摘要
近年来气候变暖和极端天气增多，全球进入森林火灾高发期。森林火灾在短时间内释放大量能量和烟雾，严重影响空气质量、全球气候以及人体健康，引发大气环境安全问题。卫星遥感能够提供火灾和大气污染物的监测信息，已被广泛应用于野火排放的研究中。我国西南地区地形复杂、植被丰富、气候温暖，近年来大规模森林火灾频发，造成极大的人员伤亡和财产损失。此外，西南地区复杂地形和区域大气环流的共同作用使得林火排放具有显著的区域特性且严重影响大气环境，但目前鲜有对西南林火排放烟雾量化计算及时空特性的系统性研究。本文采用多源卫星遥感数据对西南地区森林火灾排放烟雾展开时空特性和量化测算研究，旨在为评估林火对区域大气环境的影响及开展林火排放污染防控提供基础数据和理论支撑。具体研究工作如下: (1)采用自下而上的大气污染物排放测算法，基于卫星观测数据并采用表征西南地区森林火灾活动的测算参数，建立2013-2017年西南地区每月和西南各省每年500m×500 m空间分辨率下的森林火灾排放清单。基于排放清单定量分析西南林火排放污染物的时空变化特性。结果表明西南林火排放呈现出显著的空间差异，云南省年均林火排放量占西南年均林火排放的比重最大，值得关注的是西藏的年平均林火排放量占比仅次于云南。西南林火排放高度集中于春季和冬季，虽然各省不同年份每个月产生的排放量对总排放的贡献情况存在着差异，但各省不同年份的排放高峰集中于1月至4月。因此为了改善区域空气质量，应当对西南地区1月至4月的林火排放开展有效防控。 (2)针对正交偏振云气溶胶激光雷达在观测烟雾喷射高度中存在的不足，发展了基于多源数据匹配的烟雾喷射高度数据提取算法，建立2012-2017年西南林草火高发季的烟雾喷射高度数据组。通过对烟雾喷射高度垂直分布的统计分析研究，提出西南地区林草火的烟雾喷射高度分布范围为2500m-2890m，处于较高水平。通过对火辐射功率值和烟雾喷射高度的相关性分析研究，提出由于火辐射功率数据在表征给定火灾像素内真实火灾释放的能量方面存在缺陷，且火灾释放能量并不是烟雾喷射高度的唯一决定因素，因此在实际观测中火辐射功率和烟雾喷射高度之间没有呈现出明显的相关性。通过对西南地区不同林草火案例的地形变量进行分析研究，认为西南地区复杂的地形会导致林草火产生较高水平的烟雾喷射高度。通过对烟雾喷射高度和边界层高度的关系进行分析研究，发现西南地区75％林草火排放的烟雾能够进入自由大气层，造成更广泛的空气污染。 (3)以2020年3月29日四川省凉山市木里县发生的森林火灾事件为研究对象，基于多源卫星数据研究火源附近林火排放烟雾的特性演变。结果表明火灾发生后CO和NO2柱浓度急剧增加，柱浓度峰值变化受火灾强度的影响，其中排放的NO2柱浓度的增长程度远高于CO柱浓度的增长，但在更短时间内消散。烟雾从火灾源向东北方向扩散，火灾期间火源附近平均烟雾高度每日分布范围约为3.3 km-4.6 km。通过研究林火排放烟雾气溶胶光学特性的演变，提出火源附近气溶胶指数出现明显的变化，表明林火排放了大量吸收性气溶胶。采用气溶胶指数在表征林火强度时需要考虑烟雾气溶胶在大气中的老化过程。烟雾层532 nm处的平均总衰减后向散射值和消光系数在大气中的垂直分布范围分别为0.015 km1sr-1-0.11 km-1sr-1和0.003 km-1-0.1 km-1。基于光学参数测算得出烟雾层质量密度和浓度的垂直分布，为进一步评估林火对大气环境的影响提供了数据支撑。
NETL