基于火点辐射能量的2017—2021年广西秸秆露天燃烧排放时空分析

潘润西,黄莹莹,和凌红,潘秋玲,颜炜琳,刘 岩,姚 腾

1.广西壮族自治区生态环境监测中心,广西 南宁 530028 2.广州市香港科大霍英东研究院大气研究中心,广东 广州 511458 3.香港科技大学环境与可持续发展学部,香港 999077

秸秆露天燃烧是影响区域大气污染的重要排放源[1-2]。秸秆燃烧产生大量的气体及颗粒物,会不断累积并生成二次污染物[3-4]。广西秸秆存量较多[5],秸秆露天燃烧是导致当地大气污染的重要原因之一[6],在1—2月甚至出现由于秸秆燃烧造成的区域大气重度污染现象[7-8]。因此,研究秸秆露天燃烧的排放特征对改善广西环境空气质量具有重要意义。

目前研究常通过统计数据估算秸秆露天燃烧污染物排放量,陶敏华[6]根据2016年《广西年鉴》的主要农作物产量估算了2015年广西秸秆露天燃烧污染物排放量;刘慧琳等[7]利用2020年10月—2021年3月的环境空气质量数据和火点数量判断了秸秆燃烧的主要月份和区域。应用火点数量无法区分秸秆燃烧的规模,难以展开排放量的精细化分析。因此,近年来基于卫星红外遥感火点辐射能量(FRE)估算具体秸秆露天燃烧排放的方法[9]越来越被重视。YIN等[10]基于MODIS传感器反演的FRE数据估算了中国2003—2017年生物质燃烧污染物排放量;徐媛倩[11]基于多源卫星火点数据的网格化融合,实现了生物质开放燃烧的动态表征,较基于单一卫星火点的估算方法有效减少了火点遗漏。然而,目前的研究鲜少考虑云遮蔽火点造成的排放量低估,从而影响了秸秆露天燃烧污染物排放量的计算精度。

广西秸秆露天燃烧污染物排放量的精细时空特征与多年演变规律尚未建立,不能有效支持大气污染成因分析和环境空气质量管理。鉴于此,该研究融合了多源FRE数据,利用晴空的单位面积火点能量对被云遮蔽的区域进行补偿,估算了广西2017—2021年逐小时、2 km级分辨率的秸秆露天燃烧污染物排放量,研判了广西秸秆露天燃烧污染物的时空特征,为有效开展秸秆禁烧管控提供参考。

1 研究数据与方法

该研究提取位于耕地的高置信度MODIS、VIIRS和Himawari-8火点,应用更高分辨率的火点替代相邻位置低分辨率火点,利用晴空的单位面积火点能量对被云遮蔽的区域进行补偿,计算秸秆露天燃烧污染物排放量与FRE的对应关系,从而获取广西2017—2021年逐小时、2 km级分辨率的秸秆露天燃烧污染物排放量。

1.1 获取火点数据

MODIS和VIIRS火点数据从美国NASA FIRMS火点信息资源管理系统下载(https://firms.modaps.eosdis.nasa.gov/),Himawari-8火点数据从日本气象局(JMA)在JAXA的P-Tree系统下载(https://www.eorc.jaxa.jp/ptree/)。

MODIS火点产品(MOD14/MYD14)的监测算法主要是上下文算法[12],该产品提供了火点发生的时间、经纬度、置信度和火点辐射功率(FRP)等信息[13]。搭载MODIS传感器的卫星是Terra和Aqua,每天分别于本地时间10:30和22:30、01:30和13:30过境,空间分辨率为1 km。Suomi NPP卫星搭载的VIIRS传感器与MODIS的火点识别算法有较好的一致性,由于空间分辨率提高至375 m,它对小火点的识别更为敏感[14]。Suomi NPP卫星每天于本地时间01:30和13:30过境。

Himawari-8卫星搭载AHI(Advanced Himawari Imager)传感器,时间分辨率为10 min,空间分辨率为2 km。其火点的识别算法与MODIS、VIIRS不同,由3.9 μm亮度温度与周围网格10.8 μm亮度温度确定的背景温度的归一化偏差来反演[15]。为使Himawari-8 FRP与其他2套卫星FRP具备可比性,提取被Himawari-8和VIIRS监测到的相同火点,比较Himawari-8与VIIRS观测的FRP数值[11],计算得到修正比例为0.59。

1.2 火点筛选与融合

首先筛选出广西耕地上方置信度较高的火点数据,排除工厂烟囱等异常点。广西耕地信息图根据陆地卫星TM假彩色数据(https://earthexplorer.usgs.gov/,影像年份为2020年)的多光谱图像生成,地图中的耕地类型分为水田和旱地[16],水田多种植水稻,多分布在广西的中部和东南部,旱地多种植甘蔗,分布在中部和西南部,分布如图1所示。

图1 广西水田与旱地分布状况Fig.1 Distribution of paddy field and dry land in Guangxi

当多套卫星监测的火点重叠时保留空间分辨率更高的火点,空间分辨率由高至低的卫星依次是VIIRS、MODIS、Himawari-8,具体融合方法如图2所示。

图2 火点融合示意Fig.2 Diagram of fires fusion

1.3 被云遮蔽区域的火点能量补偿

针对广西云量较多、火点易被遮蔽的实际情况,使用晴空下单位面积火点能量对被云遮蔽的耕地上的火点能量进行补偿。通过处理MODIS Cloud Mask数据,获取2017—2021年广西每日云量数据。基于云量的能量补偿公式如下。

(1)

式中:FRP表示城市当日耕地上的火点辐射功率;Cloudy表示被云遮蔽的耕地;Clear表示无云遮蔽的耕地;r表示城市当日耕地上空云遮蔽置信度“Cloudy”的比例。根据气象观测降水量,未对降雨区域进行补偿。

1.4 秸秆露天燃烧排放量核算

将FRP进行时间积分可得到与秸秆露天燃烧污染物排放量线性相关的FRE[9]。该研究利用广西各城市2017—2020年秸秆露天燃烧污染物排放量计算单位FRE的污染物排放量作为排放系数[11],以实现具体火点的污染物排放量计算。

根据《城市大气污染源排放清单编制技术手册》[17],秸秆露天燃烧污染物排放量的计算方法如下。

ES=A×EF

(2)

A=P×N×R×η

(3)

式中:ES为秸秆露天燃烧污染物排放量,g;A为秸秆露天燃烧干物质量,kg;EF为排放系数,g/kg,取值参考《生物质燃烧源大气污染物排放清单编制技术指南》[18];P为农作物产量,kg,数据来自2018—2021年的《广西统计年鉴》[19-22];N为草谷比(秸秆干物质量与作物产量比值),取值参考文献[6,23-25];R为秸秆露天燃烧比例,参考广西各市发布的秸秆综合利用率,取10%～ 25%[26-40];η为燃烧率,取值参考文献[41]。

基于FRE的秸秆露天燃烧排放系数的计算公式如下。

(4)

式中:i表示不同城市;k表示水田与旱地;EC为基于FRE的秸秆露天燃烧排放系数,g/MJ;FRE为城市2017—2020年的火点辐射能量,MJ。

以FRE为活动水平数据,计算广西各火点污染排放量的公式如下。

Ei,k=FREi,k×ECi,k

(5)

式中:E表示秸秆露天燃烧污染物排放量,g;FRE表示火点辐射能量,MJ;EC表示污染物排放系数,g/MJ。

2 结果与分析

2017—2021年,MODIS、VIIRS与Himawari-8在广西分别监测到秸秆火点2 241、7 952、42 752个,在此基础上,该研究采用更高分辨率的火点替代相邻位置低分辨率的火点,利用晴空的火点分布密度对被云遮蔽的区域进行补偿,估算了广西2017—2021年逐小时的保留了火点原有空间分辨率的秸秆露天燃烧污染物排放量。2017—2021年广西秸秆露天燃烧的CO、NOx、SO2、NH3、VOCs、PM10和PM2.5的平均年排放量分别为12.91万、0.78万、0.16万、0.17万、2.77万、2.26万、2.21万t。

2.1 火点数时间特征分析

广西秸秆火点数在2017—2020年逐年减少(分别为9 916、9 573、9 183、8 693个),在2021年骤增至15 580个,从广西各城市秸秆火点数量逐年变化情况(图3)可知,火点数增长主要集中在来宾市、南宁市、崇左市、北海市和贵港市。

图3 2017—2021年广西各城市秸秆火点数量Fig.3 Number of open crop residue burning fires in cities of Guangxi from 2017 to 2021

广西2017—2021年秸秆露天燃烧较多的城市是来宾市、南宁市和崇左市,合计约2.39万个火点,占广西总火点数的45.16%。

图4为2017—2021年广西秸秆火点数量的逐月变化情况。从图4可以看出,秸秆露天燃烧主要集中在10月至次年3月,与广西的晚稻收割期(10—11月)[42]、甘蔗榨季(12月至次年3月)一致。从不同年份对比来看,2021年骤增的火点主要集中发生在1、2月,一是因为2020年为“十三五”大气污染防治收官之年,年底秸秆禁烧管理较为严格,导致田间积压的大量秸秆被农户在2021年初燃烧[7],二是因为2021年1、2月的降雨和云量较少,有利于农户开展秸秆燃烧,且卫星观测火点的条件较好。

图4 2017—2021年广西秸秆火点数量的逐月变化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 时间变化特征

广西秸秆露天燃烧污染物排放的时间变化特征将从年、月、日3个尺度分析。图5为2017—2021年广西秸秆露天燃烧污染物排放量逐年变化情况。从图5可以看出,污染物排放量在2017—2020年波动不大,在2021年显著上升。与火点数量年变化不同的是,火点数量在2018年略有上升,表明2018年广西的火点强度高于2017年。

图5 2017—2021年广西秸秆露天燃烧污染物排放量逐年变化Fig.5 Annual changes in pollutant emissions from open crop residue burning in Guangxi from 2017 to 2021

将该研究的秸秆露天燃烧污染物排放量年均值与其他研究作对比(表1),与YIN等[10]基于MODIS数据估算的生物质开放燃烧污染排放结果相比较低,原因为YIN等[10]的研究包含秸秆露天燃烧的同时还考虑了森林与草原火灾。与基于统计数据的研究结果相比,该研究的结果偏低,主要原因是该研究基于本地报刊及政府公告等文献建立的秸秆露天燃烧比例为10 %～25%,低于刘慧琳等[7]的研究结果(12%～80%)、张晓荟[41]的研究结果(18%)和陶敏华[6]的研究结果(26%)。

表1 不同估算方法的秸秆露天燃烧污染物排放量年均值对比Table 1 Comparison of annual average values of pollutant emissions from open crop residue burning by different estimation methods

图6为2017—2021年广西秸秆露天燃烧VOCs和PM2.5排放量的逐月变化情况。对比火点数量的逐月变化(图4)可知,秸秆露天燃烧污染物排放量与火点的月变化特征基本一致,排放高峰值主要出现在10月至次年3月,即冬、春季,该时段贡献了全年PM2.5排放量的62.25%～73.99%,VOCs排放量的62.12%～73.64%。

图6 2017—2021年广西秸秆露天燃烧污染物排放量逐月变化Fig.6 Monthly variation in pollutant emissions from open crop residue burning in Guangxi from 2017 to 2021

图7为2017—2021年广西秸秆露天燃烧VOCs、PM2.5排放量的日变化情况。从图7可以看出,秸秆露天燃烧污染排放在09:00开始逐渐上升,并在18:00—19:00出现明显高峰,在19:00后逐渐下降。这是因为在季节更替急需播种时,农户常选择在傍晚劳作完后燃烧田里的秸秆[43],这是导致污染排放高峰的主要贡献,也是大气污染的主要来源。

图7 2017—2021年广西秸秆露天燃烧污染物排放量日变化Fig.7 Daily changes in pollutant emissions from open crop residue burning in Guangxi from 2017 to 2021

2.2.2 空间分布特征

图8为广西秸秆露天燃烧PM2.5和VOCs年均排放量的空间分布。广西秸秆露天燃烧PM2.5排放的高值主要分布在来宾市、南宁市、贵港市、崇左市及北海市,与广西耕地类型中的旱地分布一致,说明甘蔗露天燃烧对PM2.5排放的贡献明显比稻秆大。南宁市、来宾市和贵港市秸秆露天燃烧污染物PM2.5排放高值分布密集,秸秆露天燃烧排放对该区域大气污染贡献较大,崇左市和北海市秸秆露天燃烧污染物PM2.5排放高值相对孤立,更多的是影响该市区域环境空气质量。结合逐年、逐月和逐日秸秆露天燃烧污染排放强度的变化特征及耕地类型分布,从排放量的空间分布图可以判定,2017—2021年秸秆大部分直接在甘蔗地里燃烧可能性较大,VOCs排放分布特征与PM2.5一致。

2.2.3 排放贡献分析

2017年MEIC清单中广西的人为源排放CO、NOx、SO2、NH3、VOCs、PM10和PM2.5的总量分别为339.56万、42.83万、26.66万、38.61万、79.23万、33.34万、25.31万t[44-45](http://meicmodel.org)。将2017—2021年广西秸秆露天燃烧污染物排放量年均值与其作对比,结果如图9所示。广西秸秆露天燃烧排放的PM2.5贡献最高,占比为8.74%,而VOCs占比为3.49%,因而秸秆露天燃烧对广西PM2.5污染有一定影响。

虽然广西秸秆露天燃烧排放量的年均贡献不高,但秸秆露天燃烧会在短期内产生大量的污染物[3-4]。从2017—2021年广西秸秆露天燃烧VOCs和PM2.5日排放量占2017年MEIC清单中广西人为源日均排放量的比例(图10)可见,秸秆露天燃烧排放的PM2.5在不同月份的日贡献差别较大,以2月最高,平均值、中位数和最大值分别为20.61%、7.32%和72.18%。贡献超100%的离群点有3个,分别是121.28%(2021年2月6日,排放量为783.28 t)、110.28%(2021年2月7日,排放量为712.26 t)和104.13%(2021年2月4日,排放量为672.55 t);1月PM2.5的日贡献仅次于2月,平均值、中位数和最大值分别为16.11%、9.78%和61.22%,最高离群点为74.56%(2020年1月30日,排放量为481.11 t);2017—2021年,在1—2月PM2.5排放量超过人为源排放量25%和50%的天数分别为82、34 d。

图10 广西秸秆露天燃烧污染物日排放量占MEIC清单日排放量的比例箱式图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

秸秆露天燃烧排放的VOCs日贡献在月变化上与PM2.5相同,1、2月的日贡献明显高于其他月份,平均值分别为5.53%和6.62%,最高离群点为37.92%(2021年2月6日,排放量为946.56 t)。总体来看,广西秸秆露天燃烧排放污染具有集中时间发生的特点,在1—2月发生的频率高,且对短期大气污染贡献大。

3 结论

该研究通过高分辨率火点替代相邻位置低分辨率火点的方式融合MODIS、VIIRS和Himawari-8 3套卫星FRE,并使用晴空下单位面积火点能量补偿被云遮蔽的耕地的火点能量,一定程度上解决了由云造成的火点能量低估的问题。与广西秸秆露天燃烧污染排放的已有研究相比,该研究计算了高分辨率的火点能量,获取了秸秆露天燃烧的长期演变规律,描述了精细化的时空分布特征,并揭示了广西秸秆露天燃烧排放污染具有集中时间发生的特点。

1)2017—2021年广西秸秆露天燃烧的CO、NOx、SO2、NH3、VOCs、PM10和PM2.5的年排放量均值分别为12.91万、0.78万、0.16万、0.17万、2.77万、2.26万、2.21万t,其中PM2.5排放量占广西2017年全行业排放PM2.5量的8.74%。

2)从时间变化上看,广西秸秆露天燃烧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,贡献了秸秆露天燃烧污染物PM2.5全年排放量的62.25%～73.99%。从空间变化上看,污染排放高值区域主要分布在广西中部与西南部地区,其中南宁市、来宾市和贵港市的污染排放高值分布密集,秸秆露天燃烧排放对该区域大气污染贡献较大,崇左市和北海市的污染排放高值相对孤立,主要影响本地环境空气质量。

3)广西秸秆露天燃烧排放的PM2.5总量与MEIC评估的全广西人为源排放总量相比,1、2月平均贡献分别为16.11%与20.61%,最高可达74.56%与121.28%。2017—2021年有34 d超过人为源排放总量的50%,表明广西秸秆露天燃烧排放污染具有集中时间发生的特点,在1—2月发生的频率高,且对短期大气污染贡献大。

4)该研究获取的广西秸秆露天燃烧排放量空间分布,在精细化、高时空分辨率方面取得了较大进展,为研究广西区域性大气污染过程的成因提供了技术参考。