摘要
火灾是地表生态系统的主要塑造者之一，其对植被的组成、结构和空间分布形态具有重要影响。火灾向大气排放大量的气溶胶和气体，是氮氧化物(NOx)等很多大气成分的主要来源之一，其显著影响着地-气系统的能量平衡、空气质量和人体健康。在气候变暖的背景下，未来全球火灾频次和燃烧强度预计普遍增加，火灾对生态系统、大气和人类社会的影响也将随之更加显著。因此，定量估算火灾排放，研究火灾的发生和燃烧强度对空气污染评估和林火管理具有重要的科学价值和现实意义。 卫星遥感是获取长时间、大空间尺度下大气和地表信息的重要手段，其被广泛应用于火灾科学相关领域的研究工作。然而，当前在卫星遥感定量估算火灾排放以及评估火灾的发生和燃烧强度方面，相关研究还存在很大不足，表现为:1)在自上而下的火灾排放估算模型中，针对其关键参数—火灾排放系数Ce(单位火辐射能量对应的火灾排放物质量)的研究还远远不足;2)卫星微波遥感在火灾的发生及燃烧强度方面的研究亟待加强;3)卫星遥感火观测精度对火灾排放系数Ce的估算以及火灾的发生和燃烧强度评估均能产生影响，但目前对此缺乏深入分析。针对以上不足，本文以东北亚为主要研究区域开展了系统性的研究工作。首先对中分辨率传感器MODIS及其“继任者”VIIRS的火观测精度进行了系统性分析;其次，利用卫星可见光和红外观测的火点信息和火辐射功率(FRP)(燃烧强度参数)等定量估算了火灾排放系数，并研究了卫星遥感火观测精度对排放系数估算的影响;最后，结合卫星被动微波遥感植被含水量指数EDVI对森林火灾的发生频次和FRP进行了综合分析。主要研究成果和结论如下: (1)在卫星遥感火观测精度方面，研究发现MODIS比VIIRS漏测更多地表火，后者在森林和低生物量地表(如农田和草地)分别有65％和83％的火点未被MODIS观测到;相比而言，两种地表覆盖分类中分别有35％和53％的MODIS火点未被VIIRS观测到。主要原因归结为MODIS的空间分辨率(1km)低于VIIRS(375m)，对低强度的小火不敏感，导致火点漏测更加普遍;而低生物量地表普遍较低的燃烧强度则进一步加剧了二者在火点探测方面的差异。在FRP反演方面，MODIS和VIIRS总体上具有较好的时空一致性，但由于MODIS普遍较弱的火点探测能力，导致MODIS观测的总FRP通常低于VIIRS，并在低生物量地表更加显著。 (2)在卫星遥感火灾排放系数方面，研究表明不同火灾之间的排放系数差异较大;春季和秋季相对干燥，NOx的火灾排放系数较高，Ce数值在0.48-1.61g/MJ之间;夏季潮湿，NOx的火灾排放系数较低，Ce数值在0.19-0.23g/MJ。对不同燃料类型而言，低生物量地表NOx的火灾排放系数高于森林，前者为0.83g/MJ，后者为0.57g/MJ。不同季节和不同燃料类型火灾的燃烧状态可能不同，这可能是造成上述NOxCe差异的主要原因。此外，针对于不同精度的卫星遥感火数据，研究发现基于MODIS1km和VIIRS375m火观测数据估算的NOxCe存在显着差异，这表明卫星火观测精度能在很大程度上影响NOxCe的估算。 (3)在火灾频次(以firecounts-FC表征)和燃烧强度(以FRP表征)方面，研究发现林火FC和FRP与微波植被含水量指数EDVI在不同的时间尺度上均存在显著的负相关性，皮尔森相关系数通常在-0.2和-0.8之间，这表明EDVI在一定程度上能够用于解释林火的发生和燃烧强度的变化。与常用的基于气象参数的火险指数(如FWI)相比，EDVI能够提供额外的林火解释能力，联合EDVI和火险指数也能更好地解释林火的日变化和月变化。在估算区域尺度林火FC和FRP方面，研究表明基于EDVI和FWI的多元线性回归模型比基于FWI的一元线性回归模型的估算结果更准确，与卫星观测结果的相关性更高，在日尺度和月尺度上相关系数整体提高了49％和33％。
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