COVID-19-Induced Lockdowns Indicate the Short-Term Control Effect of Air Pollutant Emission in 174 Cities in China
COVID-19引起的封鎖導緻中國174個城市的空氣污染物排放的短期控制效果
摘要：區域失衡與一刀切政策之間的沖突是目前中國空氣污染控制的最大挑戰之一。随着最近針對中國COVID-19大流行的第一級公共衛生應急響應（FLPHER）實施（到2020年2月22日确診病例共77041例），全國範圍内的人類活動大大減少，幾乎所有經濟活動活動被暫停。在這裡，我們表明，這種情況代表了一個空前的“空窗期”，以探讨城市一級空氣污染的短期排放控制效果。我們量化了第一級公共衛生應急響應引起的中國174個城市中NO2，SO2，PM2.5和PM10水準的變化。通過将廣義加性模型，随機效應Meta分析以及天氣研究和預測模型與化學分析相結合，建立了空氣污染的機器學習預測模型。通過比較FLPHER期間的預測結果和觀測結果，估算每個城市目前能源結構下的短期控制效果。我們發現，所有城市的短期排放控制效果在53.0％–98.3％範圍内，而南部城市的效果明顯強于北部城市（P <0.01）。與特大城市相比，中小城市對NO2和SO2的控制效果相似，但對PM2.5和PM10的影響更大。
研究方法：
- 廣義加性模型和随機效應Meta分析
- WRF-Chem模型分析
- 短期排放控制效果的估算
部分結果：
在一級公共衛生應急響應封鎖期間，中國174個城市中NO2，SO2，O3，PM2.5和PM10的每日污染水準和每日确診的COVID-19病例的時間演變。（a）每日平均NO2和SO2濃度。誤差線表示一天中24次測量的标準偏差。（b）每日平均PM2.5，PM10和O3濃度。誤差線表示一天中24次測量的标準偏差。a和b中的紅色虛線表示由于中國武漢爆發COVID-19而首次實施封鎖的日期。在一級公共衛生應急響應封鎖期間，中國174個城市中NO2，SO2，O3，PM2.5和PM10的每日污染水準和每日确診的COVID-19病例的時間演變。（a）每日平均NO2和SO2濃度。誤差線表示一天中24次測量的标準偏差。（b）每日平均PM2.5，PM10和O3濃度。誤差線表示一天中24次測量的标準偏差。a和b中的紅色虛線表示由于中國武漢爆發COVID-19而首次實施封鎖的日期。
封鎖期間中國84個城市（總共30例确診病例）中四種空氣污染物水準與确診COVID-19病例之間的關聯。（a–d）對确診的COVID-19病例的（a）NO2，（b）SO2，（c）PM2.5和（d）PM10的全市相對響應因子（RR）的總體值。（e–p）湖北省内外城市之間（i–l）NO2，SO2，PM2.5和PM10的RR值與已确認的COVID-19病例（e–h）的比較 和北部城市，以及（m–p）大城市和中小型（S–M）城市。請注意，結果代表每10例新确診的COVID-19病例的RR值和95％置信區間。
WRF-Chem模型模拟并觀察了中國174個城市的主要空氣污染物的平均濃度。假設沒有發生COVID-19鎖定相對于實際觀測值（紅色實線）的情況，執行了模拟（藍色虛線）。（a，d，g和j）從2019年11月14日至2020年3月15日進行觀測和模拟的（a）NO2，（d）SO2，（g）PM2.5和（j）PM10的日平均濃度在實施封鎖之前的第一階段（2019年11月14日至2020年1月22日）被用作優化模型的訓練集。第二階段（2020年1月23日至2020年2月20日）和第三階段（2020年2月21日至2020年3月15日）代表封鎖期（測試集）和大多數城市撤銷封鎖（驗證集）的恢複期。（b，e，h和k）在第I和II期期間，在174個城市中觀察到的和模拟的（b）NO2，（e）SO2，（h）PM2.5和（k）PM10的平均濃度之間的差異。誤差線表示周期II（n = 28）和周期III的标準偏差。（c，f，i和l）在此期間在174個城市中觀察到的模拟平均濃度與（c）NO2，（f）SO2，（i）PM2.5和（l）PM10之間的百分比變化百分比二和三。LD和ALD分别表示FLPHER鎖定時段（時段II）和封鎖時段之後（時段III）。
國家層面對COVID-19封鎖産生的空氣污染物的短期控制效果。（a）2020年2月22日之前在中國不同省份的累計确診COVID-19病例。（b-e）（b）NO2，（c）SO2，（d）PM2.5和 （e）中國的PM10。不同的顔色表示不同的短期控制效果，而較深的黃色表示較大的短期排放減少量。
對環境的影響：
近年來，盡管強有力的污染控制政策已大大降低了全國範圍内的空氣污染，但其污染水準仍然遠遠超過了WHO的準則限值和中國環境空氣品質标準。2019年，超過180個地級城市未能達到國家年度PM2.5水準的标準。目前，進一步降低污染水準的努力面臨許多問題，其中包括地區失衡和監管有效性不明政策是主要挑戰。與COVID-19相關的封鎖時期為估算不同地區不同污染物的短期控制效果提供了前所未有的機會。由于人類活動和經濟活動受到近乎極端的限制，在封鎖期間，空氣污染物的排放得到了極大的抑制。是以，這種結果可以代表在目前能源結構下通過短期管理手段減少空氣污染控制的程度。該資訊對于預測不同地區的政策有效性和政策優化非常重要。
目前，重度污染的地區通常比輕度污染的地區在所有部門受到更嚴格的規定。但是，重要的是，我們的結果清楚地表明，重度污染的地區不一定比輕度污染的地區具有更好的空氣污染物影響。例如，華北平原地區遭受的空氣污染比華南地區嚴重，但其對空氣污染物的短期控制作用卻比華南地區弱得多。對于一個控制效果很小的城市，對運輸和工業采取過分嚴格的措施肯定會導緻效率低下和毫無意義的經濟犧牲。是以，減排政策的制定必須是具體的，而不是廣泛而模棱兩可的。否則，即使付出了巨大的經濟代價，這些政策也可能不會生效。
對于短期控制效果有限的地區（例如華北平原），可能很難僅通過短期政策法規來降低空氣污染水準。對于這些地區，應制定長期戰略和目标，例如優化區域能源結構和改善廢氣處理技術。我們的結果還表明，簡單地減少主要排放源對PM2.5污染幾乎沒有影響。應同時對氣溶膠前體排放物（例如VOC和NOx）實施更嚴格的監管政策。這些結果為突破目前中國空氣污染控制的困境提供了資訊，也為其他污染地區/國家的政策制定提供了有益的參考。
引用格式：
Lu D, Zhang J, Xue C, Zuo P, Chen Z, Zhang L, et al. COVID-19-Induced Lockdowns Indicate the Short-Term Control Effect of Air Pollutant Emission in 174 Cities in China. Environmental Science & Technology 2021; 55: 4094-4102.