COVID-19疫情不同阶段管控措施对大气污染物浓度的影响研究

李婷慧，蔡晓斌，董佳丹，陈 芳，陈晓玲*

(1.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430079；2.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，武汉 430077)

新冠肺炎作为一种席卷全球的突发性流行病，成为了新中国成立以来感染范围最广、传播速度最快、防控难度最大的一次重大突发公共卫生事件[1].迄今为止，COVID-19疫情已对我国及全球的社会经济及人类活动造成了前所未有的影响[2].由于我国实施了最为严格的管控措施，使得新冠疫情在现阶段总体上得到了有效控制，相关的措施也成为了世界各国疫情防控最有效的参考模板[3].

为防范病毒蔓延、减少人员感染，在疫情发生的初期，以武汉市为代表的湖北省内各城市率先采取了严格的管控措施[4-5]，随后国内疫情得到基本控制.然而，此后吉林市、北京市、大连市、乌鲁木齐市、瑞丽市等地区相继又出现了零星的新冠病毒感染病例.行之有效的预防管控措施使得后续疫情发生城市均未发生大规模的疫情扩散事件[6].在减小疫病传染风险的同时，居家隔离、交通管制等管控措施对人类活动也起到了明显的抑制作用.交通出行会直接减少汽车尾气排放，而汽车尾气是CO、NO2和PM2.5等大气污染物的重要排放源.同时，严格的人员流动管控措施也使得大部分的工厂企业停工停产，而其中部分重化工企业及施工工地则是SO2、PM10等大气污染中重点关注的污染源.在严格管控期间除了必要的生产生活外，交通管制、居家隔离等措施及其对工业生产的影响，直接造成了人为大气污染物排放量的减少.由于大气中的污染物浓度受自然排放源与人为排放源两者的综合影响，对比疫情前后污染物浓度的变化，既可以用来分析疫情对社会经济活动的影响[7-8]，也可以分析在保证人民群众生产生活基本条件下人为减排对污染物浓度减小的极限.

COVID-19疫情影响下的大气污染物浓度变化相关研究主要依靠卫星遥感数据[9-14]，且侧重于NO2浓度这一单一污染指标[15].虽然卫星遥感数据具有大范围同步观测的优势，但受云雨等因素的影响，其有效观测结果的稳定性受限.对于疫情管控时间较短的区域，卫星观测数据存在漏检的可能.地面站点监测数据虽然在空间上的代表性有限，但其持续稳定的观测能更好地分析大气污染物的时序变化过程.此外，大气中污染类型多样，仅常规监测的主要大气污染物就包括6种.除了NO2外，CO、SO2、O3、PM2.5、PM10等污染物在疫情管控过程中的变化研究较少.与此同时，相关研究主要聚焦于疫情的集中爆发期，对于后续疫情的局部散发过程的管控影响分析鲜有涉及.

因而，本研究采用国控站点的连续观测数据，对比分析了疫情集中爆发期管控措施对湖北省内6种主要大气污染物浓度的影响过程.随后，利用其中最为敏感的大气污染物指标，分析了后续局部散发区管控措施对大气污染物浓度的影响.

1 数据与方法

本研究主要采用2015年1月—2020年9月我国1 456个国控站点的主要大气污染物参数监测数据，其中CO、SO2、NO2、PM10、PM2.5采用站点的时报数据，O3则选取8 h滑动平均数据.在此基础上，通过反距离权重法插值获得我国6种大气污染浓度的空间分布结果，并统计了新冠疫情爆发区和散发区内的大气污染物浓度均值变化过程.为减小气温、降水等季节性因素的干扰，厘清管控措施对大气污染物的影响程度，以各月浓度前5年的均值作为参考，疫情期间各月均浓度相对于对应月前5年均值的距离为判定指标，疫情期间某月均值超出对应月份前5年内2倍标准差范围作为受管控措施显著影响的标准.

j=2015，2016，…，2019;k=1，2，…，6；

其中，cijk为j年i月第k种大气污染物的浓度值，μik为2015年—2019年i月第k种大气污染物浓度的均值.

j=2015，2016，…，2019;k=1，2,…，6；

其中，σik为2015年—2019年第i月第k种大气污染物浓度的标准差.

考虑到大气污染物浓度的自然波动特征，将疫情管控期间第i月某种大气污染物k浓度与μik的差异超出[-2σik，+2σik]的情况定义为显著低于/高于往年同期水平，表明受管控措施影响显著.

2 疫情期间湖北省6种大气污染物浓度变化特征

2020年1月底湖北省内各地市(除神农架林区)陆续封锁出入交通，禁止人员随意流动，至4月8日武汉解除离鄂通道管控措施，标志着湖北省内疫情得到了基本控制，相应管控措施逐步放开.由于湖北省为我国累计确诊人数最多的省份，也是疫情初期的集中爆发区，其各地市均采取了最为严格的管控措施.其管控措施的持续时长也远长于后续疫情的零星病例散发区，因而大气污染物排放受管控的影响也最为明显.从长时序的分析结果来看(图1)，疫情管控措施对6种大气污染物浓度均有一定的抑制作用.除PM2.5在2020年4月份出现了略高于前5年均值的情况外，其他5种污染物浓度1月—9月的月均值都低于对应月份前5年的均值(表1).SO2和NO2浓度近6年的最低月均值出现在疫情管控期间内，其中SO2月均浓度最低值出现在管控措施刚开始实施的1月，而NO2月均浓度最低值则出现在疫情管控措施在省内全面铺开的2月.SO2的最低月均值浓度则分别为其前5年对应月份均值的34.40%，为2020年非管控期间最低值的95.31%；NO2最低月均值浓度仅为前5年对应月份均值的34.76%，为2020年非管控期间最低值的70.22%.

湖北省2020年1月—9月各月的NO2浓度值均为近年来同期最低值.1月底管控措施才刚开始实施，且NO2浓度变化往往会略滞后于污染物的减排过程，因而当月并未出现显著低于往年的结果[7].2、3、4月份NO2浓度则均显著低于往年同期水平.其中，2020年2月份NO2浓度值仅为14.94 μg·m-3，相较于前5年2月均值下降了65.24%；3月份较前5年3月均值下降了59.57%；4月份则较同期均值下降了34.02%，可见限制非必要交通等最严格的管控措施使得2月份下降最为明显.4月8日武汉解除离鄂通道管控，也标志着湖北省生产生活逐步走向正常化，至5月NO2污染物浓度有所恢复，复产复工对NO2浓度值有明显的增量影响.对比湖北省2020年1月—5月NO2浓度分布图与前5年对应月份浓度均值分布图(图2)，可知较往年同期，2020年1月—4月NO2浓度下降明显，5月份开始明显回升.而SO2浓度仅1月份显著低于往年同期水平.其他疫情管控月份虽未显著低于往年同期水平，但2、3、4月仍较前五年对应月份的均值下降了41.93%、37.30%，26.95%.

表1 湖北省2020年6种大气污染物浓度值与2015年-2019年同期均值对比

图1 2015年—2020年湖北省6种大气污染物浓度时序变化图 (图中灰色范围为2015年—2019年对应月份均值2倍标准差区间)Fig.1 The monthly concentration variation of six atmospheric pollutants concentration in Hubei Province from 2015 to 2020 (The gray bars in theFigure are two standard deviation envelope of the corresponding month mean of 2015 to 2019)

2020年1月—4月湖北省PM10浓度月均值都达到了近6年同期的最低值，2月份PM10浓度显著小于往年同期水平，较前5年2月均值下降了57.02%.2020年1月—3月PM2.5浓度月均值均为近6年同期的最低值，但仅1月份PM2.5浓度显著小于往年同期水平，较前5年1月份均值下降35.60%.

图2 湖北省NO2浓度疫情月份与前5年对应各月均值分布图Fig.2 NO2 concentration maps of January to May in 2020 and the mean value of the previous five years in Hubei Province

疫情管控期间，虽然湖北省各月的CO和O3浓度均未出现显著低于往年同期的情况，但疫情管控月份均低于往年同期均值.2020年1月和4月CO浓度值出现了近6年对应月份的最低值.疫情管控开始的1月份CO浓度明显下降，仅为前5年1月均值的34.74%.而管控结束前的4月份浓度为前5年1月均值的55.76%.而整个管控期间湖北省各月O3浓度均未达到近6年同期的最低值，但总体低于同期均值，1月—4月其浓度分别为前5年均值的72.56%、82.32%、68.42%、93.30%.

从湖北省6种大气污染物的统计结果中可以看出，在交通限行、非必要产业停产停工等措施严格实施后，6种大气污染物浓度都低于往年同期均值，说明长时间管控措施可以抑制人类活动.但NO2浓度受疫情管控措施的影响最为明显，发生长时间、大幅度的下降，且产生突变的时间点与湖北省停产停工、复产复工的时间点相吻合.管控措施对于SO2、PM10、PM2.5和CO等大气污染物部分月份浓度也有显著影响.相比较而言，NO2对于人为管控措施的变化更为敏感，更适合分析后续小范围、短时间的局部散发区管控措施下的污染物浓度变化分析.

3 新冠疫情局部地区散发导致的NO2浓度变化分析

在湖北省逐步进入复产复工后，我国新冠疫情总体上得到了控制，但局部地区仍出现了部分零星病例，分别在吉林市、北京市、乌鲁木齐市、大连市和德宏傣族景颇族自治州瑞丽市发生了局部散发.随着疫情防控意识的提高及政府防控经验的积累，疫情发生局部散发过程呈现了时间短、范围小的特点.为了分析管控措施的影响，因此仅选择6种大气污染物中对人为管控措施最为敏感的大气污染物NO2进行分析.

2020年年初疫情爆发以来，吉林市2020年2、3月份NO2浓度下降明显，且显著低于往年同期(图2a).集中爆发期结束后逐步复产复工后，NO2浓度值显著提高，且高于前5年4月的均值.5月7日吉林省吉林市下辖舒兰市新增1例本地新冠肺炎确诊病例，新冠疫情在吉林市局部散发，吉林市内实施了一系列管控措施.至6月7日，吉林市丰满区、昌邑区、船营区风险等级调整为低风险，自此全国风险等级均调整为低风险.此次疫情局部散发期间，吉林市NO2浓度于5月开始下降，2020年6月下降明显，浓度显著低于往年同期水平，较前5年6月均值下降21.25%.吉林市疫情结束后，7月NO2浓度上升，回到正常波动范围内.

2020年6月11日北京市新增1例新冠肺炎确诊病例，市内多地陆续升级为疫情中、高风险.至7月6日，北京无新增确诊病例，北京公共交通等逐步恢复正常.在此期间，北京市6月份NO2浓度显著低于往年同期水平(图2b)，较前5年6月均值下降32.14%，7、8、9月份浓度均未出现显著低值.

图4 各疫情局部散发区2020年与前5年NO2浓度差Fig.4 NO2 concentration differencesbetween 2020 and the mean value of the previous five years in the three epidemic areas

2020年7月15日，乌鲁木齐市新增1例新冠肺炎确诊病例，7月16日乌鲁木齐启动应急响应预案，实施防控措施；8月16日之后乌鲁木齐市无新增确诊病例；9月1日，新疆宣布全面恢复正常生产生活秩序.在此期间，7月NO2浓度较6月有所下降，8月乌鲁木齐市NO2浓度显著低于往年同期水平，较前5年8月均值下降78.04%，9月恢复正常.

7月22日大连市新增1例新冠肺炎确诊病例，11天后便实现了确诊病例和无症状感染者零增长，25天后大连市各地降为低风险地区.9月12日瑞丽市发生输入性疫情，21日解除城区居家隔离.面对大连市、瑞丽市的局部散发，政府反应迅速，控制及时，两地最终确诊人数少、扩散范围小，两地NO2浓度值均未出现显著低于往年同期的情况.

管控期超过20天的吉林市、北京市、乌鲁木齐市发现局部散发病例后，NO2浓度在管控期间均出现了显著下降.吉林市6月NO2浓度较前5年6月均值下降21.25%，北京市6月NO2浓度较前5年6月均值下降32.14%，乌鲁木齐市8月NO2浓度则较前5年8月均值下降78.04%.大连市和德宏傣族景颇族自治州由于确诊病例扩散范围小、管控时间短，NO2浓度没有显著下降.

4 结论

我国疫情期间严格执行限制出行、居家隔离等管控措施间接导致了大气污染排放量的减少.从研究结果来看，防控措施对于除O3外的5种主要大气污染物月均浓度均有明显的抑制性影响，其中对NO2浓度的影响最为明显.长时间采取防控措施的集中爆发区和零星散发区NO2浓度均出现了显著的下降.

1) 从湖北省长达4个月的管控来看，总体上NO2、SO2、PM10、PM2.5和CO浓度均出现了显著低于往年同期的情况.NO2浓度在整个疫情管控期间相对于往年同期的均值都明显下降，2、3、4月份分别下降了65.24%、59.57%、34.02%.

2) 虽然在疫情管控期间湖北省内O3浓度各月均值都低于前五年对应月浓度的均值，但未出现显著低于往年同期的情况.从侧面说明，作为二次污染物的O3其变化机制复杂，通过简单的管控措施显著降低O3污染的难度较大.

3) 利用对管控措施最为敏感的NO2月均值浓度分析吉林市、北京市、乌鲁木齐市、大连市、德宏傣族景颇族自治州瑞丽市5个疫情局部散发区的变化特征.其中管控时间超过20天的吉林市、北京市、新疆乌鲁木齐市在其疫情管控期内均表现出了NO2浓度的显著降低.而疫情管控时间较短、确诊人数少、扩散范围小的大连市、德宏傣族景颇族自治州瑞丽市则未出现明显降低.