基于火點輻射能量的2017—2021年廣西秸稈露天燃燒排放時空分析

潘潤西,黃瑩瑩,和凌紅,潘秋玲,顏煒琳,劉 巖,姚 騰

1.廣西壯族自治區生態環境監測中心,廣西 南寧 530028 2.廣州市香港科大霍英東研究院大氣研究中心,廣東 廣州 511458 3.香港科技大學環境與可持續發展學部,香港 999077

秸稈露天燃燒是影響區域大氣污染的重要排放源[1-2]。秸稈燃燒產生大量的氣體及顆粒物,會不斷累積并生成二次污染物[3-4]。廣西秸稈存量較多[5],秸稈露天燃燒是導致當地大氣污染的重要原因之一[6],在1—2月甚至出現由于秸稈燃燒造成的區域大氣重度污染現象[7-8]。因此,研究秸稈露天燃燒的排放特征對改善廣西環境空氣質量具有重要意義。

目前研究常通過統計數據估算秸稈露天燃燒污染物排放量,陶敏華[6]根據2016年《廣西年鑒》的主要農作物產量估算了2015年廣西秸稈露天燃燒污染物排放量;劉慧琳等[7]利用2020年10月—2021年3月的環境空氣質量數據和火點數量判斷了秸稈燃燒的主要月份和區域。應用火點數量無法區分秸稈燃燒的規模,難以展開排放量的精細化分析。因此,近年來基于衛星紅外遙感火點輻射能量(FRE)估算具體秸稈露天燃燒排放的方法[9]越來越被重視。YIN等[10]基于MODIS傳感器反演的FRE數據估算了中國2003—2017年生物質燃燒污染物排放量;徐媛倩[11]基于多源衛星火點數據的網格化融合,實現了生物質開放燃燒的動態表征,較基于單一衛星火點的估算方法有效減少了火點遺漏。然而,目前的研究鮮少考慮云遮蔽火點造成的排放量低估,從而影響了秸稈露天燃燒污染物排放量的計算精度。

廣西秸稈露天燃燒污染物排放量的精細時空特征與多年演變規律尚未建立,不能有效支持大氣污染成因分析和環境空氣質量管理。鑒于此,該研究融合了多源FRE數據,利用晴空的單位面積火點能量對被云遮蔽的區域進行補償,估算了廣西2017—2021年逐小時、2 km級分辨率的秸稈露天燃燒污染物排放量,研判了廣西秸稈露天燃燒污染物的時空特征,為有效開展秸稈禁燒管控提供參考。

1 研究數據與方法

該研究提取位于耕地的高置信度MODIS、VIIRS和Himawari-8火點,應用更高分辨率的火點替代相鄰位置低分辨率火點,利用晴空的單位面積火點能量對被云遮蔽的區域進行補償,計算秸稈露天燃燒污染物排放量與FRE的對應關系,從而獲取廣西2017—2021年逐小時、2 km級分辨率的秸稈露天燃燒污染物排放量。

1.1 獲取火點數據

MODIS和VIIRS火點數據從美國NASA FIRMS火點信息資源管理系統下載(https://firms.modaps.eosdis.nasa.gov/),Himawari-8火點數據從日本氣象局(JMA)在JAXA的P-Tree系統下載(https://www.eorc.jaxa.jp/ptree/)。

MODIS火點產品(MOD14/MYD14)的監測算法主要是上下文算法[12],該產品提供了火點發生的時間、經緯度、置信度和火點輻射功率(FRP)等信息[13]。搭載MODIS傳感器的衛星是Terra和Aqua,每天分別于本地時間10:30和22:30、01:30和13:30過境,空間分辨率為1 km。Suomi NPP衛星搭載的VIIRS傳感器與MODIS的火點識別算法有較好的一致性,由于空間分辨率提高至375 m,它對小火點的識別更為敏感[14]。Suomi NPP衛星每天于本地時間01:30和13:30過境。

Himawari-8衛星搭載AHI(Advanced Himawari Imager)傳感器,時間分辨率為10 min,空間分辨率為2 km。其火點的識別算法與MODIS、VIIRS不同,由3.9 μm亮度溫度與周圍網格10.8 μm亮度溫度確定的背景溫度的歸一化偏差來反演[15]。為使Himawari-8 FRP與其他2套衛星FRP具備可比性,提取被Himawari-8和VIIRS監測到的相同火點,比較Himawari-8與VIIRS觀測的FRP數值[11],計算得到修正比例為0.59。

1.2 火點篩選與融合

首先篩選出廣西耕地上方置信度較高的火點數據,排除工廠煙囪等異常點。廣西耕地信息圖根據陸地衛星TM假彩色數據(https://earthexplorer.usgs.gov/,影像年份為2020年)的多光譜圖像生成,地圖中的耕地類型分為水田和旱地[16],水田多種植水稻,多分布在廣西的中部和東南部,旱地多種植甘蔗,分布在中部和西南部,分布如圖1所示。

圖1 廣西水田與旱地分布狀況Fig.1 Distribution of paddy field and dry land in Guangxi

當多套衛星監測的火點重疊時保留空間分辨率更高的火點,空間分辨率由高至低的衛星依次是VIIRS、MODIS、Himawari-8,具體融合方法如圖2所示。

圖2 火點融合示意Fig.2 Diagram of fires fusion

1.3 被云遮蔽區域的火點能量補償

針對廣西云量較多、火點易被遮蔽的實際情況,使用晴空下單位面積火點能量對被云遮蔽的耕地上的火點能量進行補償。通過處理MODIS Cloud Mask數據,獲取2017—2021年廣西每日云量數據?；谠屏康哪芰垦a償公式如下。

(1)

式中:FRP表示城市當日耕地上的火點輻射功率;Cloudy表示被云遮蔽的耕地;Clear表示無云遮蔽的耕地;r表示城市當日耕地上空云遮蔽置信度“Cloudy”的比例。根據氣象觀測降水量,未對降雨區域進行補償。

1.4 秸稈露天燃燒排放量核算

將FRP進行時間積分可得到與秸稈露天燃燒污染物排放量線性相關的FRE[9]。該研究利用廣西各城市2017—2020年秸稈露天燃燒污染物排放量計算單位FRE的污染物排放量作為排放系數[11],以實現具體火點的污染物排放量計算。

根據《城市大氣污染源排放清單編制技術手冊》[17],秸稈露天燃燒污染物排放量的計算方法如下。

ES=A×EF

(2)

A=P×N×R×η

(3)

式中:ES為秸稈露天燃燒污染物排放量,g;A為秸稈露天燃燒干物質量,kg;EF為排放系數,g/kg,取值參考《生物質燃燒源大氣污染物排放清單編制技術指南》[18];P為農作物產量,kg,數據來自2018—2021年的《廣西統計年鑒》[19-22];N為草谷比(秸稈干物質量與作物產量比值),取值參考文獻[6,23-25];R為秸稈露天燃燒比例,參考廣西各市發布的秸稈綜合利用率,取10%～ 25%[26-40];η為燃燒率,取值參考文獻[41]。

基于FRE的秸稈露天燃燒排放系數的計算公式如下。

(4)

式中:i表示不同城市;k表示水田與旱地;EC為基于FRE的秸稈露天燃燒排放系數,g/MJ;FRE為城市2017—2020年的火點輻射能量,MJ。

以FRE為活動水平數據,計算廣西各火點污染排放量的公式如下。

Ei,k=FREi,k×ECi,k

(5)

式中:E表示秸稈露天燃燒污染物排放量,g;FRE表示火點輻射能量,MJ;EC表示污染物排放系數,g/MJ。

2 結果與分析

2017—2021年,MODIS、VIIRS與Himawari-8在廣西分別監測到秸稈火點2 241、7 952、42 752個,在此基礎上,該研究采用更高分辨率的火點替代相鄰位置低分辨率的火點,利用晴空的火點分布密度對被云遮蔽的區域進行補償,估算了廣西2017—2021年逐小時的保留了火點原有空間分辨率的秸稈露天燃燒污染物排放量。2017—2021年廣西秸稈露天燃燒的CO、NOx、SO2、NH3、VOCs、PM10和PM2.5的平均年排放量分別為12.91萬、0.78萬、0.16萬、0.17萬、2.77萬、2.26萬、2.21萬t。

2.1 火點數時間特征分析

廣西秸稈火點數在2017—2020年逐年減少(分別為9 916、9 573、9 183、8 693個),在2021年驟增至15 580個,從廣西各城市秸稈火點數量逐年變化情況(圖3)可知,火點數增長主要集中在來賓市、南寧市、崇左市、北海市和貴港市。

圖3 2017—2021年廣西各城市秸稈火點數量Fig.3 Number of open crop residue burning fires in cities of Guangxi from 2017 to 2021

廣西2017—2021年秸稈露天燃燒較多的城市是來賓市、南寧市和崇左市,合計約2.39萬個火點,占廣西總火點數的45.16%。

圖4為2017—2021年廣西秸稈火點數量的逐月變化情況。從圖4可以看出,秸稈露天燃燒主要集中在10月至次年3月,與廣西的晚稻收割期(10—11月)[42]、甘蔗榨季(12月至次年3月)一致。從不同年份對比來看,2021年驟增的火點主要集中發生在1、2月,一是因為2020年為“十三五”大氣污染防治收官之年,年底秸稈禁燒管理較為嚴格,導致田間積壓的大量秸稈被農戶在2021年初燃燒[7],二是因為2021年1、2月的降雨和云量較少,有利于農戶開展秸稈燃燒,且衛星觀測火點的條件較好。

圖4 2017—2021年廣西秸稈火點數量的逐月變化Fig.4 Monthly variation of open crop residue burning fires in Guangxi from 2017 to 2021

2.2 污染排放特征分析

2.2.1 時間變化特征

廣西秸稈露天燃燒污染物排放的時間變化特征將從年、月、日3個尺度分析。圖5為2017—2021年廣西秸稈露天燃燒污染物排放量逐年變化情況。從圖5可以看出,污染物排放量在2017—2020年波動不大,在2021年顯著上升。與火點數量年變化不同的是,火點數量在2018年略有上升,表明2018年廣西的火點強度高于2017年。

圖5 2017—2021年廣西秸稈露天燃燒污染物排放量逐年變化Fig.5 Annual changes in pollutant emissions from open crop residue burning in Guangxi from 2017 to 2021

將該研究的秸稈露天燃燒污染物排放量年均值與其他研究作對比(表1),與YIN等[10]基于MODIS數據估算的生物質開放燃燒污染排放結果相比較低,原因為YIN等[10]的研究包含秸稈露天燃燒的同時還考慮了森林與草原火災。與基于統計數據的研究結果相比,該研究的結果偏低,主要原因是該研究基于本地報刊及政府公告等文獻建立的秸稈露天燃燒比例為10 %～25%,低于劉慧琳等[7]的研究結果(12%～80%)、張曉薈[41]的研究結果(18%)和陶敏華[6]的研究結果(26%)。

表1 不同估算方法的秸稈露天燃燒污染物排放量年均值對比Table 1 Comparison of annual average values of pollutant emissions from open crop residue burning by different estimation methods

圖6為2017—2021年廣西秸稈露天燃燒VOCs和PM2.5排放量的逐月變化情況。對比火點數量的逐月變化(圖4)可知,秸稈露天燃燒污染物排放量與火點的月變化特征基本一致,排放高峰值主要出現在10月至次年3月,即冬、春季,該時段貢獻了全年PM2.5排放量的62.25%～73.99%,VOCs排放量的62.12%～73.64%。

圖6 2017—2021年廣西秸稈露天燃燒污染物排放量逐月變化Fig.6 Monthly variation in pollutant emissions from open crop residue burning in Guangxi from 2017 to 2021

圖7為2017—2021年廣西秸稈露天燃燒VOCs、PM2.5排放量的日變化情況。從圖7可以看出,秸稈露天燃燒污染排放在09:00開始逐漸上升,并在18:00—19:00出現明顯高峰,在19:00后逐漸下降。這是因為在季節更替急需播種時,農戶常選擇在傍晚勞作完后燃燒田里的秸稈[43],這是導致污染排放高峰的主要貢獻,也是大氣污染的主要來源。

圖7 2017—2021年廣西秸稈露天燃燒污染物排放量日變化Fig.7 Daily changes in pollutant emissions from open crop residue burning in Guangxi from 2017 to 2021

2.2.2 空間分布特征

圖8為廣西秸稈露天燃燒PM2.5和VOCs年均排放量的空間分布。廣西秸稈露天燃燒PM2.5排放的高值主要分布在來賓市、南寧市、貴港市、崇左市及北海市,與廣西耕地類型中的旱地分布一致,說明甘蔗露天燃燒對PM2.5排放的貢獻明顯比稻稈大。南寧市、來賓市和貴港市秸稈露天燃燒污染物PM2.5排放高值分布密集,秸稈露天燃燒排放對該區域大氣污染貢獻較大,崇左市和北海市秸稈露天燃燒污染物PM2.5排放高值相對孤立,更多的是影響該市區域環境空氣質量。結合逐年、逐月和逐日秸稈露天燃燒污染排放強度的變化特征及耕地類型分布,從排放量的空間分布圖可以判定,2017—2021年秸稈大部分直接在甘蔗地里燃燒可能性較大,VOCs排放分布特征與PM2.5一致。

2.2.3 排放貢獻分析

2017年MEIC清單中廣西的人為源排放CO、NOx、SO2、NH3、VOCs、PM10和PM2.5的總量分別為339.56萬、42.83萬、26.66萬、38.61萬、79.23萬、33.34萬、25.31萬t[44-45](http://meicmodel.org)。將2017—2021年廣西秸稈露天燃燒污染物排放量年均值與其作對比,結果如圖9所示。廣西秸稈露天燃燒排放的PM2.5貢獻最高,占比為8.74%,而VOCs占比為3.49%,因而秸稈露天燃燒對廣西PM2.5污染有一定影響。

雖然廣西秸稈露天燃燒排放量的年均貢獻不高,但秸稈露天燃燒會在短期內產生大量的污染物[3-4]。從2017—2021年廣西秸稈露天燃燒VOCs和PM2.5日排放量占2017年MEIC清單中廣西人為源日均排放量的比例(圖10)可見,秸稈露天燃燒排放的PM2.5在不同月份的日貢獻差別較大,以2月最高,平均值、中位數和最大值分別為20.61%、7.32%和72.18%。貢獻超100%的離群點有3個,分別是121.28%(2021年2月6日,排放量為783.28 t)、110.28%(2021年2月7日,排放量為712.26 t)和104.13%(2021年2月4日,排放量為672.55 t);1月PM2.5的日貢獻僅次于2月,平均值、中位數和最大值分別為16.11%、9.78%和61.22%,最高離群點為74.56%(2020年1月30日,排放量為481.11 t);2017—2021年,在1—2月PM2.5排放量超過人為源排放量25%和50%的天數分別為82、34 d。

圖10 廣西秸稈露天燃燒污染物日排放量占MEIC清單日排放量的比例箱式圖Fig.10 Box plot of the ratio of the daily emissions of open crop residue burning pollutants in Guangxi from 2017 to 2021 to the average daily emissions of the daily emissions from MEIC

秸稈露天燃燒排放的VOCs日貢獻在月變化上與PM2.5相同,1、2月的日貢獻明顯高于其他月份,平均值分別為5.53%和6.62%,最高離群點為37.92%(2021年2月6日,排放量為946.56 t)?？傮w來看,廣西秸稈露天燃燒排放污染具有集中時間發生的特點,在1—2月發生的頻率高,且對短期大氣污染貢獻大。

3 結論

該研究通過高分辨率火點替代相鄰位置低分辨率火點的方式融合MODIS、VIIRS和Himawari-8 3套衛星FRE,并使用晴空下單位面積火點能量補償被云遮蔽的耕地的火點能量,一定程度上解決了由云造成的火點能量低估的問題。與廣西秸稈露天燃燒污染排放的已有研究相比,該研究計算了高分辨率的火點能量,獲取了秸稈露天燃燒的長期演變規律,描述了精細化的時空分布特征,并揭示了廣西秸稈露天燃燒排放污染具有集中時間發生的特點。

1)2017—2021年廣西秸稈露天燃燒的CO、NOx、SO2、NH3、VOCs、PM10和PM2.5的年排放量均值分別為12.91萬、0.78萬、0.16萬、0.17萬、2.77萬、2.26萬、2.21萬t,其中PM2.5排放量占廣西2017年全行業排放PM2.5量的8.74%。

2)從時間變化上看,廣西秸稈露天燃燒污染物排放量高值主要在10月至次年3月,正值晚稻收割期和甘蔗榨季,貢獻了秸稈露天燃燒污染物PM2.5全年排放量的62.25%～73.99%。從空間變化上看,污染排放高值區域主要分布在廣西中部與西南部地區,其中南寧市、來賓市和貴港市的污染排放高值分布密集,秸稈露天燃燒排放對該區域大氣污染貢獻較大,崇左市和北海市的污染排放高值相對孤立,主要影響本地環境空氣質量。

3)廣西秸稈露天燃燒排放的PM2.5總量與MEIC評估的全廣西人為源排放總量相比,1、2月平均貢獻分別為16.11%與20.61%,最高可達74.56%與121.28%。2017—2021年有34 d超過人為源排放總量的50%,表明廣西秸稈露天燃燒排放污染具有集中時間發生的特點,在1—2月發生的頻率高,且對短期大氣污染貢獻大。

4)該研究獲取的廣西秸稈露天燃燒排放量空間分布,在精細化、高時空分辨率方面取得了較大進展,為研究廣西區域性大氣污染過程的成因提供了技術參考。