中国抗击新冠期间大气NO2剧减的主要原因：人类活动还是自然气象条件？
近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院、火灾科学国家重点实验室双聘教授李锐及其合作者利用现代卫星遥感、数值模型及交通大数据等研究手段，量化揭示了2020年新冠疫情期间人类活动和气象条件变化对大气污染物二氧化氮（NO2）浓度分别的影响，成果发表于国际著名学术期刊National Science Review（影响因子16.96）上。
NO2是大气中最主要的污染物之一，不仅对人体呼吸系统有损害，还会加剧酸雨、对流层臭氧和二次气溶胶的生成。在城市地区，NO2主要来源于机动车尾气、工业废气以及能源工厂的排放。这些人类活动很大程度上决定了大气当中NO2的浓度。然而大气边界层高度、太阳光照强度、大气温度、湿度、风速等气象因素也强烈影响着大气中NO2及相关污染物的生成、降解、稀释和传输，因而也对大气NO2浓度有重要影响。从观测的角度上看，人类活动和气象要素分别对NO2浓度变化的贡献很难确定，这也是阻碍我们准确理解大气NO2的时空变化规律、制定精准的污染控制措施的主要困难之一。
在2020年初，为对抗新型冠状病毒，中国实施了严格的交通禁令和隔离措施。省际、城间交通运输基本被截断，在城市内部，除了基本必需品的购买和医疗活动外，绝大多数人都居家自我隔离，这些措施极为有效地阻断了病毒的传播。而从科学研究的层面，这些措施为我们提供了一次前所未有、极大规模的人类活动影响空气污染物浓度的敏感性试验。
图1：（a）卫星观测到的2020年春节后一个月大气NO2浓度相对于2017年同期的差异；（b）人类活动造成的差异；（c）气象条件造成的变化；（d）统计模型的误差
该研究团队首先分析了卫星观测的2020年春节前后中国地区NO2浓度相对于2019, 2018和2017年同期的显著差异；然后选取了影响NO2浓度的关键气象变量，利用历史数据建立多元气象统计模型，成功模拟了2017、2018、2019年等稳定人类活动排放强度下的NO2变化；在假设人类排放不显著改变的情况下，估算了2020年新冠疫情期间大气NO2浓度；最后量化揭示了人类排放、气象条件对大气NO2分别的控制作用。
研究结果显示，针对新冠疫情的交通禁令和隔离措施等对大气NO2柱浓度的降低比实际的卫星观测结果还要更显著。2020年春节后一月和2017年同期相比，卫星观测的中国163个主要污染城市NO2柱浓度降低了37.8±16.3％；但是，交通禁令和隔离措施所导致的NO2柱浓度降低实际上远高于这一数值，为49.3±23.5％；差异的原因在于，2020年初的气象条件导致NO2柱浓度上升了8.1±14.2%。在华北等地，该气象要素的作用甚至达到了20%。统计模型的结果与复杂的化学输运模型GEOS-Chem结果基本一致。同时，研究团队还发现，人为排放所引起的NO2浓度变化与百度迁徙指数（包括城市迁入人口指数、城市迁出人口指数、城市内出行指数）存在显著负相关，特别是与城内出行指数的相关性最强：在中国大陆人口超过800万的29个特大城市，城内出行指数对NO2降低的解释方差达可以达到40.4±17.7％；在全国高污染城市，解释方差则为27.9±15.9%。
图2：2020年（上）和2019年（下）春节前后每日人类活动导致NO2浓度的减少量（已取对数、黄色柱为正、绿色柱为负、淡蓝色阴影为其标准差）、百度城市迁入指数（红实线）、迁出指数（红虚线）和城市内出行指数（蓝色实线）。可见2020年春节后，人类活动导致NO2大幅度显著降低，且与百度迁徙指数的大幅度减少明显相关。
研究团队敏锐地抓住因抗击新冠疫情而人类活动急剧变化的契机，创新性地融合卫星遥感和人类迁徙大数据、利用统计模型和化学传输模型等研究工具，令人信服地定量揭示了人类活动和自然气象变率对大气NO2浓度变化的贡献，为深入理解NO2浓度的时空变化机理提供了科学依据，对制定相关污控措施具有实用价值。
该论文的通讯作者李锐教授同时为“中国科学院比较行星学卓越创新中心”成员，并列第一作者为博士研究生张宇翔、薄海旭以及姜哲研究员，共同作者为王雨教授、傅云飞教授、江西省环境监测总站曹炳伟研究员、纽约Green Earth Science andEducation Service的Xuewen Wang以及博士研究生陈嘉琪。文章受到中国科大新创校友基金会、百度公司的支持，该研究是在中国自然科学基金委和中国科技部相关项目资助下完成的。
图3：自然气象条件和人类活动改变对大气NO2浓度的影响示意图
全文链接：Zhang Yuxiang#, Bo Haixu#, Jiang Zhe#,Wang Yu, Fu Yunfei, Cao Bingwei, Wang Xuewen, Chen Jiaqi, Li Rui*,Untangle contributions of meteorology condition and human mobility totropospheric NO2 in Chinese mainland during COVID-19 pandemicin early 2020, National Science Review, 2021; nwab061, https://doi.org/10.1093/nsr/nwab061