重大公共卫生事件影响下广州气溶胶分布变化

刘 锐，廖卉芃，杨卫军，郭 亮，陈冬琼

（1.广东省国土资源技术中心，广东 广州 510075；2.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060）

卫星遥感是观测地表活动情况的主要手段之一。在新型冠状病毒肺炎等重大卫生公共事件发生时，政府需要通过科学信息快速判断居家隔离等防控干预措施是否有效，而遥感能够通过观测地表人类活动变化情况，一定程度上反映疫情防控措施是否到位，为后续进行宏观调控和防控决策提供科学依据。而在后疫情时期下，遥感还能够辅助判断人类活动恢复情况，为复工复产提供一定的科学信息。

大气气溶胶可用于监测地表活动情况，反映人类活动变化。气溶胶粒子指大气中直径为0.001～10 μm的悬浮固液体微粒，是监测环境状态的重要因子[1,3]。气溶胶的来源分为自然来源和人为来源。自然来源包括森林植被的生物排放物、沙尘等；人为来源则包括汽车尾气排放、工业排放等[1]。在自然来源的相对稳定的情况下，气溶胶一定程度上能够反映城市大气环境情况[4]，间接反映人类活动的活跃程度。光学厚度能够表示大气浑浊程度，是气溶胶的重要参数之一。

中分辨率成像光谱仪（MODIS）广泛应用于气溶胶光学厚度研究。 MODIS是美国宇航局搭建的地球观测系统（EOS）中重要的大型遥感仪器之一，由太阳同步极轨环境遥感卫星Terra和Aqua装载，其任务主要为观测人类地表活动情况、全球生物及地球气候环境等[2]。MODIS数据有36个波长在0.4～14.4 um间的光谱波段，包括可见光波段和红外波段，获取数据丰富。MODIS覆盖全球，其空间分辨率在通道1和通道2为250 m；通道3至通道7为500 m；通道8至通道36为1 000 m，平均每1～2 d就能对获取一次地表数据[2]。MODIS数据故而具有易获取、覆盖范围广、时间分辨率高的特点，在实时观测地球、处理应急事件等方面的实用价值高。MODIS的通道1波长为0.620～0.670 μm，通道3波长为0.459～0.479 μm，其通道宽而带窄，能够有效修正遥感反演的气溶胶受大气气体吸收的不确定性的影响，十分适合观测地球气溶胶特性[7]。

本研究基于MODIS影像数据反演获得广州市2020年1～4月的气溶胶光学厚度气溶胶光学厚度的分布情况，监测城市在重大卫生突发事件背景下的大气环境变化，从环境遥感的角度探究传染病疫情期间政府公共卫生管理的有效性和疫情阶段性结束后城市活动的恢复情况。

1 研究方法

1.1 数据来源及范围

目前公开的MODIS数据产品按数据处理级别分为6个等级，具体如表1所示。

表1 MODIS数据产品按数据处理级别

本研究采用了MODIS数据L1B级产品（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）。考虑到云覆盖过多会导致数据缺失情况严重，进而影响气溶胶光学厚度反演结果，故选取了2020年1月至2020年4月的无云数据进行气溶胶光学厚度反演和分析。

1.2 研究方法

本研究基于MODIS卫星遥感影像估算研究区域的地球表面反射率，结合广州市的大气气溶胶特性以及地球表面反射率与大气顶辐射亮度的关系，进行广州市气溶胶光学厚度反演，获得2020年1～4月广州市气溶胶光学厚度的空间分布情况，具体技术路线如图1所示。

图1 气溶胶光学厚度反演技术路线框架图

1.2.1 大气气溶胶光学厚度反演

通过建立地球表面反射率与大气顶辐射亮度的关系可对大气气溶胶光学厚度进行反演。假设地球表面是均匀的朗伯表面，且不考虑大气吸收因素，则此时通过观测得到的地球表面反射率为：

式中，ρ*代表通过遥感卫星获得的地球表面反射率；ρa代表大气反射率；μ代表太阳光入射的方向与地面法线间的夹角；φ代表太阳所在的方位与地平面的夹角；μ0代表卫星与观测地连线之间的夹角；φ0代表卫星的方位角；T(μ0)代表太阳到地球表面的总透射率，T(μ)代表地球表面到卫星的总透射率；s代表大气的邦德反照率，ρ为真实的地球表面反射率。

由于大气顶的太阳辐射通量E可表示为：

式中，L代表观测的辐亮度；τ代表光学厚度。

故而可得地球表面反射率与大气顶辐射亮度的关系为：

因此，通过地球表面反射率可计算大气顶辐射亮度，进而结合区域气溶胶特性可获得大气气溶胶光学厚度。

1.2.2 基于卫星遥感的地球表面反射率估算

暗像元法广泛应用于基于卫星遥感的地球表面反射率估算，其原理为利用植被在红光波段（MODIS通道1）和蓝光波段（MODIS通道3）的反射率与波段的反射率相似的特点[8-9]，建立两者之间的关系，其公式为：

式中，ρred为红光的地球表面反射率；ρblue为蓝光的地球表面反射率；ρ2.1为波段的地球表面反射率；δ为散射角；ξ可通过计算波段和获得。

广州市坐落在广东省中南部地区，位于23°N，113°E，属于海洋性亚热带季风气候。本研究收集2020年1～4月的广州市MODIS L1B影像数据产品，筛选出90%无云覆盖的影像，并结合新冠肺炎疫情期间的关键时间节点，选取1月23日广东省启动重大公共卫生突发事件一级响应[6]及2月10日开始全面恢复生产活动前后的遥感影像，经过几何校正、辐射校正、剔除云像元等预处理后，根据广州市的地域特征，选择城市型气溶胶模式，通过6S辐射专属模型构建查找表，反演气溶胶光学厚度，并从时间维度和空间维度分析广州市2020年1～4月气溶胶光学厚度分布变化。

2 结果分析与讨论

2.1 结果与分析

研究选取1月3日、1月31日、2月22日、2月24日、3月15日、4月9日、4月27日等7日的影像进行气溶胶光学厚度反演，结果发现广州市气溶胶光学厚度值随时间推进变化明显（表1）。1月3日广州市气溶胶光学厚度均值为0.24，方差小于0.1，地区差异性较小。1月31日广州市气溶胶光学厚度均值为0.04，在8日影像中均值最低，且方差小于0.01，地区差异性非常小。气溶胶光学厚度均值在2月22日重新增加至0.43， 此后气溶胶光学厚度均值在0.41～0.99间波动，其中2月22日、4月9日和4月27日的方差均大于0.1，气溶胶光学厚度地区差异较大。

表1 2020年1～4月广州市气溶胶光学厚度反演结果统计表

图2反映了广州市在2020年1月3日、1月31日、2月22日、2月24日、3月15日、4月9日和4月27日的气溶胶光学厚度分布情况，图中颜色越绿代表气溶胶光学厚度值越低，颜色越红则气溶胶光学厚度值越高，黄色表示气溶胶光学厚度值处于中间。从空间上来看，广州市气溶胶光学厚度有明显的空间分布差异，总体呈现西北低东南高的态势。

图2 2020年广州市气溶胶光学厚度分布图

从时序来看，1月3日广州气溶胶光学厚度值整体较低，特别是从化北部和增城北部，而花都西部气溶胶光学厚度值相对偏高，但未超过0.73；1月31日广州各区均为绿色，气溶胶光学厚度值在0.04～0.23之间，与其他日期相比当日全市域的气溶胶光学厚度值明显偏低。2月22日，全市域气溶胶光学厚度值上升，其中南沙沿海一带气溶胶光学厚度值较高，范围在0.64～1.05之间，在地图上呈黄色和橙色；与2月22日相比，2月24日大部分位于从化、增城、白云东部和黄埔北部的地区气溶胶光学厚度值降低至0.48以下，花都、白云西部、番禺和南沙的气溶胶光学厚度则以升高为主，气溶胶光学厚度值在0.48以上。

进入春季以来，3月15日，城市气溶胶光学厚度值总体增加，呈从北向南气溶胶光学厚度值逐渐上升趋势，除最北部小部分区域气溶胶光学厚度值大于0.81之外，北部地区呈黄绿色，气溶胶光学厚度值相对较低，主要在0.48～0.81之间；中部地区呈橙色，气溶胶光学厚度值较高，主要在0.81～1.05之间；南部南沙区呈橙色和红色，气溶胶光学厚度最高，数值大于1.05；4月9日，广州市大部分地区的气溶胶光学厚度值继续上升，与3月15日相比，当日城市大部分地区的气溶胶光学厚度明显增加且值较高，仅有部分从化北部区域的气溶胶光学厚度值维持在相对较低的状态；4月27日，城市大部分地区气溶胶光学厚度值下降，北部从化和增城的大部分地区的值降到0.48以下，中部地区的气溶胶光学厚度值主要在0.48至0.81之间，而南部南沙区部分区域气溶胶光学厚度值大于1.05，保持在较高水平。

2.2 讨 论

研究表明[4,9,11]，气溶胶光学厚度与人为活动和地区工业化程度相关。本研究发现，与其他地区相比，从化、增城、白云东部和黄浦北部气溶胶光学厚度较低，这是由于这些地区自然资源丰富，建成区较少，空气中的气溶胶微粒较少，城市中心城区人为活动活跃，人口和工业高度聚集，这些地区的气溶胶光学厚度也通常较高。而南沙区，特别是南沙南部，由于处于沿海地区，海风带来细微颗粒物，气溶胶微粒增加，气溶胶光学厚度更易升高。本研究结果显示的广州市气溶胶光学厚度呈西北低东南高的空间分布总体特征，也与肖钟湧等[[2]和宋巍巍等[4]研究结果一致。

结合时间序列重大社会事件来看，广州市在1月31日的气溶胶光学厚度气溶胶光学厚度值明显偏低，此时正值广东省处于重大公共卫生事件一级响应状态期间，城市大部分经济活动停止，人口流动受到限制，汽车尾气、工业气体等人为气溶胶来源减少，气溶胶光学厚度值降低。结合广州市1～4月新冠肺炎新增病例变化情况（图3），防控干预手段实施后一个月内人为活动明显减少，且疫情得到有效控制。2月22日以后广州市气溶胶光学厚度值总体增加，此时疫情基本得到控制，城市已进入复工复产阶段，人为气溶胶来源增加，气溶胶微粒增多，同时，广州3、4月份进入春季，空气湿度增加，部分气溶胶粒子吸收了空气中的水分，气溶胶光学厚度增大。4月底城市气候逐渐向夏季过度，空气湿度减少，气溶胶光学厚度降低。

图3 2020年1～4月广州市新冠肺炎新增病例及全市气溶胶光学厚度变化统计（新冠肺炎病例数据来源：广州市卫生健康委员会）

通过本研究的探索，发现基于MODIS的气溶胶光学厚度反演结果，能够较好地反映当下的人为活动情况。在应对传染病大流行等重大公共卫生突发事件，需要采取措施减少人群接触，控制传染途径时，掌握气溶胶光学厚度空间分布可帮助监测政府干预措施的执行情况，辅助政府决策和宏观调控。在事件结束后，气溶胶光学厚度空间分布可一定程度上反映城市运行情况，帮助评估复工复产是否有序进行。

卫星遥感手段与基站探测相比，优势在于易获取，成本低，更新速度快，气溶胶光学厚度反演步骤相对简单，且能够获取气溶胶光学厚度的空间分布信息，更好地反映莫伊区域的大气环境[4-5]。因此，通过MODIS数据快速获得气溶胶光学厚度反演成果是可行的。MODIS的速度优势和成本优势，使得快速监测城市人为活动情况，为应对应急事件提供科学信息成为可能。

3 结 论

本研究基于MODIS卫星遥感影像估算研究区域的地球表面反射率，结合广州的大气气溶胶特性以及地球表面反射率与大气顶辐射亮度的关系，进行气溶胶光学厚度反演，获得2020年1～4月广州市气溶胶光学厚度的空间分布情况。研究结果发现广州市气溶胶光学厚度空间分布总体特征为西北低、东南高。而全市1～4月的气溶胶光学厚度变化反映出新冠肺炎疫情期间人为活动减少，防控措施到位。复工复产期间人为活动增多，城市逐渐恢复经济活动。本研究表明，MODIS影像数据能够满足快速反演气溶胶光学厚度，监测城市人为活动的应用需求，可为政府了解重大公共卫生突发事件下的城市运行情况，进行决策和调控提供科学信息支撑。未来可考虑延长观测时间、提高影像精度，从微观的角度探索通过气溶胶光学厚度变化监测城市运行情况的方法和路径。