2019年2月黑龍江省火點數(shù)量異常分析

吳 雙，韓書新，季生太，徐作敏，孫 濤

(黑龍江省生態(tài)氣象中心，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

中國為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，秸稈年產(chǎn)量高達6億t左右/年[1]，其中露天焚燒秸稈量可達1.38億t。秸稈焚燒排放的碳氧化物、氮氧化物、苯以及環(huán)芳烴等有害氣體及顆粒產(chǎn)物對局地、區(qū)域乃至全球的空氣質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[2-5]，黑龍江省是中國最主要的商品糧生產(chǎn)基地，在為全國人民提供豐富農(nóng)業(yè)資源保障的同時稈資源也十分豐富，與此同時，黑龍江省由于其特殊的氣候條件，秋季收獲后積雪覆蓋時間較長，不利于秸稈離田處理，秸稈露天焚燒情況2015年東北地區(qū)可收集秸稈產(chǎn)量約1.59億t，約占全國秸稈總產(chǎn)量19.2%[6-8]。近年來，黑龍江省出臺一系列秸稈露天焚燒管理政策和惠農(nóng)補助措施，同時實行秸稈露天焚燒四級網(wǎng)格管理制度，人力成本投入極高、耗費時間長、時效性差。隨著中國氣象衛(wèi)星的快速發(fā)展，氣象衛(wèi)星以其高頻次、低成本、高時效等優(yōu)點成為秸稈焚燒熱源點監(jiān)測的又一有效手段[9-10]，因此利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)在快速獲取大范圍作物秸稈焚燒區(qū)有著極大優(yōu)勢。根據(jù)黑龍江省農(nóng)產(chǎn)區(qū)物候特點，其秸稈焚燒時間主要集中在10月、11月以及來年的4月和5月，2月份幾乎沒有秸稈焚燒現(xiàn)象，但在2019年2月該省出現(xiàn)了罕見的秸稈焚燒現(xiàn)象，對當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量帶來了較大影響。本文針對2019年2月火點異常的現(xiàn)象，通過衛(wèi)星遙感火點監(jiān)測分析，從氣候、物候等方面分析，以探求秸稈焚燒異常情況出現(xiàn)原因，為政府監(jiān)督管理以及科學(xué)引導(dǎo)秸稈處理提供理論依據(jù)和參考。

2 研究區(qū)背景

黑龍江省是東北三省中面積最大的省份，北部和東部與俄羅斯相鄰，西部與南部分別與內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省相鄰，農(nóng)用地面積39.50萬km2，占全省土地總面積的83.51%。該省屬中溫帶到寒溫帶的大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫介于-3.80–5.85℃，氣溫由東南向西北逐漸降低；年平均降水量397.60–656.40 mm，西南部降水量較低，中部和東部降水量較高。研究區(qū)位置如圖1。

圖1 黑龍江省位置示意圖

3 衛(wèi)星遙感火點提取方法

當(dāng)前主流的衛(wèi)星遙感火點判識方法主要依靠熱紅外亮溫信息，通過比較被判識像元和周邊像元的亮溫差異閾值來提取火點。不同溫度物體具有不同的紅外波譜特性。當(dāng)生物質(zhì)燃燒時，主要的輻射源是火焰和具有較高溫度的碳化物、水蒸氣、煙等[11-13]。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，黑體輻射與溫度的四次方成正比，微弱的黑體溫度變化能引起輻射的較大變化。根據(jù)維恩位移定律，物體電磁波中心波長與其溫度成反比，隨著物體溫度升高，中心波長往短波方向移動。森林草原農(nóng)田等生物質(zhì)燃燒的溫度范圍為600-1200 K，對應(yīng)波長范圍在2.4-4.8μm左右。地表常溫約300 K左右，輻射中心波長大約為11μm，當(dāng)生物質(zhì)燃燒時，溫度可達750 K以上，輻射中心波長位于4μm左右。利用燃燒輻射與背景輻射的差異，可以從衛(wèi)星遙感信息中發(fā)現(xiàn)火像元點。

本文利用國家衛(wèi)星氣象中心提供的FY系列極軌衛(wèi)星資料，以人機交互方式選取區(qū)域內(nèi)火點，通過判識算法，提取火點信息。火點判識過程中，主要考慮以下幾點因素：

?。撼氐乇砗突瘘c像元的亮溫差異

ⅱ：混合像元通道3與通道4的亮溫差異；

ⅲ：消除太陽輻射反射在植被較少地帶的干擾；

ⅳ：消除太陽輻射反射在云表面的干擾。

由此可建立火點判識條件：

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

此處CH3mix，CH4mix為被判識象元的中紅外、遠紅外亮溫，CH34bg=CH3bg-CH4bg，表示周圍背景像元中紅外、遠紅外亮溫差異，CH3bg為周圍背景像元亮溫。THD3為中紅外通道被判識像元與背景像元亮溫差異閾值，THD34為中紅外通道與遠紅外通道亮溫差異火點判識閾值。CH1mix為被判識象元反射率，CH1c，CH4c為云判識門檻值。

4 結(jié)果與分析

4.1 2019年2月火點異常分析

利用2015-2019年每年2月的極軌氣象衛(wèi)星火點數(shù)據(jù)，分析黑龍江省2019年2月的火點數(shù)量異常情況。2019年2月，黑龍江省共監(jiān)測到火點1786個，其中耕地火點1478個，林地火點175個，草地火點133個，與2018年相比，火點數(shù)量增多了446.5倍。

從火點空間分布可見（見圖2），2019年2月，黑龍江火點主要分布在哈爾濱、齊齊哈爾、三江平原等農(nóng)區(qū)，下墊面土地類型主要為農(nóng)田，此外在黑龍江中部、東南部林田交界處出現(xiàn)較多火點。

圖2 黑龍江省2019年2月火點分布圖

4.2 氣候概況及特點

2019年冬季（2018年12月-2019年2月）降水極少，為1961年以來歷史第2位；氣溫較高，為1961年以來歷史第2位。

4.2.1 降水量分布特點

冬季，全省平均降水量為5.7 mm，比常年（1981–2010年）少63%，為1961年以來歷史第2位。全省大部地區(qū)降水量在10 mm以下，齊齊哈爾大部降水量不足1 mm（見圖3）。與常年同期相比，除嫩江降水量偏多外，大部地區(qū)偏少5-8成，松嫩平原西部部分縣市、五大連池、鶴崗市區(qū)、樺川、同江、寶清、密山偏少8成以上（見圖4）。季內(nèi)各月降水量均偏少，12月降水特少，為1961年以來歷史第9位；1月降水特少；2月降水特少，為1961年以來歷史第1位。

圖3 黑龍江省2019年冬季（2018年12月-2019年2月）降水量分布圖（mm）

圖4 黑龍江省2019年冬季（2018年12月-2019年2月）降水量距平百分率分布圖（%）

4.2.2 氣溫分布特點

冬季，全省平均氣溫為-13.7℃，比常年高3.4℃，為1961年以來歷史第2位暖冬。從氣溫空間分布來看，全省各地氣溫均偏高，大部地區(qū)氣溫偏高2℃以上，其中黑河西南部、松嫩平原北部、湯原、虎林、饒河偏高4℃以上。季內(nèi)氣溫持續(xù)偏高，12月氣溫偏高，為1961年以來歷史第6位；1月氣溫特高，為1961年以來歷史第2位；2月氣溫特高，為1961年以來歷史第4位。

4.2.3 積雪覆蓋大面積減少

火點數(shù)量增多除了與當(dāng)?shù)貧庀笠赜嘘P(guān)外，還與積雪緊密相關(guān)。當(dāng)下墊面被積雪覆蓋時，積雪具有保濕效果，太陽輻射能量很難傳導(dǎo)到積雪層下，被積雪覆蓋的植被含水量較多，很難被點燃。當(dāng)積雪覆蓋較少或者已完全融化時，地表會吸收大量的太陽輻射，導(dǎo)致地表溫度升高，進一步加速積雪消融，致使植被含水量減少，農(nóng)田的秸稈極易被點燃。

利用衛(wèi)星遙感積雪覆蓋信息，2019年2月，黑龍江積雪主要覆蓋在大小興安嶺、鶴崗及佳木斯部分地區(qū)，其中鶴崗地區(qū)積雪覆蓋時間最長，達到24 d以上，黑河地區(qū)為15-18 d，其余地區(qū)均在8 d以內(nèi)。除此之外，黑龍江西部和東部大部分地區(qū)出現(xiàn)了無積雪覆蓋狀況。而在2015-2018年的2月中，黑龍江省每年都處于積雪覆蓋，且西部和東部農(nóng)區(qū)較其他區(qū)域偏多，由此可見，積雪覆蓋的大面積減少，是2019年2月火點異常增多的主要原因之一。

5 結(jié)論

本文基于2015-2019年2月FY3系列極軌衛(wèi)星火點監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)提取、清洗等處理流程后，構(gòu)建火點數(shù)據(jù)集。同時結(jié)合降水量、溫度、積雪覆蓋數(shù)據(jù)對2019年2月黑龍江省火點異常情況進行分析，主要結(jié)論如下：

（1）2019年2月，黑龍江省共監(jiān)測到火點1786個，其中耕地火點1478個，林地火點175個，草地火點133個，與2018年相比，火點數(shù)量增多了446.5倍。

（2）2019年冬季降水極少，為1961年以來歷史第2位；氣溫較高，為1961年以來歷史第2位。

（3）2019年2月，黑龍江省積雪覆蓋大面積減少，積雪主要覆蓋在大小興安嶺、鶴崗及佳木斯部分地區(qū)，其中鶴崗地區(qū)積雪覆蓋時間最長，黑河地區(qū)為15-18 d，其余地區(qū)均在8 d以內(nèi)。除此之外，黑龍江西部和東部大部分地區(qū)出現(xiàn)了無積雪覆蓋狀況。

（4）2019年2月黑龍江火點異常增多的原因主要可歸為溫度過高、降水較少等氣象要素、下墊面積雪覆蓋較少等要素及2018年秋季秸稈焚燒禁燒處理政策的共同影響。