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(xué)地理科學(xué)學(xué)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(xué)直徑多在0.001～100 μm的固態(tài)和液態(tài)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(chǎn)生活造成危害，氣溶膠濃度值增高會導(dǎo)致大氣能見度下降，造成局地性甚至區(qū)域性危害[3-4]。由氣溶膠轉(zhuǎn)化形成的空氣動力學(xué)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(zhì)、滯留性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，會對人體的心血管和呼吸系統(tǒng)造成直接傷害[5-7]。我國在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，城市化和工業(yè)化的快速化推進(jìn)導(dǎo)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(xiàn)，尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城市化工業(yè)化程度高的京津冀、長三角、珠三角地區(qū)[8-10]，由氣溶膠引發(fā)的大氣污染較為嚴(yán)重，引起了全社會持續(xù)而廣泛的關(guān)注，因此對氣溶膠展開相關(guān)科學(xué)研究具有重要意義。

氣溶膠對大氣的影響主要體現(xiàn)在其光學(xué)特性，傳統(tǒng)的氣溶膠光學(xué)參數(shù)獲取方式依靠地面監(jiān)測設(shè)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(jiān)測無法提供大面積范圍內(nèi)的有效信息[11]。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有觀測范圍廣、實(shí)時性強(qiáng)、分辨率高等優(yōu)勢，并且和地面監(jiān)測的相關(guān)性很高[12-14]，能夠很好地代替地面監(jiān)測設(shè)備獲取區(qū)域的氣溶膠光學(xué)特性，因此已被廣泛運(yùn)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(jiān)測及研究之中[15-16]。與SPOT，TM等衛(wèi)星傳感器相比，MODIS傳感器通道多，動態(tài)性強(qiáng)、空間覆蓋廣、可靠性高[17]，其獲取的數(shù)據(jù)由美國航空航天局向全球每日免費(fèi)發(fā)布，獲取非常便捷，因此MODIS數(shù)據(jù)成為目前應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)之一。一系列相關(guān)研究表明，MODIS數(shù)據(jù)在中國同樣能取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，張瑞芳等[18]利用MODIS氣溶膠產(chǎn)品對河南省大氣氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行研究；施益強(qiáng)等[19]通過氣溶膠Level 2光學(xué)厚度產(chǎn)品分析了廈門市氣溶膠和空氣污染指數(shù)的季節(jié)性特征；鄔明權(quán)等[20]通過MODIS氣溶膠產(chǎn)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(chǎn)品分析了2014年華北地區(qū)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(qū)爆發(fā)，武漢市處于疫情中心。為保障人民的生命財產(chǎn)安全并防止疫情向外擴(kuò)散，黨中央迅速做出精準(zhǔn)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(jìn)入全面嚴(yán)格的封閉管理期，在各方不懈努力下，疫情得到有效控制。據(jù)國務(wù)院聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制新聞發(fā)布會介紹，在新冠疫情影響期間，除關(guān)鍵醫(yī)療物資、能源、糧食、物流等重點(diǎn)關(guān)鍵領(lǐng)域之外，武漢市其余各類型企業(yè)均處于停工狀態(tài)。同時，武漢城市交通系統(tǒng)基本處于停運(yùn)狀態(tài)。據(jù)央視新聞等媒體報道，截至2020年2月24日，湖北全省復(fù)工率尚低于20%，自3月11日有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)以來，各生產(chǎn)生活秩序加快恢復(fù)，截至3月31日，武漢市復(fù)工率達(dá)到85.4%，4月17日則達(dá)到97%以上。由于各個系統(tǒng)行業(yè)都經(jīng)歷停滯或嚴(yán)格管控狀態(tài)，武漢地區(qū)氣溶膠類型也勢必發(fā)生改變。本文利用地球觀測系統(tǒng)中Terra(上午過境)和Aqua(下午過境)兩顆衛(wèi)星上搭載的MODIS傳感器獲取的氣溶膠產(chǎn)品(MOD04_3K、MYD04_3K)，獲取其中氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth,AOD)和精細(xì)模式分?jǐn)?shù)(fine-mode fraction,FMF)數(shù)據(jù)，結(jié)合大氣顆粒物數(shù)據(jù)(PM10與PM2.5)，對武漢市在受新冠肺炎疫情影響下，進(jìn)行全面嚴(yán)格的封閉管控及停工停產(chǎn)(以下稱管控停產(chǎn))前后的氣溶膠類型特性和變化做出分析，為區(qū)域環(huán)境分析和大氣污染治理提供參考和幫助。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

武漢市是湖北省省會，地處中國中部地區(qū)，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)區(qū)。如圖1所示，武漢市地貌屬鄂東南丘陵經(jīng)漢江平原東緣向大別山南麓低山丘陵過渡地區(qū)，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(yè)基地，大氣污染問題較為嚴(yán)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(fā)布暫時關(guān)閉離漢通道、交通全面停運(yùn)公告，進(jìn)入嚴(yán)格管控停產(chǎn)狀態(tài)為第一個時間節(jié)點(diǎn)；因非城市地區(qū)未全面實(shí)行春節(jié)假期期間禁放煙花爆竹的規(guī)定，為排除部分區(qū)域可能因燃放煙花爆竹產(chǎn)生的大氣污染對管控停產(chǎn)期間數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，因此以2020年1月31日春節(jié)假期結(jié)束為第二個時間節(jié)點(diǎn)；以2020年3月11日湖北省新冠肺炎疫情防控指揮部發(fā)布以限制清單管理有序復(fù)工或繼續(xù)生產(chǎn)公告為第三個時間節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)分為4個時間段，對比分析嚴(yán)格管控停產(chǎn)前、春節(jié)假期、節(jié)后持續(xù)停工和有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)對當(dāng)?shù)卮髿忸w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(jié)假期過后持續(xù)管控停工的階段，是本文重點(diǎn)分析的時間段。往年該時間段，各地工人陸續(xù)返崗、工業(yè)企業(yè)恢復(fù)生產(chǎn)狀態(tài)，城市交通恢復(fù)正常運(yùn)行秩序，因此搜集2017—2019年期間，以每年春節(jié)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(shù)據(jù)，與2020年疫情期間第三階段數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析因停工對當(dāng)?shù)卮髿忸w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(shù)據(jù)

目前武漢市共有10個國控級空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)，大氣顆粒物質(zhì)量濃度的每小時平均、日均數(shù)據(jù)均可通過中國生態(tài)環(huán)保部全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時發(fā)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(shù)據(jù)，并分別對7個時段的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，計算全市每小時PM10與PM2.5的平均值。

1.3 氣溶膠數(shù)據(jù)

氣溶膠根據(jù)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(fā)、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(shù)據(jù)是3 km空間分辨率的MODIS氣溶膠產(chǎn)品，MOD04_3K(Terra衛(wèi)星搭載)和MYD04_3K(Aqua衛(wèi)星搭載)，均采用最新的C6.1(Collection 6.1)處理級別算法。區(qū)域云層對衛(wèi)星獲取氣溶膠數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的干擾性，零星散點(diǎn)分布數(shù)據(jù)的參考性受到很大限制，兩顆衛(wèi)星共同使用可增加觀測機(jī)會，從而得到更多有效數(shù)據(jù)組數(shù)。經(jīng)篩選、剔除、幾何糾正后根據(jù)武漢市輪廓進(jìn)行裁剪，從中獲取其中氣溶膠光學(xué)厚度和精細(xì)模式分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)集。

AOD代表氣溶膠在垂直方向上的分布密度，F(xiàn)MF反映了細(xì)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(qū)域，低值則集中于遠(yuǎn)離城市的山區(qū)及部分郊區(qū)。城市區(qū)域的FMF值同樣偏高，F(xiàn)MF低值則主要圍繞城市外圍分布。但北部山區(qū)卻出現(xiàn)FMF高值區(qū)，原因在于山區(qū)植被茂盛，冬春季節(jié)因氣候干燥可能引發(fā)山林火災(zāi)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(xì)顆粒物增多[23]，導(dǎo)致北部山區(qū)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(jié)合對氣溶膠進(jìn)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(xì)顆粒占比較高，但光學(xué)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(fēng)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(yè)型，該類型氣溶膠受細(xì)微顆粒影響較大，細(xì)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(jīng)過一系列凝結(jié)、轉(zhuǎn)化反應(yīng)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(zhì)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(shù)見表3。

圖4 顆粒物質(zhì)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(zhì)量濃度與氣溶膠參數(shù)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(jié)后持續(xù)管控停產(chǎn)的第三階段期間，除必要物資的運(yùn)輸、人員轉(zhuǎn)移和部分重要行業(yè)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等情況外，城市交通和工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)處于停滯狀態(tài)，人為大氣顆粒物排放量總體低于其他階段，與管控停產(chǎn)前的第一階段和春節(jié)假期期間的第二階段相比，PM10的質(zhì)量濃度值分別下降42.1%和14.6%，PM2.5的質(zhì)量濃度值分別下降39.2%和23.8%，管控停產(chǎn)對大氣顆粒物質(zhì)量濃度值造成的降幅較大。另一方面，同樣是管控停產(chǎn)狀態(tài)，節(jié)后相比春節(jié)期間，顆粒物質(zhì)量濃度值同樣有所下降，說明禁止燃放煙花爆竹的規(guī)定可以在一定程度上改善大氣污染，但春節(jié)期間并未出現(xiàn)重污染現(xiàn)象，可以看出武漢市有關(guān)禁放煙花爆竹的規(guī)定執(zhí)行較好。第三階段與有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)后的第四階段相比，PM10濃度值提高，原因在于由冬季進(jìn)入春季后氣溫變暖，北方大陸解凍，加上氣候干燥和偏北風(fēng)的影響，造成外源沙塵的擴(kuò)散輸入[25]，導(dǎo)致PM10濃度值提高。同時PM2.5的濃度值則繼續(xù)下降，可以看出武漢市在有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)的同時，對大氣污染的監(jiān)管和治理也比較嚴(yán)格。

為進(jìn)一步研究第三階段期間因管控停產(chǎn)所帶來的影響，選取往年“第三階段”的顆粒物數(shù)據(jù)進(jìn)行對比(圖5和表4)。2020年第三階段與往年相比，PM10的質(zhì)量濃度值分別下降50.4%，38.5%和31.3%，PM2.5的質(zhì)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(zhì)量濃度值總體處于下降狀態(tài)，且逐年的重污染天氣現(xiàn)象的程度和出現(xiàn)頻率更低，說明武漢市制定大氣污染治理的相關(guān)管理?xiàng)l例在2017年至2019年期間已逐步取得成效，相關(guān)研究結(jié)果同樣可以說明這一趨勢[26]，2020年顆粒物質(zhì)量濃度大幅下降主要是停工停產(chǎn)，導(dǎo)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(zhì)量濃度與氣溶膠參數(shù)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(shù)變化分析

根據(jù)疫情期間4個階段數(shù)據(jù)的對比分析，由圖6與圖7可以看出，AOD值總體呈現(xiàn)上升趨勢，F(xiàn)MF值則總體呈現(xiàn)反“U”型變化，其中第二階段FMF值有較大幅度上升，且高值區(qū)基本分布在遠(yuǎn)離城市的邊緣區(qū)域，原因在于春節(jié)期間部分區(qū)域煙花爆竹的燃放以及城市供暖的影響。第三階段受持續(xù)管控停產(chǎn)的影響，僅部分關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)正常運(yùn)作及必要人員物資的轉(zhuǎn)移輸送外，人為排放較低，且后期逐漸入春，AOD值則繼續(xù)處于上升趨勢。在有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)的第四階段，AOD和FMF值均出現(xiàn)上升，AOD值上升比較明顯，F(xiàn)MF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(kuò)散，且受到本地復(fù)工復(fù)產(chǎn)的影響，本地?fù)P塵增多。從圖7中也可以得出相似結(jié)論，第二階段城市/工業(yè)型氣溶膠占比出現(xiàn)上升，對應(yīng)燃放煙花爆竹以及城市供暖導(dǎo)致FMF值上升的趨勢；第三階段城市/工業(yè)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(yīng)人為排放減少后細(xì)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(xiàn)下降趨勢，城市/工業(yè)型氣溶膠占比上升幅度較小，沙塵型氣溶膠占比則出現(xiàn)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(chǎn)的第三階段與往年的第三階段氣溶膠參數(shù)的對比中可以發(fā)現(xiàn)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(yè)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(yīng)。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(yè)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(yè)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(wěn)，管控停產(chǎn)對城市/工業(yè)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(jié)論

1)相比管控停產(chǎn)前，春節(jié)后持續(xù)管控停產(chǎn)期間大氣顆粒物PM10，PM2.5濃度值和大氣氣溶膠AOD，F(xiàn)MF值均出現(xiàn)下降趨勢，城市/工業(yè)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(jié)過后期間相比，其變化趨勢與管控停產(chǎn)前后的變化趨勢總體一致。春節(jié)期間因部分區(qū)域燃放煙花及城市供暖，導(dǎo)致城市/工業(yè)型氣溶膠有所提高，但節(jié)后停產(chǎn)期間其占比下降幅度較大。

2)在有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)后AOD出現(xiàn)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(xù)下降，在有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)的同時，武漢市對大氣污染的嚴(yán)格監(jiān)管和治理也在進(jìn)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(chǎn)期間各類大氣數(shù)值均呈較大幅度下降趨勢。MODIS產(chǎn)品能夠?qū)υu估區(qū)域氣溶膠特性提供有力依據(jù)支撐，并能夠?qū)^(qū)域大氣環(huán)境評價及治理提供較好幫助。