2019年2月黑龙江省火点数量异常分析

2021-12-08韩书新季生太徐作敏

黑龙江气象 2021年3期

吴双，韩书新，季生太，徐作敏，孙涛

(黑龙江省生态气象中心，黑龙江哈尔滨150030）

1 引言

中国为农业生产大国，秸秆年产量高达6亿t左右/年[1]，其中露天焚烧秸秆量可达1.38亿t。秸秆焚烧排放的碳氧化物、氮氧化物、苯以及环芳烃等有害气体及颗粒产物对局地、区域乃至全球的空气质量产生重要影响[2-5]，黑龙江省是中国最主要的商品粮生产基地，在为全国人民提供丰富农业资源保障的同时秆资源也十分丰富，与此同时，黑龙江省由于其特殊的气候条件，秋季收获后积雪覆盖时间较长，不利于秸秆离田处理，秸秆露天焚烧情况2015年东北地区可收集秸秆产量约1.59亿t，约占全国秸秆总产量19.2%[6-8]。近年来，黑龙江省出台一系列秸秆露天焚烧管理政策和惠农补助措施，同时实行秸秆露天焚烧四级网格管理制度，人力成本投入极高、耗费时间长、时效性差。随着中国气象卫星的快速发展，气象卫星以其高频次、低成本、高时效等优点成为秸秆焚烧热源点监测的又一有效手段[9-10]，因此利用卫星遥感技术，结合地理信息系统技术在快速获取大范围作物秸秆焚烧区有着极大优势。根据黑龙江省农产区物候特点，其秸秆焚烧时间主要集中在10月、11月以及来年的4月和5月，2月份几乎没有秸秆焚烧现象，但在2019年2月该省出现了罕见的秸秆焚烧现象，对当地空气质量带来了较大影响。本文针对2019年2月火点异常的现象，通过卫星遥感火点监测分析，从气候、物候等方面分析，以探求秸秆焚烧异常情况出现原因，为政府监督管理以及科学引导秸秆处理提供理论依据和参考。

2 研究区背景

黑龙江省是东北三省中面积最大的省份，北部和东部与俄罗斯相邻，西部与南部分别与内蒙古自治区和吉林省相邻，农用地面积39.50万km2，占全省土地总面积的83.51%。该省属中温带到寒温带的大陆性季风气候，年平均气温介于-3.80–5.85℃，气温由东南向西北逐渐降低；年平均降水量397.60–656.40 mm，西南部降水量较低，中部和东部降水量较高。研究区位置如图1。

图1 黑龙江省位置示意图

3 卫星遥感火点提取方法

当前主流的卫星遥感火点判识方法主要依靠热红外亮温信息，通过比较被判识像元和周边像元的亮温差异阈值来提取火点。不同温度物体具有不同的红外波谱特性。当生物质燃烧时，主要的辐射源是火焰和具有较高温度的碳化物、水蒸气、烟等[11-13]。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，黑体辐射与温度的四次方成正比，微弱的黑体温度变化能引起辐射的较大变化。根据维恩位移定律，物体电磁波中心波长与其温度成反比，随着物体温度升高，中心波长往短波方向移动。森林草原农田等生物质燃烧的温度范围为600-1200 K，对应波长范围在2.4-4.8μm左右。地表常温约300 K左右，辐射中心波长大约为11μm，当生物质燃烧时，温度可达750 K以上，辐射中心波长位于4μm左右。利用燃烧辐射与背景辐射的差异，可以从卫星遥感信息中发现火像元点。

本文利用国家卫星气象中心提供的FY系列极轨卫星资料，以人机交互方式选取区域内火点，通过判识算法，提取火点信息。火点判识过程中，主要考虑以下几点因素：

ⅰ：常温地表和火点像元的亮温差异

ⅱ：混合像元通道3与通道4的亮温差异；

ⅲ：消除太阳辐射反射在植被较少地带的干扰；

ⅳ：消除太阳辐射反射在云表面的干扰。

由此可建立火点判识条件：

CH3mix＞CH3bg+THD3且CH3mix―CH4mix―CH34bg＞THD34且CH1mix＜CH1c，CH4mix＞CH4c。

此处CH3mix，CH4mix为被判识象元的中红外、远红外亮温，CH34bg=CH3bg-CH4bg，表示周围背景像元中红外、远红外亮温差异，CH3bg为周围背景像元亮温。THD3为中红外通道被判识像元与背景像元亮温差异阈值，THD34为中红外通道与远红外通道亮温差异火点判识阈值。CH1mix为被判识象元反射率，CH1c，CH4c为云判识门槛值。

4 结果与分析

4.1 2019年2月火点异常分析

利用2015-2019年每年2月的极轨气象卫星火点数据，分析黑龙江省2019年2月的火点数量异常情况。2019年2月，黑龙江省共监测到火点1786个，其中耕地火点1478个，林地火点175个，草地火点133个，与2018年相比，火点数量增多了446.5倍。

从火点空间分布可见（见图2），2019年2月，黑龙江火点主要分布在哈尔滨、齐齐哈尔、三江平原等农区，下垫面土地类型主要为农田，此外在黑龙江中部、东南部林田交界处出现较多火点。

图2 黑龙江省2019年2月火点分布图

4.2 气候概况及特点

2019年冬季（2018年12月-2019年2月）降水极少，为1961年以来历史第2位；气温较高，为1961年以来历史第2位。

4.2.1 降水量分布特点

冬季，全省平均降水量为5.7 mm，比常年（1981–2010年）少63%，为1961年以来历史第2位。全省大部地区降水量在10 mm以下，齐齐哈尔大部降水量不足1 mm（见图3）。与常年同期相比，除嫩江降水量偏多外，大部地区偏少5-8成，松嫩平原西部部分县市、五大连池、鹤岗市区、桦川、同江、宝清、密山偏少8成以上（见图4）。季内各月降水量均偏少，12月降水特少，为1961年以来历史第9位；1月降水特少；2月降水特少，为1961年以来历史第1位。

图3 黑龙江省2019年冬季（2018年12月-2019年2月）降水量分布图（mm）

图4 黑龙江省2019年冬季（2018年12月-2019年2月）降水量距平百分率分布图（%）

4.2.2 气温分布特点

冬季，全省平均气温为-13.7℃，比常年高3.4℃，为1961年以来历史第2位暖冬。从气温空间分布来看，全省各地气温均偏高，大部地区气温偏高2℃以上，其中黑河西南部、松嫩平原北部、汤原、虎林、饶河偏高4℃以上。季内气温持续偏高，12月气温偏高，为1961年以来历史第6位；1月气温特高，为1961年以来历史第2位；2月气温特高，为1961年以来历史第4位。

4.2.3 积雪覆盖大面积减少

火点数量增多除了与当地气象要素有关外，还与积雪紧密相关。当下垫面被积雪覆盖时，积雪具有保湿效果，太阳辐射能量很难传导到积雪层下，被积雪覆盖的植被含水量较多，很难被点燃。当积雪覆盖较少或者已完全融化时，地表会吸收大量的太阳辐射，导致地表温度升高，进一步加速积雪消融，致使植被含水量减少，农田的秸秆极易被点燃。

利用卫星遥感积雪覆盖信息，2019年2月，黑龙江积雪主要覆盖在大小兴安岭、鹤岗及佳木斯部分地区，其中鹤岗地区积雪覆盖时间最长，达到24 d以上，黑河地区为15-18 d，其余地区均在8 d以内。除此之外，黑龙江西部和东部大部分地区出现了无积雪覆盖状况。而在2015-2018年的2月中，黑龙江省每年都处于积雪覆盖，且西部和东部农区较其他区域偏多，由此可见，积雪覆盖的大面积减少，是2019年2月火点异常增多的主要原因之一。