重大公共衛生事件影響下廣州氣溶膠分布變化

劉 銳，廖卉芃，楊衛軍，郭 亮，陳冬瓊

（1.廣東省國土資源技術中心，廣東 廣州 510075；2.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

衛星遙感是觀測地表活動情況的主要手段之一。在新型冠狀病毒肺炎等重大衛生公共事件發生時，政府需要通過科學信息快速判斷居家隔離等防控干預措施是否有效，而遙感能夠通過觀測地表人類活動變化情況，一定程度上反映疫情防控措施是否到位，為后續進行宏觀調控和防控決策提供科學依據。而在后疫情時期下，遙感還能夠輔助判斷人類活動恢復情況，為復工復產提供一定的科學信息。

大氣氣溶膠可用于監測地表活動情況，反映人類活動變化。氣溶膠粒子指大氣中直徑為0.001～10 μm的懸浮固液體微粒，是監測環境狀態的重要因子[1,3]。氣溶膠的來源分為自然來源和人為來源。自然來源包括森林植被的生物排放物、沙塵等；人為來源則包括汽車尾氣排放、工業排放等[1]。在自然來源的相對穩定的情況下，氣溶膠一定程度上能夠反映城市大氣環境情況[4]，間接反映人類活動的活躍程度。光學厚度能夠表示大氣渾濁程度，是氣溶膠的重要參數之一。

中分辨率成像光譜儀（MODIS）廣泛應用于氣溶膠光學厚度研究。 MODIS是美國宇航局搭建的地球觀測系統（EOS）中重要的大型遙感儀器之一，由太陽同步極軌環境遙感衛星Terra和Aqua裝載，其任務主要為觀測人類地表活動情況、全球生物及地球氣候環境等[2]。MODIS數據有36個波長在0.4～14.4 um間的光譜波段，包括可見光波段和紅外波段，獲取數據豐富。MODIS覆蓋全球，其空間分辨率在通道1和通道2為250 m；通道3至通道7為500 m；通道8至通道36為1 000 m，平均每1～2 d就能對獲取一次地表數據[2]。MODIS數據故而具有易獲取、覆蓋范圍廣、時間分辨率高的特點，在實時觀測地球、處理應急事件等方面的實用價值高。MODIS的通道1波長為0.620～0.670 μm，通道3波長為0.459～0.479 μm，其通道寬而帶窄，能夠有效修正遙感反演的氣溶膠受大氣氣體吸收的不確定性的影響，十分適合觀測地球氣溶膠特性[7]。

本研究基于MODIS影像數據反演獲得廣州市2020年1～4月的氣溶膠光學厚度氣溶膠光學厚度的分布情況，監測城市在重大衛生突發事件背景下的大氣環境變化，從環境遙感的角度探究傳染病疫情期間政府公共衛生管理的有效性和疫情階段性結束后城市活動的恢復情況。

1 研究方法

1.1 數據來源及范圍

目前公開的MODIS數據產品按數據處理級別分為6個等級，具體如表1所示。

表1 MODIS數據產品按數據處理級別

本研究采用了MODIS數據L1B級產品（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）?？紤]到云覆蓋過多會導致數據缺失情況嚴重，進而影響氣溶膠光學厚度反演結果，故選取了2020年1月至2020年4月的無云數據進行氣溶膠光學厚度反演和分析。

1.2 研究方法

本研究基于MODIS衛星遙感影像估算研究區域的地球表面反射率，結合廣州市的大氣氣溶膠特性以及地球表面反射率與大氣頂輻射亮度的關系，進行廣州市氣溶膠光學厚度反演，獲得2020年1～4月廣州市氣溶膠光學厚度的空間分布情況，具體技術路線如圖1所示。

圖1 氣溶膠光學厚度反演技術路線框架圖

1.2.1 大氣氣溶膠光學厚度反演

通過建立地球表面反射率與大氣頂輻射亮度的關系可對大氣氣溶膠光學厚度進行反演。假設地球表面是均勻的朗伯表面，且不考慮大氣吸收因素，則此時通過觀測得到的地球表面反射率為：

式中，ρ*代表通過遙感衛星獲得的地球表面反射率；ρa代表大氣反射率；μ代表太陽光入射的方向與地面法線間的夾角；φ代表太陽所在的方位與地平面的夾角；μ0代表衛星與觀測地連線之間的夾角；φ0代表衛星的方位角；T(μ0)代表太陽到地球表面的總透射率，T(μ)代表地球表面到衛星的總透射率；s代表大氣的邦德反照率，ρ為真實的地球表面反射率。

由于大氣頂的太陽輻射通量E可表示為：

式中，L代表觀測的輻亮度；τ代表光學厚度。

故而可得地球表面反射率與大氣頂輻射亮度的關系為：

因此，通過地球表面反射率可計算大氣頂輻射亮度，進而結合區域氣溶膠特性可獲得大氣氣溶膠光學厚度。

1.2.2 基于衛星遙感的地球表面反射率估算

暗像元法廣泛應用于基于衛星遙感的地球表面反射率估算，其原理為利用植被在紅光波段（MODIS通道1）和藍光波段（MODIS通道3）的反射率與波段的反射率相似的特點[8-9]，建立兩者之間的關系，其公式為：

式中，ρred為紅光的地球表面反射率；ρblue為藍光的地球表面反射率；ρ2.1為波段的地球表面反射率；δ為散射角；ξ可通過計算波段和獲得。

廣州市坐落在廣東省中南部地區，位于23°N，113°E，屬于海洋性亞熱帶季風氣候。本研究收集2020年1～4月的廣州市MODIS L1B影像數據產品，篩選出90%無云覆蓋的影像，并結合新冠肺炎疫情期間的關鍵時間節點，選取1月23日廣東省啟動重大公共衛生突發事件一級響應[6]及2月10日開始全面恢復生產活動前后的遙感影像，經過幾何校正、輻射校正、剔除云像元等預處理后，根據廣州市的地域特征，選擇城市型氣溶膠模式，通過6S輻射專屬模型構建查找表，反演氣溶膠光學厚度，并從時間維度和空間維度分析廣州市2020年1～4月氣溶膠光學厚度分布變化。

2 結果分析與討論

2.1 結果與分析

研究選取1月3日、1月31日、2月22日、2月24日、3月15日、4月9日、4月27日等7日的影像進行氣溶膠光學厚度反演，結果發現廣州市氣溶膠光學厚度值隨時間推進變化明顯（表1）。1月3日廣州市氣溶膠光學厚度均值為0.24，方差小于0.1，地區差異性較小。1月31日廣州市氣溶膠光學厚度均值為0.04，在8日影像中均值最低，且方差小于0.01，地區差異性非常小。氣溶膠光學厚度均值在2月22日重新增加至0.43， 此后氣溶膠光學厚度均值在0.41～0.99間波動，其中2月22日、4月9日和4月27日的方差均大于0.1，氣溶膠光學厚度地區差異較大。

表1 2020年1～4月廣州市氣溶膠光學厚度反演結果統計表

圖2反映了廣州市在2020年1月3日、1月31日、2月22日、2月24日、3月15日、4月9日和4月27日的氣溶膠光學厚度分布情況，圖中顏色越綠代表氣溶膠光學厚度值越低，顏色越紅則氣溶膠光學厚度值越高，黃色表示氣溶膠光學厚度值處于中間。從空間上來看，廣州市氣溶膠光學厚度有明顯的空間分布差異，總體呈現西北低東南高的態勢。

圖2 2020年廣州市氣溶膠光學厚度分布圖

從時序來看，1月3日廣州氣溶膠光學厚度值整體較低，特別是從化北部和增城北部，而花都西部氣溶膠光學厚度值相對偏高，但未超過0.73；1月31日廣州各區均為綠色，氣溶膠光學厚度值在0.04～0.23之間，與其他日期相比當日全市域的氣溶膠光學厚度值明顯偏低。2月22日，全市域氣溶膠光學厚度值上升，其中南沙沿海一帶氣溶膠光學厚度值較高，范圍在0.64～1.05之間，在地圖上呈黃色和橙色；與2月22日相比，2月24日大部分位于從化、增城、白云東部和黃埔北部的地區氣溶膠光學厚度值降低至0.48以下，花都、白云西部、番禺和南沙的氣溶膠光學厚度則以升高為主，氣溶膠光學厚度值在0.48以上。

進入春季以來，3月15日，城市氣溶膠光學厚度值總體增加，呈從北向南氣溶膠光學厚度值逐漸上升趨勢，除最北部小部分區域氣溶膠光學厚度值大于0.81之外，北部地區呈黃綠色，氣溶膠光學厚度值相對較低，主要在0.48～0.81之間；中部地區呈橙色，氣溶膠光學厚度值較高，主要在0.81～1.05之間；南部南沙區呈橙色和紅色，氣溶膠光學厚度最高，數值大于1.05；4月9日，廣州市大部分地區的氣溶膠光學厚度值繼續上升，與3月15日相比，當日城市大部分地區的氣溶膠光學厚度明顯增加且值較高，僅有部分從化北部區域的氣溶膠光學厚度值維持在相對較低的狀態；4月27日，城市大部分地區氣溶膠光學厚度值下降，北部從化和增城的大部分地區的值降到0.48以下，中部地區的氣溶膠光學厚度值主要在0.48至0.81之間，而南部南沙區部分區域氣溶膠光學厚度值大于1.05，保持在較高水平。

2.2 討 論

研究表明[4,9,11]，氣溶膠光學厚度與人為活動和地區工業化程度相關。本研究發現，與其他地區相比，從化、增城、白云東部和黃浦北部氣溶膠光學厚度較低，這是由于這些地區自然資源豐富，建成區較少，空氣中的氣溶膠微粒較少，城市中心城區人為活動活躍，人口和工業高度聚集，這些地區的氣溶膠光學厚度也通常較高。而南沙區，特別是南沙南部，由于處于沿海地區，海風帶來細微顆粒物，氣溶膠微粒增加，氣溶膠光學厚度更易升高。本研究結果顯示的廣州市氣溶膠光學厚度呈西北低東南高的空間分布總體特征，也與肖鐘湧等[[2]和宋巍巍等[4]研究結果一致。

結合時間序列重大社會事件來看，廣州市在1月31日的氣溶膠光學厚度氣溶膠光學厚度值明顯偏低，此時正值廣東省處于重大公共衛生事件一級響應狀態期間，城市大部分經濟活動停止，人口流動受到限制，汽車尾氣、工業氣體等人為氣溶膠來源減少，氣溶膠光學厚度值降低。結合廣州市1～4月新冠肺炎新增病例變化情況（圖3），防控干預手段實施后一個月內人為活動明顯減少，且疫情得到有效控制。2月22日以后廣州市氣溶膠光學厚度值總體增加，此時疫情基本得到控制，城市已進入復工復產階段，人為氣溶膠來源增加，氣溶膠微粒增多，同時，廣州3、4月份進入春季，空氣濕度增加，部分氣溶膠粒子吸收了空氣中的水分，氣溶膠光學厚度增大。4月底城市氣候逐漸向夏季過度，空氣濕度減少，氣溶膠光學厚度降低。

圖3 2020年1～4月廣州市新冠肺炎新增病例及全市氣溶膠光學厚度變化統計（新冠肺炎病例數據來源：廣州市衛生健康委員會）

通過本研究的探索，發現基于MODIS的氣溶膠光學厚度反演結果，能夠較好地反映當下的人為活動情況。在應對傳染病大流行等重大公共衛生突發事件，需要采取措施減少人群接觸，控制傳染途徑時，掌握氣溶膠光學厚度空間分布可幫助監測政府干預措施的執行情況，輔助政府決策和宏觀調控。在事件結束后，氣溶膠光學厚度空間分布可一定程度上反映城市運行情況，幫助評估復工復產是否有序進行。

衛星遙感手段與基站探測相比，優勢在于易獲取，成本低，更新速度快，氣溶膠光學厚度反演步驟相對簡單，且能夠獲取氣溶膠光學厚度的空間分布信息，更好地反映莫伊區域的大氣環境[4-5]。因此，通過MODIS數據快速獲得氣溶膠光學厚度反演成果是可行的。MODIS的速度優勢和成本優勢，使得快速監測城市人為活動情況，為應對應急事件提供科學信息成為可能。

3 結 論

本研究基于MODIS衛星遙感影像估算研究區域的地球表面反射率，結合廣州的大氣氣溶膠特性以及地球表面反射率與大氣頂輻射亮度的關系，進行氣溶膠光學厚度反演，獲得2020年1～4月廣州市氣溶膠光學厚度的空間分布情況。研究結果發現廣州市氣溶膠光學厚度空間分布總體特征為西北低、東南高。而全市1～4月的氣溶膠光學厚度變化反映出新冠肺炎疫情期間人為活動減少，防控措施到位。復工復產期間人為活動增多，城市逐漸恢復經濟活動。本研究表明，MODIS影像數據能夠滿足快速反演氣溶膠光學厚度，監測城市人為活動的應用需求，可為政府了解重大公共衛生突發事件下的城市運行情況，進行決策和調控提供科學信息支撐。未來可考慮延長觀測時間、提高影像精度，從微觀的角度探索通過氣溶膠光學厚度變化監測城市運行情況的方法和路徑。