专家观点 | 刘诚：基于卫星遥感的新冠疫情期间空气质量研究

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2020年第1期线上学术沙龙

“新冠疫情期间的空气质量”现场回顾

摘要

应中国科学院合肥物质科学研究院牵头的“空气中新型冠状病毒的高效样本采集和快速检测技术”攻关应急专题召集，中国科学技术大学研究团队将自主研发的大气环境立体遥感监测技术，应用在“新型冠状病毒疫情期间武汉的空气质量状况及病毒空气传播风险”的评估工作。此外，研究团队使用卫星反演数据分析了疫情前后的空气质量变化，并通过卫星反演数据量化了污染物排放与气象条件对污染物浓度变化的贡献。这些研究成果为我国大气污染防治工作提供了扎实的数据基础及科学依据，并从侧面体现了我国卫星遥感技术在科研设备、分析方法等方面的快速发展，有助于持续推进我国大气污染治理工作。

大气环境立体遥感监测技术在疫区的应用

疫情期间，中国科学院合肥物质科学研究院改装的疫区大气环境流动监测车平台集成了中国科学技术大学自主研发的大气环境立体遥感监测技术，有效的评估了新型冠状病毒疫情期间武汉市的空气质量与新冠病毒在空气中的传播风险。大气环境立体遥感研究技术有效弥补了当前国家空气质量监测网在垂直观测能力和空间覆盖范围上的不足。

基于立体遥感数据，研究团队分析了疫情期间武汉地区气溶胶、NO2、SO2和甲醛浓度的分布。整体上，各污染物浓度均大幅度降低，但部分地区出现高值。其中NO2和SO2高值出现在宝武武钢集团附近（提供电力需求），且因地处上风向，对城市空气质量影响较大；甲醛的相对高值则出现在医院及疫情较为严重的社区附近，这可能与消毒药物的使用有关，但其浓度仍远未达到危害人体健康的程度。

图1：研究团队及改装的疫区大气环境流动监测车

疫情期间基于卫星遥感反演数据的空气质量分析

基于自主研发的卫星遥感算法，研究团队发现欧洲官方SO2业务化产品显著高估了我国SO2浓度，破解了“武汉新冠疫情期间出现极高SO2浓度”的谣言（图2）。此外卫星遥感数据显示，2020年春节期间NO2浓度同比大幅度降低，但全国甲醛浓度同比上升。

针对武汉市开展进一步分析发现：较封城前相比，封城后武汉市PM2.5和NO2浓度都显著降低；但臭氧在封城早期（1月23日-2月1日）不降反升，在封城中后期（2月2日-3月4日）经历了“先下降后回升”的过程，该结果与地面国控站点的监测结果一致。

通过结合卫星遥感监测技术与气象场、前向轨迹模型，研究团队解析了武汉地区和高危场所排放气溶胶的大气传输潜力。研究发现，医院附近气溶胶监测浓度没有明显增高，证明医院的负压效果较好，没有显著的传输风险。值得一提的是，通过结合卫星遥感数据与深度学习算法，研究团队成功反演出云下PM2.5浓度，解决了多云气象条件下卫星监测困难的问题，完善了高时空分辨率PM2.5浓度地图的绘制方法，为大气污染治理工作提供了科学支撑。

图2：基于两套算法的TROPOMI卫星SO2柱总量结果差异性

另外，基于卫星遥感反演数据，研究团队进一步构建了广义相加模型，从数理统计角度量化了各地NO2、SO2、HCHO的排放与气象条件对污染物浓度变化的贡献。其中2020年武汉1月-3月的NO2、SO2浓度显著低于过去五年的同期平均值，且主要贡献缘于污染物减排。

近年来，卫星遥感技术在大气污染物监测领域得到应用且发挥了重要作用。2019年，我国高分辨率对地观测系统中的高分5号（GF-5）正式投入使用。高分5号是中国国内光谱分辨率最高的卫星，光谱分辨率达到0.5纳米，其主要应用于解析大气成分，定量监测我国及全球空气质量的时空演化，分析大气污染物的传输过程。国产卫星载荷遥感技术和分析方法的不断研发，将持续推进我国的大气污染治理工作，并为环境外交提供必要的数据支持。

【中国清洁空气政策伙伴关系 根据嘉宾演讲稿整理发布】

  以上图片来源：嘉宾演讲稿

专家简介

刘诚 教授

中国科学技术大学

中国科学技术大学精密机械与精密仪器系执行主任

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