?，至5月NO2污染物濃度有所恢復(fù)，復(fù)產(chǎn)復(fù)工對(duì)NO2濃度值有明顯的增量影響.對(duì)比湖北省2020年1月—5月NO2濃度分布圖與前5年對(duì)應(yīng)月份濃度均值分布圖(圖2)，可知較往年同期，2020年1月—4月NO2濃度下降明顯，5月份開始明顯回升.而SO2濃度僅1月份顯著低于往年同期水平.其他疫情管控月份雖未顯著低于往年同期水平，但2、3、4月仍較前五年對(duì)應(yīng)月份的均值下降了41.93%、37.30%，26.95%.

表1 湖北省2020年6種大氣污染物濃度值與2015年-2019年同期均值對(duì)比

圖1 2015年—2020年湖北省6種大氣污染物濃度時(shí)序變化圖 (圖中灰色范圍為2015年—2019年對(duì)應(yīng)月份均值2倍標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)間)Fig.1 The monthly concentration variation of six atmospheric pollutants concentration in Hubei Province from 2015 to 2020 (The gray bars in theFigure are two standard deviation envelope of the corresponding month mean of 2015 to 2019)

2020年1月—4月湖北省PM10濃度月均值都達(dá)到了近6年同期的最低值，2月份PM10濃度顯著小于往年同期水平，較前5年2月均值下降了57.02%.2020年1月—3月PM2.5濃度月均值均為近6年同期的最低值，但僅1月份PM2.5濃度顯著小于往年同期水平，較前5年1月份均值下降35.60%.

圖2 湖北省NO2濃度疫情月份與前5年對(duì)應(yīng)各月均值分布圖Fig.2 NO2 concentration maps of January to May in 2020 and the mean value of the previous five years in Hubei Province

疫情管控期間，雖然湖北省各月的CO和O3濃度均未出現(xiàn)顯著低于往年同期的情況，但疫情管控月份均低于往年同期均值.2020年1月和4月CO濃度值出現(xiàn)了近6年對(duì)應(yīng)月份的最低值.疫情管控開始的1月份CO濃度明顯下降，僅為前5年1月均值的34.74%.而管控結(jié)束前的4月份濃度為前5年1月均值的55.76%.而整個(gè)管控期間湖北省各月O3濃度均未達(dá)到近6年同期的最低值，但總體低于同期均值，1月—4月其濃度分別為前5年均值的72.56%、82.32%、68.42%、93.30%.

從湖北省6種大氣污染物的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，在交通限行、非必要產(chǎn)業(yè)停產(chǎn)停工等措施嚴(yán)格實(shí)施后，6種大氣污染物濃度都低于往年同期均值，說明長時(shí)間管控措施可以抑制人類活動(dòng).但NO2濃度受疫情管控措施的影響最為明顯，發(fā)生長時(shí)間、大幅度的下降，且產(chǎn)生突變的時(shí)間點(diǎn)與湖北省停產(chǎn)停工、復(fù)產(chǎn)復(fù)工的時(shí)間點(diǎn)相吻合.管控措施對(duì)于SO2、PM10、PM2.5和CO等大氣污染物部分月份濃度也有顯著影響.相比較而言，NO2對(duì)于人為管控措施的變化更為敏感，更適合分析后續(xù)小范圍、短時(shí)間的局部散發(fā)區(qū)管控措施下的污染物濃度變化分析.

3 新冠疫情局部地區(qū)散發(fā)導(dǎo)致的NO2濃度變化分析

在湖北省逐步進(jìn)入復(fù)產(chǎn)復(fù)工后，我國新冠疫情總體上得到了控制，但局部地區(qū)仍出現(xiàn)了部分零星病例，分別在吉林市、北京市、烏魯木齊市、大連市和德宏傣族景頗族自治州瑞麗市發(fā)生了局部散發(fā).隨著疫情防控意識(shí)的提高及政府防控經(jīng)驗(yàn)的積累，疫情發(fā)生局部散發(fā)過程呈現(xiàn)了時(shí)間短、范圍小的特點(diǎn).為了分析管控措施的影響，因此僅選擇6種大氣污染物中對(duì)人為管控措施最為敏感的大氣污染物NO2進(jìn)行分析.

2020年年初疫情爆發(fā)以來，吉林市2020年2、3月份NO2濃度下降明顯，且顯著低于往年同期(圖2a).集中爆發(fā)期結(jié)束后逐步復(fù)產(chǎn)復(fù)工后，NO2濃度值顯著提高，且高于前5年4月的均值.5月7日吉林省吉林市下轄舒蘭市新增1例本地新冠肺炎確診病例，新冠疫情在吉林市局部散發(fā)，吉林市內(nèi)實(shí)施了一系列管控措施.至6月7日，吉林市豐滿區(qū)、昌邑區(qū)、船營區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)調(diào)整為低風(fēng)險(xiǎn)，自此全國風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均調(diào)整為低風(fēng)險(xiǎn).此次疫情局部散發(fā)期間，吉林市NO2濃度于5月開始下降，2020年6月下降明顯，濃度顯著低于往年同期水平，較前5年6月均值下降21.25%.吉林市疫情結(jié)束后，7月NO2濃度上升，回到正常波動(dòng)范圍內(nèi).

2020年6月11日北京市新增1例新冠肺炎確診病例，市內(nèi)多地陸續(xù)升級(jí)為疫情中、高風(fēng)險(xiǎn).至7月6日，北京無新增確診病例，北京公共交通等逐步恢復(fù)正常.在此期間，北京市6月份NO2濃度顯著低于往年同期水平(圖2b)，較前5年6月均值下降32.14%，7、8、9月份濃度均未出現(xiàn)顯著低值.

圖4 各疫情局部散發(fā)區(qū)2020年與前5年NO2濃度差Fig.4 NO2 concentration differencesbetween 2020 and the mean value of the previous five years in the three epidemic areas

2020年7月15日，烏魯木齊市新增1例新冠肺炎確診病例，7月16日烏魯木齊啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，實(shí)施防控措施；8月16日之后烏魯木齊市無新增確診病例；9月1日，新疆宣布全面恢復(fù)正常生產(chǎn)生活秩序.在此期間，7月NO2濃度較6月有所下降，8月烏魯木齊市NO2濃度顯著低于往年同期水平，較前5年8月均值下降78.04%，9月恢復(fù)正常.

7月22日大連市新增1例新冠肺炎確診病例，11天后便實(shí)現(xiàn)了確診病例和無癥狀感染者零增長，25天后大連市各地降為低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū).9月12日瑞麗市發(fā)生輸入性疫情，21日解除城區(qū)居家隔離.面對(duì)大連市、瑞麗市的局部散發(fā)，政府反應(yīng)迅速，控制及時(shí)，兩地最終確診人數(shù)少、擴(kuò)散范圍小，兩地NO2濃度值均未出現(xiàn)顯著低于往年同期的情況.

管控期超過20天的吉林市、北京市、烏魯木齊市發(fā)現(xiàn)局部散發(fā)病例后，NO2濃度在管控期間均出現(xiàn)了顯著下降.吉林市6月NO2濃度較前5年6月均值下降21.25%，北京市6月NO2濃度較前5年6月均值下降32.14%，烏魯木齊市8月NO2濃度則較前5年8月均值下降78.04%.大連市和德宏傣族景頗族自治州由于確診病例擴(kuò)散范圍小、管控時(shí)間短，NO2濃度沒有顯著下降.

4 結(jié)論

我國疫情期間嚴(yán)格執(zhí)行限制出行、居家隔離等管控措施間接導(dǎo)致了大氣污染排放量的減少.從研究結(jié)果來看，防控措施對(duì)于除O3外的5種主要大氣污染物月均濃度均有明顯的抑制性影響，其中對(duì)NO2濃度的影響最為明顯.長時(shí)間采取防控措施的集中爆發(fā)區(qū)和零星散發(fā)區(qū)NO2濃度均出現(xiàn)了顯著的下降.

1) 從湖北省長達(dá)4個(gè)月的管控來看，總體上NO2、SO2、PM10、PM2.5和CO濃度均出現(xiàn)了顯著低于往年同期的情況.NO2濃度在整個(gè)疫情管控期間相對(duì)于往年同期的均值都明顯下降，2、3、4月份分別下降了65.24%、59.57%、34.02%.

2) 雖然在疫情管控期間湖北省內(nèi)O3濃度各月均值都低于前五年對(duì)應(yīng)月濃度的均值，但未出現(xiàn)顯著低于往年同期的情況.從側(cè)面說明，作為二次污染物的O3其變化機(jī)制復(fù)雜，通過簡單的管控措施顯著降低O3污染的難度較大.

3) 利用對(duì)管控措施最為敏感的NO2月均值濃度分析吉林市、北京市、烏魯木齊市、大連市、德宏傣族景頗族自治州瑞麗市5個(gè)疫情局部散發(fā)區(qū)的變化特征.其中管控時(shí)間超過20天的吉林市、北京市、新疆烏魯木齊市在其疫情管控期內(nèi)均表現(xiàn)出了NO2濃度的顯著降低.而疫情管控時(shí)間較短、確診人數(shù)少、擴(kuò)散范圍小的大連市、德宏傣族景頗族自治州瑞麗市則未出現(xiàn)明顯降低.