生物质燃烧对中国东北地区CO浓度的影响研究.doc

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1、生物质燃烧对中国东北地区CO浓度的影响研究摘要：利用Aqua卫星上AIRS传感器的近地表和500hPa气压层高度的CO数据，研究了中国东北地区2012年CO时空分布特征及其变化趋势，并结合MODIS火点资料以及NCEP/NCAR的风场资料，分析了当地的生物质燃烧以及周边国家和地区CO远距离输送对研究区CO浓度的影响。研究结果表明：近地表CO浓度高值出现在冬季和春季，低值出现在夏季和秋季，20112013年连续3a的CO浓度与火点数的相关关系均在0.52左右，显著相关。此外，CO的分布还与当地的供暖时间、人口密度和工业分布有关：CO的高值时间与中国东北地区冬季供暖时间基本一致，人口和工业集中地区

2、的CO浓度偏高，人口稀少的内蒙古草原CO浓度值偏低；根据NECP/NCAR的风场资料，中国东北地区500hPa气压层高度全年受来自西伯利亚和蒙古国的西北风影响，东北地区，尤其是内蒙古自治区，西伯利亚和蒙古国常年有大量火点，在500hPa气压层高度的CO浓度受西伯利亚和蒙古国的影响。生物质燃烧能够反映农作物收获时间，CO浓度的时空变化规律也能在一定程度上反映我国农作物的时空分布特征，具有重要的研究意义。1引言CO主要来自于生物质的不完全燃烧以及大气中挥发性有机物（VOCs）的氧化，包括对流层中人类活动、化石燃料燃烧及森林火灾等相关过程。CO是对流层大气污染气体，在大气中含碳量第三，仅次于CO2和

3、CH4，具有较长的生命周期，可以作为污染物在大气中分布变化研究的示踪气体，也是大气边界层O3的主要前体物之一。此外，CO还可以与OH自由基反应，影响大气的氧化能力，间接增加其他温室气体和污染气体的浓度。早在2001年“申奥”时，CO和SO2、NO2、可吸入颗粒物就已经作为4项主要污染物指标列入空气质量监测范围1，目前CO是我国环境空气质量标准中明确规定的六大环境空气污染物监测项目之一，是环境空气质量指数（AQI）的重要分指数，是与大气环境质量密切相关的重要气体，具有重要的研究意义。生物质燃烧具有季节性、周期性特点，燃烧过程中产生细颗粒物、CO、CO2、氮氧化物等大气污染气体，降低能见度，影响交

4、通安全。全球生物质燃烧主要分布在赤道附近的热带地区以及北半球中、高纬度区域，高温度烟气可以穿透边界层进入自由对流层甚至对流层上部，并沿高层盛行风向在区域、洲际甚至半球尺度上作长距离输送。生物质燃烧的燃烧量与各省市所处气候带、农村生活水平、植被覆盖现状和各种农作物的主要产量有关，其中秸秆是最主要来源，贡献了98%左右2。生物质燃烧加剧会引起CO浓度增加，CO浓度的变化也可以反馈生物质燃烧的时空分布特征。国际上的相关研究主要包括选取合适的算法进行CO的物理反演3，选用已有的卫星传感器数据进行CO时空分布研究，采用后向轨迹模式、化学传输模式进行生物质燃烧对污染气体浓度的影响研究4-5；国内目前主要从

5、气象学角度分析生物质燃烧对细颗粒物、炭质气溶胶、臭氧等污染气体及其对不同区域大气成分或环境的影响6-8，或者选取CO卫星遥感数据与大气本底站观测数据进行全国或区域尺度的CO时空分布研究9-11。环境问题已经引起了全球的普遍关注，关系着人类健康和社会可持续发展，生物质燃烧对CO浓度的影响是其中的关键问题之一，目前国内外的研究多集中在大区域尺度，如全球或全国尺度，在小区域尺度上，尤其是中国东北地区的相关研究还少有开展；且在CO浓度与生物质燃烧的定量关系上研究较少。为此，本文结合多种数据进行了研究和说明。2数据与方法2.1研究区介绍本文中的东区地区是指广义上的东北，包括东北三省（黑龙江省、辽宁省和吉

6、林省）和内蒙古自治区东北的三市两盟（呼伦贝尔市、通辽市、赤峰市、兴安盟、锡林郭勒盟，也称内蒙古东五盟市），经纬度范围为38405330N，1150513502E。中国东北地区地处温带、寒温带大陆性季风气候区，夏季高温多雨，冬季严寒干燥，近年来呈现暖干化发展态势。西伯利亚是俄罗斯在北亚的一片广阔地带，与中国东北地区北部接壤，地处中高纬度，冬季寒冷漫长，夏季温和短暂。蒙古国与我国北部地区接壤，地处蒙古高原，属于大陆性温带草原气候，冬季严寒漫长，夏季干热短暂。2.2数据来源及处理Terra和Aqua卫星是美国国家航空航天局（NASA）的对地观测系统（EOS）计划的一部分，分别于1999年12月18日

7、和2002年5月4日发射成功，过境时间分别为每日地方时上午10：30，下午13：30，分别称为上午星和下午星，均搭载中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolutionImagingSpec-troradiometer，MODIS）传感器。本文选取的FIRMS火点资料，整合了Terra和Aqua的MODIS探测器的观测结果，分辨率为1km。搭载在Aqua卫星上的大气红外探空器（AtmosphericInfraredSounder，AIRS）是一个高光谱红外探测器，覆盖3.716m的光谱范围，2378个通道，星下点分辨率13.5km，垂直分辨率1km。AIRS的业务运行采用SVD算法，反演

8、了CO2、CH4、CO等大气参数的垂直结构，其廓线产品在全球各个地区已经开展了初步验证12-13，本文选取AIRS二级产品中的CO垂直廓线数据，在3860N，100135E的经纬度范围内，将近地表和500hPa气压层这两个高度的数据处理成0.50.5的格网，得到4571的数据集，并对CO浓度进行统计和分析。美国国家环境预报中心（NCEP）和国家大气研究中心（NCAR）在20世纪90年代发起“NCEP/NCARReanalysisProject”，可用于气候诊断分析的研究。NCEP/NCAR再分析资料的水平格点为2.52.5，包括1000、925、850、700、600、500、400、300、

9、250、200、150、100、70、50、30、20和10hPa等17个垂直层，本研究中选用了500hPa气压层高度的风场资料。3数据结果和分析3.1本地源对中国东北地区CO浓度的影响3.1.1区域CO的时空分布特征图1是中国地区2012年近地表CO体积混合比值的空间分布，从图中可以看出，中国各区域的CO浓度值差异明显。华北的沿海地区CO体积混合比在155ppbv以上，东北大部分区域、内蒙古少部分区域和四川、云南的部分区域的CO体积混合比大于150ppbv，说明我国华北、东北以及四川的大部分区域污染较为严重。华北和东北是我国工业集中地区，人口密度大于西部地区，人类活动多，而四川也是我国的重工

10、业城市，受地形的影响水平扩散条件较差，因而CO浓度也比较高。在我国的CO体积混合比高值区中，东北地区的高值区面积大，见图2，从辽宁省、吉林省到黑龙江省，CO浓度由南向北递减，辽宁省的CO高值区面积最大，吉林省次之，黑龙江省最小，与辽宁省和吉林省相邻的内蒙古自治区通辽市的CO高值区面积也较大。此外，海洋上空的CO浓度远远低于陆地上空的浓度，海岸线是海洋与陆地上空CO浓度差异的分界线，且界线明显。图3是中国东北地区2012年112月近地面CO体积混合比的月平均，可以看出，中国东北地区的CO浓度具有非常明显的季节差异，呈现春季和冬季浓度高，夏季和秋季浓度低的特征。14月，CO浓度逐月增加，4月达到最

11、高值，且高值区面积逐月增大；59月，CO浓度逐月降低，9月达到1112月，CO浓度逐月增加。假设CO的年变化幅度非常小，则11月至次年4月，CO浓度逐月增加，4月达到峰值；59月，CO浓度逐月降低，9月达到谷值，10月浓度与9月无特别大的差异。CO体积混合比的峰值与谷值差值约为80ppbv，差异较大。3.1.2 CO浓度分布与火点数的相关关系图4是2012年中国东北地区4个省市自治区的火点数日统计图，可以看出，地理位置临近的区域其火点数的时间分布也非常一致，且均具有季节性。这4个区域均在45月达到火点数最高值，10月达到火点数次高峰。经调查，东北地区的小麦、大豆、水稻和玉米的生育期均大致在41

12、0月（表1），农作物播种前将上一季收成后未腐熟腐解的秸秆就地焚烧，农作物收成后也会将秸秆就地焚烧，秸秆焚烧能够反映农作物收获时间，具有季节性，季节性的火点数分布可以反映该区域以秸秆焚烧为主的生物质燃烧的情况，黑龙江是我国的农业大省之一，并且拥有大面积的林区，其火点数的数值也是其他区域的数倍。为了更好地研究中国东北地区生物质燃烧对CO浓度分布的影响，本文选取20112013年的MODIS火点资料和AIRS的CO体积混合比数据，用MODIS火点资料来表征生物质燃烧概况，综合考虑卫星覆盖和数据质量（去除云覆盖多或数据质量差的数据），将数据处理为3d平均，进行CO体积混合比和火点数的相关性分析，结果见

13、图5，连续3a的决定系数R2均约为0.52，表明CO浓度与火点数在时空分布上显著相关。由于在风场的影响下，存在CO的水平或垂直传输现象，选用CO的3d平均必然会给结果带来一定偏差，可能造成相关性低于实际值，但在这种情况下，20112013年3a的相关性仍均能达到0.52，说明CO浓度与生物质燃烧确实相关性较好。3.1.3供暖时间、人口和工业分布的影响每年10月下旬到次年3月下旬是中国东北地区集中供暖期，主要在人口集中区域采用燃煤方式集中供暖供热14。燃煤供暖产生了大量的CO，而中国东北地区供暖期寒冷干燥，水汽含量低，冬季的紫外辐射减弱，OH自由基浓度低，CO的化学汇减少。东北地区的集中供暖期是

14、10月下旬至次年3月下旬，而11月至次年4月该地区近地表CO浓度逐月增加，CO浓度高值期恰好比该地区的供暖期延后一个月，CO是大气痕量气体中生命时间较长的污染气体，具有约2个月的大气滞留时间，东北地区冬季的低OH自由基浓度和寒冷干燥的天气条件促进了CO的累积，说明中国东北地区的冬季集中供暖是影响该地区CO浓度时间分布的重要因子。相关研究表明，全球除南极洲和格陵兰外的陆地区域，一半以上的人口定居于距海岸线200公里的范围内，而距海岸线50km的沿海地区是人口高度聚集的地带15。环渤海沿岸地区及其腹地，以渤海为中心，人口密度呈环状带由海岸线向内陆递减。从我国第六次人口普查（2010年）的数据中筛选

15、出东北地区的相关数据，并制作人口密度分布图，可以看出CO与人口密度在空间分布上明显相关。此外，东北地区是我国的重工业集聚区，齐齐哈尔-哈尔滨牡丹江一线和哈尔滨长春沈阳大连一线，形成一个“丁”字结构产业布局16。结合2012年中国东北地区近地表CO浓度的空间分布（图2）来看，从辽宁经吉林到黑龙江，随着人口密度的减少，CO浓度由南向北递减；内蒙古地区绝大部分区域是人口稀少的广袤草原，CO浓度较低；包头市是内蒙古自治区最大的工业城市，图2也显示了包头市的CO浓度高于内蒙古其他区域。燃煤供暖和重工业都伴随大量的生物质燃烧，因而供暖时间、人口工业分布也反映了生物质燃烧的时空分布。经过分析，中国东北地区的CO空间分布在一定程度上受到了该区域各城市人口密度、工业分布的影响，人口和工业集中的区域CO浓度也较高，这也说明CO浓度与生物质燃烧具有一定的相关性。3.2周边国家和地区生物质燃烧对中国东北地区CO浓度的影响3.2.1 500hPa气压层高度的CO时空分布特征中国东北地区CO浓度不仅受本地源影响，还会受到周边国家和地区生物质燃烧的影响，500hPa气压层高度远离人类活动，受本地源干扰较少8，本文选取该高度的数据进行周边国家和地区生物质燃烧对中国东北地区CO浓度的影响研究。图7是2012年我国大陆地区500hPa气压层高度CO体积混合比的年平均值空间分布，由图可知，