西湖大学研究员张羽中：从大气“看”新冠如何“改变”社会
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新冠疫情，对人类社会造成了方方面面的影响。究竟新冠爆发前后，我们的生活生产发生了怎样的变化？其实，对大气环境的观测，可以从宏观上作出一种解读。
西湖大学工学院特聘研究员张羽中，近日跟佐治亚理工、哈佛大学、南方科技大学团队合作，在大气科学期刊Atmosphere上发表了NOx Emission Reduction and Recovery during COVID-19 in East China 一文。
前沿分享第三期，张羽中将给大家介绍他们的最新研究成果，带大家从大气“看”新冠疫情如何“改变”了社会。
新冠病毒（COVID-19）疫情的爆发无疑是2020年初的重磅事件。疫情除了对公共卫生和医疗领域提出了严峻的挑战外，也对社会经济活动造成了很大的冲击。在疫情初期就有新闻报道，卫星观测显示中国东部二氧化氮对流层柱浓度与往年同期以及疫情之前相比大幅降低，推测是疫情期间控制措施导致氮氧化物排放减少所致。
二氧化氮（NO2）是大气中的污染气体，主要来自于汽车和电厂的氮氧化物（NOx，即一氧化氮+二氧化氮）排放。氮氧化物排放的短期波动反映了城市交通和能源需求的变化。因而，快速准确地定量特定区域内氮氧化物的排放，不仅能为大气环境污染提供排放源变化的信息，也一定程度上表征了经济活动的波动，对快速诊断诸如新冠疫情等突发事件对社会经济的影响具有参考价值。
值得注意的是，大气化学成分的浓度和其排放并不是简单的线性关系，还受到扩散、平流、沉降、转化、去除等物理化学过程的影响，从而随气象、季节等因素而有明显的变化。因而，仅通过卫星测量的污染物浓度去推断其排放会有很大的误差。
我们与合作者开发了基于卫星观测的快速估计区域氮氧化物排放的算法：此方法将大气化学传输模型与卫星观测结合，通过WRF-GC模型的模拟表征特定大气物理化学过程和气象条件影响下浓度和排放的关系，进而结合TROPOMI卫星的二氧化氮观测估计氮氧化物排放。我们计算了中国东部各省在2020年1月到3月初期间氮氧化物的排放变化，定量表征了疫情控制的影响和复工复产的进程。
我们发现，中国东部氮氧化物排放在春节和疫情控制期间降低了52%，降低幅度和持续时间均显著大于通常的春节情形。2月中旬以来，氮氧化物排放逐渐恢复，但各地恢复程度和速率不一；比如，复工复产比较迅速的浙江省，到3月中旬，氮氧化物排放已恢复到年前的约90%。
2020年1月到3月期间TROPOMI卫星观测的二氧化氮对流层柱浓度分布（上）和解析得到的中国东部氮氧化物排放的时间序列（下）。
图像来源：修改自R. Zhang, Y. Zhang, et al., 2020, Atmosphere, https://www.mdpi.com/2073-4433/11/4/433
基于类似的思路，我们最近也对美国最大的油气盆地Permian盆地的甲烷排放做了分析。我们结合化学传输模型和卫星大气甲烷观测作反演分析，首次基于卫星观测解析了约十公里分辨率的热点区域甲烷排放的时空分布。
计算表明，这个盆地的油气生产活动每年排放多达270万吨的甲烷，远远大于其它有观测记录的美国油气盆地（之前文献报道的最高排放值为EagleFord盆地的73万吨/年）。这不仅是资源的浪费（甲烷是天然气的主要成分），也对气候变化产生不利影响。甲烷是仅次于二氧化碳的重要温室气体；在二氧化碳减排基础上进行甲烷减排被认为是达到《巴黎协定》气候目标的必要措施。
随着卫星技术的迅速发展，基于卫星观测在全球范围内监测温室气体排放将成为全球温室气体减排行动的重要技术手段和验证监督平台。
TROPOMI卫星对美国最大的油气盆地Permian盆地的甲烷柱浓度观测（上）以及解析得到的Permian Basin甲烷排放的空间分布（左下）和时间变化（右下）。
图像来源：修改自Zhang et al.,2020, Science Advances. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz5120
相比传统的地基环境监测手段，卫星观测覆盖空间大、长期连续运行，能够获得区域甚至全球的大气化学成分和相关参数的时空分布信息。利用被观测物种的光谱特点，目前已经实现了对二氧化氮、二氧化硫、臭氧、一氧化碳、甲醛、甲烷、二氧化碳、气溶胶等大气成分浓度的定量观测。而对同一种被观测物种，利用不同的观测原理和轨道，卫星观测还能提供差异化的信息。比如，短波红外观测对整个空气柱中的甲烷都敏感，而热红外观测只对中上层大气中的甲烷敏感——将两者结合则可获得一些甲烷垂直分布的信息。又比如，极轨轨道的卫星观测能够在几天内覆盖全球，但每次测量都只是瞬时的“快照”；而地球同步轨道卫星虽无法覆盖全球，却能始终“盯”着一个区域，观测污染的日间变化——这可以为相关污染生成演化提供重要的信息。
因为以上特点，近年来卫星观测在大气区域污染、温室气体排放等环境研究领域日益受到重视，新的环境监测卫星计划层出不穷。上文提到的两个工作就是使用了2017年底发射、2018年初开始业务化运行的TROPOMI仪器的观测数据。
卫星大气环境监测：不同类型的观测原理、观测轨道和目前有应用的大气成分和参数。
图像来源：修改自Presentation by Daniel J. Jacob, Satellites for environmental monitoring.
http://acmg.seas.harvard.edu/presentations/2019/bloomberg.pptx
新一代的大气环境监测卫星，以前所未有的覆盖率和分辨率，源源不断地产生海量的观测数据，为大气环境、地球系统以及相关交叉学科的研究提供了激动人心的数据宝库，也同时对如何分析数据提取有效信息提出了一系列新的挑战。
其中一个思路是将大气化学传输模型作为分析观测数据的平台。大气化学传输模型显式地模拟化学成分在大气中的时空分布以及相关物理化学过程（包括人为和自然排放、水平和对流传输、边界层湍流混合、干沉降、湿沉降、辐射吸收和发射、以及不同成分间的气态、颗粒态和液态化学反应），可以看成是对目前已知大气化学知识的总结。
利用大气化学模型作为分析、“同化”观测数据的平台，我们能在考虑物理原理和先验知识的同时，利用观测数据优化模型中不确定的参数，从而加深对复杂大气环境问题的理解。未来我们的研究将继续在这个方向上作深入的探索。
大气化学传输模型模拟影响大气成分的物理化学过程，包括人为和自然排放、传输、沉降、辐射吸收和发射、以及气态、颗粒态和液态的化学反应等。
来自Strategic Plan for the U.S. Climate Change Science Program.
https://data.globalchange.gov/assets/2a/42/f55760db8a810e1fba12c67654dc/ccsp-strategic-plan-2003.pdf
注：本文转载自西湖大学。
