COVID-19期間武漢地區(qū)GNSS水汽與霧霾相關(guān)性分析

朱玉香，陳永貴，安春華

（1.河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院，鄭州 451464；2.河南省科學(xué)院地理研究所，鄭州 451464）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)各地霧霾天氣頻發(fā)且冬季尤為嚴(yán)重，霧霾持續(xù)時(shí)間連年增長(zhǎng)且影響范圍逐漸擴(kuò)張，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也威脅民眾的身體健康，給社會(huì)發(fā)展和政府民眾的日常生活造成極的大不便。霧霾災(zāi)害主要是重工業(yè)長(zhǎng)期污染造成的結(jié)果，如何監(jiān)測(cè)治理霧霾污染，是全人類面臨急需解決的問(wèn)題之一[1-2]。2019年12月以來(lái)，湖北省武漢市部分醫(yī)院陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多例新型冠狀病毒（new coronavirus disease 2019,COVID-19）感染引起的急性呼吸道傳染病，給武漢地區(qū)造成“封城”、停工停產(chǎn)的影響，對(duì)比分析武漢地區(qū) COVID-19期間，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）水汽與霧霾的相關(guān)性，旨在為監(jiān)測(cè)治理霧霾氣候提供參考依據(jù)[3-4]。

20世紀(jì)80年代興起的GNSS氣象學(xué)，利用地基GNSS探測(cè)大氣中的水汽分布，這種方法具有時(shí)間分辨率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、局限小等特點(diǎn)，是監(jiān)測(cè)天氣和氣候變化的重要手段，對(duì)霧霾天氣的研究具有重要的作用[5-6]。文獻(xiàn)[7-9]最早對(duì)可吸入顆粒物展開(kāi)研究，歸納了直徑小于或等于2.5 μm的細(xì)顆粒物（particulate matter 2.5，PM2.5）的基本特征，發(fā)現(xiàn)離子及有機(jī)組成成分含量是最高的，驗(yàn)證了大氣可降水量（perceptible water vapor,PWV）與 PM2.5的相關(guān)關(guān)系；建立了PM2.5空氣質(zhì)量物理氣候模型。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)GNSS水汽與霧霾相關(guān)性也進(jìn)行了研究：文獻(xiàn)[10-13]利用主成分和相關(guān)性分析，研究了霧霾期間城市大氣污染因子時(shí)空分布特征、霧霾與氣象因素之間的關(guān)系等，說(shuō)明了霧霾形成發(fā)展同交通污染的關(guān)系密切且具有顯著的區(qū)域性特點(diǎn)，研究結(jié)果表明，霧霾天氣形成與GNSS水汽、相對(duì)濕度存在一定相關(guān)性的結(jié)論；文獻(xiàn)[14]對(duì)上海市2016年62 天的大氣中，污染物含量資料與天頂對(duì)流層延遲對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)大氣中每種污染物含量基本呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，天頂對(duì)流層延遲（zenith tropospheric delay, ZTD）隨著PM2.5含量增加而增大，夏季的PM2.5含量與氣壓、氣溫和相對(duì)濕度成正相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速、降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。目前，傳統(tǒng)的空間水汽探測(cè)手段主要有無(wú)線電探空儀、微波輻射計(jì)、衛(wèi)星雷達(dá)等，與這些傳統(tǒng)水汽探測(cè)方式相比，地基

GNSS氣象學(xué)探測(cè)水汽分布的方法具有時(shí)間分辨率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、局限小等特點(diǎn)，是監(jiān)測(cè)天氣和氣候變化的重要手段，對(duì)霧霾天氣的研究具有重要的作用[15-16]。近年來(lái)，學(xué)者對(duì)GNSS水汽與霧霾的相關(guān)性研究，都無(wú)法排除人為因素（如：工廠排放、汽車排放等）對(duì)霧霾造成的影響，因此，本文利用在COVID-19期間，武漢地區(qū)停工停產(chǎn)，

在盡可能排除了人為因素對(duì)霧霾天氣干擾的情況下，來(lái)驗(yàn)證GNSS水汽與霧霾的相關(guān)性。

1 地基GNSS反演ZTD、PWV的基本原理

基于 GNSS高精度數(shù)據(jù)處理軟件加米特（GAMIT）/格洛布克（GLOBK）獲取對(duì)流層天頂總延遲，結(jié)合氣象觀測(cè)資料和天頂靜力延遲計(jì)算模型，得到天頂靜力學(xué)延遲[16]，即

式中：φ為測(cè)站的緯度，單位為（°）；h0為測(cè)站海拔高度，單位為km；P為測(cè)站地面氣壓，單位為hPa；ZHD為天頂靜力學(xué)延遲，單位為 cm，此處采用薩斯塔莫伊寧（Saastamoinen）模型計(jì)算得到。天頂對(duì)流層延遲減去天頂干延遲可得到天頂濕延遲（zenith wet delay, ZWD），即

利用貝維斯（Bevis）公式計(jì)算出加權(quán)平均溫度Tm，進(jìn)而得到水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)Π。天頂濕延遲與水汽轉(zhuǎn)換系數(shù)相乘即可得到大氣可降水量[16]，即

式中：Π為無(wú)量綱轉(zhuǎn)換因子，此處取經(jīng)驗(yàn)值0.15[5]。

在地基GNSS反演ZTD、PWV的過(guò)程中：截止高度角設(shè)置為 10°；電離層模型采用為無(wú)電離層組合，映射函數(shù)采用在全球適用性較強(qiáng)的全球投影函數(shù)（global mapping function, GMF）模型；加權(quán)平均溫度采用Bevis模型；反演ZTD、PWV結(jié)果的時(shí)間分辨率為1 h，每天共計(jì)25組。

2 霧霾的基本特征與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 霧霾的基本特征

霧霾是霧和霾的統(tǒng)稱，是地表空氣中的懸浮顆粒物質(zhì)不同程度超標(biāo)而引起的一種大氣污染現(xiàn)象[13]?？諝赓|(zhì)量指數(shù)（air quality index, AQI）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無(wú)量綱指數(shù)，主要依據(jù)二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳、粒徑小于2.5 μm的顆粒物、粒徑小于10 μm的顆粒物6種主要污染物項(xiàng)目的濃度，來(lái)劃分空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別[14]。由《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》劃分的霧霾等級(jí)[15]如表1所示。

表1 AQI劃分霧霾等級(jí)

由表1可以看出，AQI的指數(shù)越小，空氣質(zhì)量越好，當(dāng)AQI指數(shù)小于等于50時(shí)，空氣質(zhì)量處于優(yōu)的狀態(tài)，當(dāng) AQI指數(shù)大于300時(shí)，空氣質(zhì)量處于嚴(yán)重污染的狀態(tài)。霧霾的形成受風(fēng)速、溫度、濕度和氣壓等多種復(fù)雜因素的共同影響[16]。PM2.5濃度是影響霧霾形成的主要因素，一次微粒和二次微粒是PM2.5的二大來(lái)源。一次微粒是大自然直接產(chǎn)生或人類活動(dòng)產(chǎn)生的氣溶膠顆粒，例如植物燃燒產(chǎn)生的碳黑粒子、工業(yè)活動(dòng)直接排放的粒子等。二次微粒是一次氣態(tài)污染物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的其他粒子，例如硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等。常用的PM2.5探測(cè)方法包括稱重法、射線吸收法、光散射法和微量振蕩天平法等[3]。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

為分析在COVID-19期間，武漢地區(qū)GNSS水汽與霧霾的相關(guān)性，借助中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（The Crustal Movement Observation Network of China, CMONOC）武漢站（WUHN）2020年年積日（day of year, DOY）第1—121天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及AQI、PM2.5數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，AQI、PM2.5數(shù)據(jù)由中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)下載，時(shí)間分辨率為一天[6]。

3 案例分析

3.1 AQI與PM2.5相關(guān)性分析

首先對(duì)中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)提供AQI與PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，2019年12月 1日至 2020年 4月 30日期間，AQI、PM2.5的時(shí)間序列如圖1所示。

圖1 AQI與PM2.5時(shí)間序列

由圖1可知：在2019年12月及2020年1月，武漢地區(qū)的AQI、PM2.5指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2020年2—4 月；AQI、PM2.5指數(shù)在2019年12月14日同時(shí)達(dá)到了序列中的最大值，分別是180、136 μg/m3，達(dá)到了中度污染水平，空氣質(zhì)量較差；總體來(lái)看，AQI、PM2.5的時(shí)間序列有著較好的一致性。圖2給出了AQI與PM2.5的線性關(guān)系圖。

圖2 AQI與PM2.5線性關(guān)系

由圖2可知：在2019年12月至2020年4月期間， AQI與PM2.5的相關(guān)系數(shù)為K=0.81，達(dá)到了強(qiáng)性相關(guān)，同時(shí)也表明了PM2.5是影響AQI指數(shù)的重要因素之一。

3.2 AQI與ZTD、PWV相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步分析空氣質(zhì)量指數(shù) AQI與 GNSS水汽ZTD、PWV的相關(guān)性，對(duì)比分析了武漢地區(qū)2020年1—4 月期間，AQI與ZTD、PWV相關(guān)關(guān)系，分析時(shí)的時(shí)間分辨率為1 h。由于2019年12月 WUHN站數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，故進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，不對(duì) 2019年 12月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 武漢地區(qū)2020年1—4 月AQI與ZTD關(guān)系對(duì)比

圖4 武漢地區(qū)2020年1—4月AQI與PWV關(guān)系對(duì)比

由于缺失武漢站（WUHN）缺少了2020年積日第 4天（2020-01-04）及 2020年積日第 96天（2020-04-05）的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此這兩天不參與AQI與ZTD、PWV對(duì)比分析。

由圖3可知，武漢地區(qū)在 2020-01-02—03、2020-01-13—14、2020-01-18—22期間，AQI指數(shù)超過(guò)了100，空氣質(zhì)量達(dá)到了輕度污染標(biāo)準(zhǔn)；2月份只有第5天、第25天這兩天的空氣質(zhì)量達(dá)到了輕度污染標(biāo)準(zhǔn)；3月份武漢地區(qū)空氣質(zhì)量達(dá)到了優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)；4月份第8天、第28天的空氣質(zhì)量達(dá)到了輕度污染標(biāo)準(zhǔn)；總體而言，武漢地區(qū)2020年2—4月份的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于 1月份的空氣質(zhì)量。通過(guò)線性回歸分析可得，到武漢地區(qū)2020年1—4月AQI與ZTD的相關(guān)系數(shù)分別是0.14、0.05、0.12、0.11，從數(shù)值來(lái)看，武漢地區(qū)2020年1—4 月AQI和ZTD無(wú)明顯線性關(guān)系。

通過(guò)線性回歸分析得到武漢地區(qū) 2020年 1—4月，AQI與PWV的相關(guān)系數(shù)分別是0.36、0.45、0.11、-0.31，在 2020年1—2月，武漢地區(qū) AQI指數(shù)與PWV有著一致的變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)正相關(guān)；2020年4月，武漢地區(qū) AQI指數(shù)與PWV呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，考慮到武漢地區(qū)冬季較干燥、燃?xì)馊∨仍蚴笰QI指數(shù)增加，PWV數(shù)值的少量增加，不可以改善空氣質(zhì)量。春季PWV數(shù)值的增加，增加了降雨量，改善了空氣質(zhì)量，使AQI數(shù)值下降，這是武漢地區(qū)2020年4月 AQI指數(shù)與PWV呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的原因。

3.3 PM2.5與ZTD、PWV相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步探究 PM2.5與 ZTD、PWV的相關(guān)關(guān)系，對(duì)比分析了武漢地區(qū)2020年1—4月PM2.5與ZTD、PWV相關(guān)關(guān)系，其結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 武漢地區(qū)2020年1—4月PM2.5與ZTD關(guān)系對(duì)比

圖6 武漢地區(qū)2020年1—4月PM2.5與PWV關(guān)系對(duì)比

通過(guò)線性回歸分析得到：2020年1—4月，武漢地區(qū)PM2.5和ZTD的相關(guān)系數(shù)分別是0.04、0.01、-0.85、0.01，從數(shù)值來(lái)看，武漢地區(qū)2020年1月、2月和4月的PM2.5和ZTD無(wú)明顯線性關(guān)系，而3月的相關(guān)系數(shù)為-0.85，說(shuō)明2020年3月武漢地區(qū)PM2.5與 ZTD具有強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，分析其原因是，春季ZTD的增加，增加了降雨量，改善了空氣質(zhì)量，使PM2.5值下降。

通過(guò)線性回歸分析可得，2020年1—4月，武漢地區(qū)的PM2.5與PWV的相關(guān)系數(shù)分別是0、0.01、

-0.15、0.60。在霧霾事件發(fā)生過(guò)程中，PWV隨PM2.5一起達(dá)到峰值；霧霾消散時(shí)，PM2.5濃度降低，PWV也隨之減小，二者整體變化趨勢(shì)一致，擬合效果較好，此時(shí)，PWV未達(dá)到峰值，會(huì)加劇霧霾天氣的形成。2020年 1月和 2020年 3月，在霧霾事件發(fā)生過(guò)程中，PWV與PM2.5無(wú)明顯線性關(guān)系，考慮到武漢地區(qū)在4月份恢復(fù)生產(chǎn)通行，大量污染物的排放，使霧霾事件發(fā)生頻率增加，空氣質(zhì)量變差。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)在 COVID-19期間武漢地區(qū)水汽與霧霾的相關(guān)性分析，可得到以下結(jié)論：

1）在2019年12月和2020年1月，武漢地區(qū)的 AQI、PM2.5指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 2020年 2—4月；AQI、PM2.5指數(shù)在2019年12月14日同時(shí)達(dá)到了序列中的最大值，分別是180、136 μg/m3，達(dá)到了中度污染，空氣質(zhì)量較差，AQI、PM2.5具有強(qiáng)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.81；

2）在 2020年 1—4月，武漢地區(qū)的 AQI與ZTD有著一致的變化趨勢(shì)，2020年2—4月的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于2020年1月的空氣質(zhì)量；

3）在 2020年 1—2月，武漢地區(qū)的 AQI指數(shù)與 PWV有著一致的變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)正相關(guān)，2020年 4月的 AQI指數(shù)與 PWV呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)；

4）在 2020年 1—4月，武漢地區(qū)的 PM2.5與ZTD之間的相關(guān)系數(shù)分別是 0.04、0.01、-0.85、0.01，即1月、2月和4月的PM2.5與ZTD之間無(wú)明顯線性關(guān)系，而3月的相關(guān)系數(shù)為-0.85，達(dá)到了強(qiáng)相關(guān)，分析其原因是降雨量的增加，改善了空氣質(zhì)量，使PM2.5值下降造成的；

5）在 2020年1—4月，武漢地區(qū)的 PM2.5與PWV的相關(guān)系數(shù)分別是 0、0.01、-0.15、0.60。在霧霾事件發(fā)生過(guò)程中，PWV隨 PM2.5一起達(dá)到峰值；霧霾消散時(shí)，PM2.5濃度降低，PWV也隨之減小，二者整體變化趨勢(shì)一致，擬合效果較好，此時(shí)，PWV未達(dá)到峰值，會(huì)加劇霧霾天氣的形成，GNSS反演的水汽，可為霧霾天氣監(jiān)測(cè)研究提供參考依據(jù)。

致謝：感謝中國(guó)地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)平臺(tái)和中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)提供了數(shù)據(jù)支持。