利用衛(wèi)星遙感NO2監(jiān)測結(jié)果分析COVID-19疫情對我國社會經(jīng)濟(jì)活動的短期影響

蔡曉斌，任永鵬，2，張 媛，李婷慧，陳 芳，董佳丹，陳曉玲*

(1.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； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.湖北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，武漢 430079； 4.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)

2019年12月底在武漢爆發(fā)的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)，經(jīng)過近2個月的擴(kuò)散傳播，截至2020年3月初中國大陸地區(qū)確診病例已超過8萬例，累計死亡人數(shù)超過3 000人.COVID-19病毒對我國廣大人民群眾的身心健康造成了嚴(yán)重的傷害.與此同時，為了最大限制地阻斷病毒的傳播途徑，自2020年1月23日起湖北省武漢市以及國內(nèi)其他受疫情影響地區(qū)逐步實(shí)施了“封城”、限制出行等防控措施.在嚴(yán)格執(zhí)行疫情防控措施的環(huán)境下，節(jié)后企業(yè)的復(fù)工復(fù)產(chǎn)相對于往年有所滯后，直接影響我國短期的社會經(jīng)濟(jì)活動.2020年2月中下旬以來，隨著疫情的逐步控制，社會經(jīng)濟(jì)秩序正在有序恢復(fù).除了疫情核心區(qū)的湖北省外，絕大部分省份的復(fù)工復(fù)產(chǎn)逐步展開.但目前疫情仍處于外防輸入內(nèi)防擴(kuò)散的狀態(tài)下，通過大規(guī)模的社會經(jīng)濟(jì)調(diào)查在短期內(nèi)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)以評價疫情對我國社會經(jīng)濟(jì)的總體影響是基本不具備可操作性的，因而有必要探索一種可行的監(jiān)測方法量化評估社會經(jīng)濟(jì)活動的短期變化過程.

NO2作為一種重要的污染氣體，也是我國環(huán)境保護(hù)部門重點(diǎn)關(guān)注的六種大氣污染物之一[1].NO2主要來源于城市交通及重化工業(yè)的排放、生物質(zhì)燃燒、土壤釋放以及閃電，其中冬季的NO2主要來自于人為活動的釋放[2].NO2最主要的人為排放源是內(nèi)燃發(fā)動機(jī)、火電廠的釋放.城市交通排放的汽車尾氣及能源密集型的鋼鐵、化工等重化工業(yè)的排放作為大氣中NO2的主要來源，能有效反映我國尤其是我國東部地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)活動變化.基于地面臺站的NO2監(jiān)測結(jié)果精度相對較高，但難以滿足大尺度的監(jiān)測需求，無法從宏觀上掌握污染物的時空變化規(guī)律[3].因此，對于分析疫情在全國尺度上的影響，基于遙感的監(jiān)測方法具有明顯優(yōu)勢.

從20世紀(jì)90年代以來，隨著人類對大氣環(huán)境的日益關(guān)注以及對地觀測環(huán)境衛(wèi)星的不斷涌現(xiàn)，Global Ozone Monitoring Experiment (GOME),Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography (SCIAMACHY ),Ozone Monitoring Instrument (OMI),Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI)等衛(wèi)星傳感器相繼被應(yīng)用到對流層NO2柱濃度的遙感監(jiān)測當(dāng)中[4-8].由于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在NO2污染時空變化規(guī)律分析上的優(yōu)勢，因此相關(guān)的數(shù)據(jù)被廣泛地應(yīng)用到我國京津冀、長三角、珠三角以及山東省等不同區(qū)域的環(huán)境污染監(jiān)測當(dāng)中[9-12].除了長時序的NO2污染規(guī)律分析外，也出現(xiàn)了針對2015年紀(jì)念抗戰(zhàn)勝利70周年大閱兵、APEC會議等重大事件對污染物排放影響的相關(guān)研究[13-14].同時，針對相關(guān)的經(jīng)濟(jì)問題，也有研究分析了美國國家尺度上經(jīng)濟(jì)衰退對NO2污染排放的影響[15].

綜合相關(guān)的研究來看，利用NO2污染濃度分析疫情爆發(fā)期間社會經(jīng)濟(jì)活動短期變化過程具有良好的應(yīng)用前景.本研究基于OMI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)通過建立標(biāo)準(zhǔn)化的NO2排污指數(shù)，嘗試分析了2020年NO2濃度的變化過程，量化研究了疫情對社會經(jīng)濟(jì)活動的潛在影響，并探討了利用污染物遙感監(jiān)測技術(shù)分析大尺度社會經(jīng)濟(jì)活動短期變化過程的可行性.

1 數(shù)據(jù)與方法

研究采用的主要數(shù)據(jù)為OMI衛(wèi)星傳感器遙感反演產(chǎn)品.OMI是2004年NASA發(fā)射的Aura對地觀測衛(wèi)星上搭載的高光譜大氣環(huán)境監(jiān)測傳感器.該傳感器由荷蘭、芬蘭及NASA聯(lián)合研制，包含UV-1、UV-2及VIS三個通道，幅寬2 600 km每日可以覆蓋全球[16].OMI主要的監(jiān)測目標(biāo)是包括O3、NO2、SO2、CH2O等多種痕量氣體.其中能有效反映NO2污染排放特征的對流層柱濃度產(chǎn)品主要基于405～465 nm可見光波段范圍內(nèi)的光譜信息，通過Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS)反演獲得.為了去減少云對監(jiān)測結(jié)果的影響，分析中采用Cloud-Screened的對流層柱濃度日產(chǎn)品，其空間分辨率為0.25°×0.25°(https://disc.gsfc.nasa.gov/datasets/OMINO2_V003/summary).由于云等因素影響，存在大量的數(shù)據(jù)空白區(qū).為了獲得相對有效的監(jiān)測結(jié)果，通過對每7日的日產(chǎn)品進(jìn)行均值合成，建立周尺度的監(jiān)測產(chǎn)品.考慮春節(jié)自身也會對社會經(jīng)濟(jì)活動的影響，客觀分析疫情的短期影響過程，以當(dāng)年春節(jié)為中點(diǎn)對比了2019年及2020年春節(jié)季(春節(jié)前3周到春節(jié)后7周，含春節(jié)周共計11周)的周均值產(chǎn)品進(jìn)行了對比分析.

為了量化分析特定區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)度變化，以當(dāng)年該區(qū)域節(jié)前最高的周均值濃度為參考，建立周尺度的標(biāo)準(zhǔn)化社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)，具體公式如下:

j=-3，-2，-1，0，1，…，7；k=2019，2020；

其中，SSEIijk為第k年第i個區(qū)域第j周的標(biāo)準(zhǔn)化社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)，Nijk為第k年第i個區(qū)域第j周的對流層NO2柱濃度均值，max(Nijk)為第k年第i個區(qū)域在春節(jié)季11周內(nèi)Nijk的最大值.

2 近兩年春節(jié)季我國整體對流層NO2柱濃度變化過程

通過對比近兩年春節(jié)季全國對流層NO2柱濃度周均值變化過程(圖1)，可以看到兩年春節(jié)季均呈現(xiàn)出節(jié)前逐步下降，節(jié)后逐步上升的變化趨勢.2019年NO2柱濃度增減過程轉(zhuǎn)換迅速呈V型，而2020年污染物的降低過程明顯更長，增減變化過程呈U型.2019年的周均最高濃度值出現(xiàn)在春節(jié)前第2周，其值為3.84×1015molecules·cm-2.2020年的最高值則出現(xiàn)在春節(jié)前第3周，其值為3.79×1015molecules·cm-2，為2019年周最高值的98.49%，因而節(jié)前整體的NO2污染水平基本相當(dāng).從兩年春節(jié)季的NO2柱濃度的最低值出現(xiàn)時段來看，2019年最低值出現(xiàn)在春節(jié)后第一周.NO2污染形成后需要一段時間稀釋、轉(zhuǎn)化、沉降，因此NO2的最低值常常會略滯后于污染物的減排過程，由于2019年春節(jié)假期造成的污染物減少使得節(jié)后第一周出現(xiàn)了NO2柱濃度的最低值.與2019年相比，2020年的最低值出現(xiàn)于春節(jié)后的第三周.從春節(jié)季周濃度的最低值來看，2020年的周最低值(1.28×1015molecules·cm-2)較同期2019年周最低值(1.69×1015molecules·cm-2)低0.41×1015molecules·cm-2，延長的污染物濃度減少過程以及濃度最低值的減小，應(yīng)與COVID-19疫情造成的影響直接相關(guān).圖2、圖3分別顯示了全國對流層NO2柱濃度分周遞減變化過程(2019年12月30日-2020年2月9日)及疫情后期的分周上升過程(2020年2月10日-2020年3月15日).此外，從其空間分布規(guī)律來看，其主要的高值分布區(qū)與我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的熱點(diǎn)區(qū)域基本吻合，京津冀、長三角以及珠三角地區(qū)均表現(xiàn)為NO2污染的高值區(qū).

3 疫情影響下的標(biāo)準(zhǔn)化社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)的時序變化

通過春節(jié)季標(biāo)準(zhǔn)化社會經(jīng)濟(jì)指數(shù)的計算，可以看出2019年春節(jié)季前第2周達(dá)到最高值，在春節(jié)后第1周迅速降低觸底，而春節(jié)后第3周迅速恢復(fù)至最高值的75.46%，隨后受短期氣象過程影響，保持在70%附近波動變化(見圖4).而2020年受疫情影響其指數(shù)最低值僅為0.34，較2019年低約0.10，且降低期持續(xù)時間更長.在2020年春節(jié)后第4周標(biāo)準(zhǔn)化社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)開始逐步恢復(fù)，并在春節(jié)后第7周到達(dá)最高值0.61，與2019年春節(jié)季同周該指數(shù)值僅相差0.10，因此可見雖然疫情對全國社會經(jīng)濟(jì)活動影響嚴(yán)重，但從第4周開始隨著防疫成效的逐漸顯現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)化社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)逐周上升，表明各地的社會經(jīng)濟(jì)活動正在穩(wěn)步恢復(fù).

圖3 2020年2月10日-2020年3月15日全國對流層NO2柱濃度遞增過程分周變化圖Fig.3 Increased weekly tropospheric NO2 column density of China from Feb 10th，2020 to Mar 15th，2020

圖4 近兩年春節(jié)季全國標(biāo)準(zhǔn)化社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)變化過程Fig.4 SSIE variation of China during the recent two Chinese New Year periods

為了掌握疫情對我國經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)區(qū)域的短期影響過程，研究同步分析了京津冀、長三角(含上海、江蘇、浙江、安徽)、珠三角(廣州、佛山、肇慶、深圳、東莞、惠州、珠海、中山、江門等九個城市)等三大城市群在2020年春節(jié)季的標(biāo)準(zhǔn)化社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)變化過程(見圖5).前期受疫情影響，珠三角地區(qū)減小最為顯著，其社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)急劇降至最高值的18.39%，而長三角及京津冀地區(qū)也分別降至最高值的22.99%和33.38%.珠三角地區(qū)降幅最大，可能與其對外來務(wù)工人員的依賴程度最高有直接關(guān)系.“封城”、限行等一系列的防疫措施使得返工潮明顯推后，珠三角地區(qū)在節(jié)后前幾周恢復(fù)有限.而京津冀地區(qū)作為三大城市群中最主要的重化工基地，其鋼鐵冶金、石化等支柱產(chǎn)業(yè)均為高污染、高能耗的資源型行業(yè)，對工廠生產(chǎn)的連續(xù)性要求高，因而社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)降幅也最小.京津冀地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)下降過程與全國平均的下降過程相似，在節(jié)后第4周后到達(dá)最低，而長三角地區(qū)的下降過程一直持續(xù)到春節(jié)后第4周.從后期的恢復(fù)過程來看，京津冀地區(qū)經(jīng)過四周其社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)已恢復(fù)至0.67，而長三角地區(qū)雖然晚一周開始恢復(fù)，到達(dá)節(jié)后第7周，其指數(shù)值也恢復(fù)至0.59.由于后幾周數(shù)據(jù)缺失，無法獲知珠三角地區(qū)后期社會經(jīng)濟(jì)活動的恢復(fù)情況，但從長三角地區(qū)和京津冀地區(qū)的情況來看，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的總體恢復(fù)狀況應(yīng)接近或略好于全國平均水平.

圖5 2020年春節(jié)季三大城市群標(biāo)準(zhǔn)化 社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)變化過程Fig.5 SSIE weekly variation of three metropolitans of China during the 2020 Chinese New Year period

4 結(jié)論與討論

基于OMI衛(wèi)星反演的對流層NO2柱濃度周合成結(jié)果，通過構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)，對比了2019年及2020年春節(jié)季的指數(shù)差異，發(fā)現(xiàn)疫情在短期內(nèi)對我國社會經(jīng)濟(jì)活動造成了顯著的影響.1) 疫情使得春節(jié)假期后的社會經(jīng)濟(jì)活動降低期延長了2～3周；2) 疫情導(dǎo)致社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)的最低值相對于正常年份下降了0.10；3) 從節(jié)后第三周開始我國整體的社會經(jīng)濟(jì)活動指數(shù)穩(wěn)步回升，到達(dá)節(jié)后第7周恢復(fù)至節(jié)前最高值的60.91%，京津冀、長三角等經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)區(qū)也顯現(xiàn)了類似趨勢.

鑒于常規(guī)的調(diào)研方法難以在短期內(nèi)獲取大范圍的社會經(jīng)濟(jì)活動變化信息，因而無法對疫情的社會經(jīng)濟(jì)影響范圍及程度進(jìn)行評估.基于大氣污染物NO2的遙感監(jiān)測結(jié)果提供了一種全新的量化分析方法，清晰地反映了疫情及春節(jié)假期對我國社會經(jīng)濟(jì)活動短期的抑制與恢復(fù)過程.當(dāng)然，由于不同區(qū)域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)存在差異，該指數(shù)僅能針對同一區(qū)域的時序變化過程進(jìn)行分析，且不同區(qū)域重化工業(yè)比重的差異對結(jié)果有一定的影響.此外，雖然春節(jié)季我國整體的降水有限，但大范圍的雨雪過程還是會造成有效監(jiān)測結(jié)果不足的問題.與此同時，由于監(jiān)測時段內(nèi)大氣污染物可能在小范圍內(nèi)隨大氣活動而發(fā)生移動，因而該方法主要適用于大尺度的分析.