西湖大學(xué)研究員張羽中：從大氣“看”新冠如何“改變”社會
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新冠疫情，對人類社會造成了方方面面的影響。究竟新冠爆發(fā)前后，我們的生活生產(chǎn)發(fā)生了怎樣的變化？其實，對大氣環(huán)境的觀測，可以從宏觀上作出一種解讀。
西湖大學(xué)工學(xué)院特聘研究員張羽中，近日跟佐治亞理工、哈佛大學(xué)、南方科技大學(xué)團隊合作，在大氣科學(xué)期刊Atmosphere上發(fā)表了NOx Emission Reduction and Recovery during COVID-19 in East China 一文。
前沿分享第三期，張羽中將給大家介紹他們的最新研究成果，帶大家從大氣“看”新冠疫情如何“改變”了社會。
新冠病毒（COVID-19）疫情的爆發(fā)無疑是2020年初的重磅事件。疫情除了對公共衛(wèi)生和醫(yī)療領(lǐng)域提出了嚴峻的挑戰(zhàn)外，也對社會經(jīng)濟活動造成了很大的沖擊。在疫情初期就有新聞報道，衛(wèi)星觀測顯示中國東部二氧化氮對流層柱濃度與往年同期以及疫情之前相比大幅降低，推測是疫情期間控制措施導(dǎo)致氮氧化物排放減少所致。
二氧化氮（NO2）是大氣中的污染氣體，主要來自于汽車和電廠的氮氧化物（NOx，即一氧化氮+二氧化氮）排放。氮氧化物排放的短期波動反映了城市交通和能源需求的變化。因而，快速準(zhǔn)確地定量特定區(qū)域內(nèi)氮氧化物的排放，不僅能為大氣環(huán)境污染提供排放源變化的信息，也一定程度上表征了經(jīng)濟活動的波動，對快速診斷諸如新冠疫情等突發(fā)事件對社會經(jīng)濟的影響具有參考價值。
值得注意的是，大氣化學(xué)成分的濃度和其排放并不是簡單的線性關(guān)系，還受到擴散、平流、沉降、轉(zhuǎn)化、去除等物理化學(xué)過程的影響，從而隨氣象、季節(jié)等因素而有明顯的變化。因而，僅通過衛(wèi)星測量的污染物濃度去推斷其排放會有很大的誤差。
我們與合作者開發(fā)了基于衛(wèi)星觀測的快速估計區(qū)域氮氧化物排放的算法：此方法將大氣化學(xué)傳輸模型與衛(wèi)星觀測結(jié)合，通過WRF-GC模型的模擬表征特定大氣物理化學(xué)過程和氣象條件影響下濃度和排放的關(guān)系，進而結(jié)合TROPOMI衛(wèi)星的二氧化氮觀測估計氮氧化物排放。我們計算了中國東部各省在2020年1月到3月初期間氮氧化物的排放變化，定量表征了疫情控制的影響和復(fù)工復(fù)產(chǎn)的進程。
我們發(fā)現(xiàn)，中國東部氮氧化物排放在春節(jié)和疫情控制期間降低了52%，降低幅度和持續(xù)時間均顯著大于通常的春節(jié)情形。2月中旬以來，氮氧化物排放逐漸恢復(fù)，但各地恢復(fù)程度和速率不一；比如，復(fù)工復(fù)產(chǎn)比較迅速的浙江省，到3月中旬，氮氧化物排放已恢復(fù)到年前的約90%。
2020年1月到3月期間TROPOMI衛(wèi)星觀測的二氧化氮對流層柱濃度分布（上）和解析得到的中國東部氮氧化物排放的時間序列（下）。
圖像來源：修改自R. Zhang, Y. Zhang, et al., 2020, Atmosphere, https://www.mdpi.com/2073-4433/11/4/433
基于類似的思路，我們最近也對美國最大的油氣盆地Permian盆地的甲烷排放做了分析。我們結(jié)合化學(xué)傳輸模型和衛(wèi)星大氣甲烷觀測作反演分析，首次基于衛(wèi)星觀測解析了約十公里分辨率的熱點區(qū)域甲烷排放的時空分布。
計算表明，這個盆地的油氣生產(chǎn)活動每年排放多達270萬噸的甲烷，遠遠大于其它有觀測記錄的美國油氣盆地（之前文獻報道的最高排放值為EagleFord盆地的73萬噸/年）。這不僅是資源的浪費（甲烷是天然氣的主要成分），也對氣候變化產(chǎn)生不利影響。甲烷是僅次于二氧化碳的重要溫室氣體；在二氧化碳減排基礎(chǔ)上進行甲烷減排被認為是達到《巴黎協(xié)定》氣候目標(biāo)的必要措施。
隨著衛(wèi)星技術(shù)的迅速發(fā)展，基于衛(wèi)星觀測在全球范圍內(nèi)監(jiān)測溫室氣體排放將成為全球溫室氣體減排行動的重要技術(shù)手段和驗證監(jiān)督平臺。
TROPOMI衛(wèi)星對美國最大的油氣盆地Permian盆地的甲烷柱濃度觀測（上）以及解析得到的Permian Basin甲烷排放的空間分布（左下）和時間變化（右下）。
圖像來源：修改自Zhang et al.,2020, Science Advances. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz5120
相比傳統(tǒng)的地基環(huán)境監(jiān)測手段，衛(wèi)星觀測覆蓋空間大、長期連續(xù)運行，能夠獲得區(qū)域甚至全球的大氣化學(xué)成分和相關(guān)參數(shù)的時空分布信息。利用被觀測物種的光譜特點，目前已經(jīng)實現(xiàn)了對二氧化氮、二氧化硫、臭氧、一氧化碳、甲醛、甲烷、二氧化碳、氣溶膠等大氣成分濃度的定量觀測。而對同一種被觀測物種，利用不同的觀測原理和軌道，衛(wèi)星觀測還能提供差異化的信息。比如，短波紅外觀測對整個空氣柱中的甲烷都敏感，而熱紅外觀測只對中上層大氣中的甲烷敏感——將兩者結(jié)合則可獲得一些甲烷垂直分布的信息。又比如，極軌軌道的衛(wèi)星觀測能夠在幾天內(nèi)覆蓋全球，但每次測量都只是瞬時的“快照”；而地球同步軌道衛(wèi)星雖無法覆蓋全球，卻能始終“盯”著一個區(qū)域，觀測污染的日間變化——這可以為相關(guān)污染生成演化提供重要的信息。
因為以上特點，近年來衛(wèi)星觀測在大氣區(qū)域污染、溫室氣體排放等環(huán)境研究領(lǐng)域日益受到重視，新的環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星計劃層出不窮。上文提到的兩個工作就是使用了2017年底發(fā)射、2018年初開始業(yè)務(wù)化運行的TROPOMI儀器的觀測數(shù)據(jù)。
衛(wèi)星大氣環(huán)境監(jiān)測：不同類型的觀測原理、觀測軌道和目前有應(yīng)用的大氣成分和參數(shù)。
圖像來源：修改自Presentation by Daniel J. Jacob, Satellites for environmental monitoring.
http://acmg.seas.harvard.edu/presentations/2019/bloomberg.pptx
新一代的大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，以前所未有的覆蓋率和分辨率，源源不斷地產(chǎn)生海量的觀測數(shù)據(jù)，為大氣環(huán)境、地球系統(tǒng)以及相關(guān)交叉學(xué)科的研究提供了激動人心的數(shù)據(jù)寶庫，也同時對如何分析數(shù)據(jù)提取有效信息提出了一系列新的挑戰(zhàn)。
其中一個思路是將大氣化學(xué)傳輸模型作為分析觀測數(shù)據(jù)的平臺。大氣化學(xué)傳輸模型顯式地模擬化學(xué)成分在大氣中的時空分布以及相關(guān)物理化學(xué)過程（包括人為和自然排放、水平和對流傳輸、邊界層湍流混合、干沉降、濕沉降、輻射吸收和發(fā)射、以及不同成分間的氣態(tài)、顆粒態(tài)和液態(tài)化學(xué)反應(yīng)），可以看成是對目前已知大氣化學(xué)知識的總結(jié)。
利用大氣化學(xué)模型作為分析、“同化”觀測數(shù)據(jù)的平臺，我們能在考慮物理原理和先驗知識的同時，利用觀測數(shù)據(jù)優(yōu)化模型中不確定的參數(shù)，從而加深對復(fù)雜大氣環(huán)境問題的理解。未來我們的研究將繼續(xù)在這個方向上作深入的探索。
大氣化學(xué)傳輸模型模擬影響大氣成分的物理化學(xué)過程，包括人為和自然排放、傳輸、沉降、輻射吸收和發(fā)射、以及氣態(tài)、顆粒態(tài)和液態(tài)的化學(xué)反應(yīng)等。
來自Strategic Plan for the U.S. Climate Change Science Program.
https://data.globalchange.gov/assets/2a/42/f55760db8a810e1fba12c67654dc/ccsp-strategic-plan-2003.pdf
注：本文轉(zhuǎn)載自西湖大學(xué)。
