王甜甜^1，2，陳良富¹，陶金花¹，蘇林¹，張瑩¹，汪洋^1，2

　?。?.中國科學院遙感與數字地球研究所遙感科學國家重點實驗室，北京100101；2.中國科學院大學，北京100049）

　　摘要：利用Aqua衛星上AIRS傳感器的近地表和500hPa氣壓層高度的CO數據，研究了中國東北地區2012年CO時空分布特征及其變化趨勢，并結合MODIS火點資料以及NCEP/NCAR的風場資料，分析了當地的生物質燃燒以及周邊國家和地區CO遠距離輸送對研究區CO濃度的影響。研究結果表明：近地表CO濃度高值出現在冬季和春季，低值出現在夏季和秋季，2011~2013年連續3a的CO濃度與火點數的相關關系均在0.52左右，顯著相關。此外，CO的分布還與當地的供暖時間、人口密度和工業分布有關：CO的高值時間與中國東北地區冬季供暖時間基本一致，人口和工業集中地區的CO濃度偏高，人口稀少的內蒙古草原CO濃度值偏低；根據NECP/NCAR的風場資料，中國東北地區500hPa氣壓層高度全年受來自西伯利亞和蒙古國的西北風影響，東北地區，尤其是內蒙古自治區，西伯利亞和蒙古國常年有大量火點，在500hPa氣壓層高度的CO濃度受西伯利亞和蒙古國的影響。生物質燃燒能夠反映農作物收獲時間，CO濃度的時空變化規律也能在一定程度上反映我國農作物的時空分布特征，具有重要的研究意義。

　　1引言

　　CO主要來自于生物質的不完全燃燒以及大氣中揮發性有機物（VOCs）的氧化，包括對流層中人類活動、化石燃料燃燒及森林火災等相關過程。CO是對流層大氣污染氣體，在大氣中含碳量第三，僅次于CO₂和CH₄，具有較長的生命周期，可以作為污染物在大氣中分布變化研究的示蹤氣體，也是大氣邊界層O₃的主要前體物之一。此外，CO還可以與OH自由基反應，影響大氣的氧化能力，間接增加其他溫室氣體和污染氣體的濃度。早在2001年“申奧”時，CO和SO₂、NO₂、可吸入顆粒物就已經作為4項主要污染物指標列入空氣質量監測范圍^[1]，目前CO是我國《環境空氣質量標準》中明確規定的六大環境空氣污染物監測項目之一，是環境空氣質量指數（AQI）的重要分指數，是與大氣環境質量密切相關的重要氣體，具有重要的研究意義。

　　生物質燃燒具有季節性、周期性特點，燃燒過程中產生細顆粒物、CO、CO₂、氮氧化物等大氣污染氣體，降低能見度，影響交通安全。全球生物質燃燒主要分布在赤道附近的熱帶地區以及北半球中、高緯度區域，高溫度煙氣可以穿透邊界層進入自由對流層甚至對流層上部，并沿高層盛行風向在區域、洲際甚至半球尺度上作長距離輸送。生物質燃燒的燃燒量與各省市所處氣候帶、農村生活水平、植被覆蓋現狀和各種農作物的主要產量有關，其中秸稈是最主要來源，貢獻了98%左右^[2]。

　　生物質燃燒加劇會引起CO濃度增加，CO濃度的變化也可以反饋生物質燃燒的時空分布特征。國際上的相關研究主要包括選取合適的算法進行CO的物理反演^[3]，選用已有的衛星傳感器數據進行CO時空分布研究，采用后向軌跡模式、化學傳輸模式進行生物質燃燒對污染氣體濃度的影響研究^[4-5]；國內目前主要從氣象學角度分析生物質燃燒對細顆粒物、炭質氣溶膠、臭氧等污染氣體及其對不同區域大氣成分或環境的影響[6-8]，或者選取CO衛星遙感數據與大氣本底站觀測數據進行全國或區域尺度的CO時空分布研究^[9-11]。

　　環境問題已經引起了全球的普遍關注，關系著人類健康和社會可持續發展，生物質燃燒對CO濃度的影響是其中的關鍵問題之一，目前國內外的研究多集中在大區域尺度，如全球或全國尺度，在小區域尺度上，尤其是中國東北地區的相關研究還少有開展；且在CO濃度與生物質燃燒的定量關系上研究較少。為此，本文結合多種數據進行了研究和說明。

　　2數據與方法

　　2.1研究區介紹

　　本文中的東區地區是指廣義上的東北，包括東北三?。ê邶埥?、遼寧省和吉林?。┖蛢让晒抛灾螀^東北的三市兩盟（呼倫貝爾市、通遼市、赤峰市、興安盟、錫林郭勒盟，也稱內蒙古東五盟市），經緯度范圍為38°40′~53°30′N，115°05′~135°02′E。中國東北地區地處溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候區，夏季高溫多雨，冬季嚴寒干燥，近年來呈現暖干化發展態勢。西伯利亞是俄羅斯在北亞的一片廣闊地帶，與中國東北地區北部接壤，地處中高緯度，冬季寒冷漫長，夏季溫和短暫。蒙古國與我國北部地區接壤，地處蒙古高原，屬于大陸性溫帶草原氣候，冬季嚴寒漫長，夏季干熱短暫。

　　2.2數據來源及處理

　　Terra和Aqua衛星是美國國家航空航天局（NASA）的對地觀測系統（EOS）計劃的一部分，分別于1999年12月18日和2002年5月4日發射成功，過境時間分別為每日地方時上午10：30，下午13：30，分別稱為上午星和下午星，均搭載中分辨率成像光譜儀（Moderate-resolutionImagingSpec-troradiometer，MODIS）傳感器。本文選取的FIRMS火點資料，整合了Terra和Aqua的MODIS探測器的觀測結果，分辨率為1km。搭載在Aqua衛星上的大氣紅外探空器（AtmosphericInfraredSounder，AIRS）是一個高光譜紅外探測器，覆蓋3.7~16μm的光譜范圍，2378個通道，星下點分辨率13.5km，垂直分辨率1km。

　　AIRS的業務運行采用SVD算法，反演了CO2、CH4、CO等大氣參數的垂直結構，其廓線產品在全球各個地區已經開展了初步驗證[12-13]，本文選取AIRS二級產品中的CO垂直廓線數據，在38°~60°N，100°~135°E的經緯度范圍內，將近地表和500hPa氣壓層這兩個高度的數據處理成0.5°×0.5°的格網，得到45×71的數據集，并對CO濃度進行統計和分析。

　　美國國家環境預報中心（NCEP）和國家大氣研究中心（NCAR）在20世紀90年代發起“NCEP/NCARReanalysisProject”，可用于氣候診斷分析的研究。NCEP/NCAR再分析資料的水平格點為2.5°×2.5°，包括1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20和10hPa等17個垂直層，本研究中選用了500hPa氣壓層高度的風場資料。

　　3數據結果和分析

　　3.1本地源對中國東北地區CO濃度的影響

　　3.1.1區域CO的時空分布特征

　　圖1是中國地區2012年近地表CO體積混合比值的空間分布，從圖中可以看出，中國各區域的CO濃度值差異明顯。華北的沿海地區CO體積混合比在155ppbv以上，東北大部分區域、內蒙古少部分區域和四川、云南的部分區域的CO體積混合比大于150ppbv，說明我國華北、東北以及四川的大部分區域污染較為嚴重。華北和東北是我國工業集中地區，人口密度大于西部地區，人類活動多，而四川也是我國的重工業城市，受地形的影響水平擴散條件較差，因而CO濃度也比較高。

　　在我國的CO體積混合比高值區中，東北地區的高值區面積大，見圖2，從遼寧省、吉林省到黑龍江省，CO濃度由南向北遞減，遼寧省的CO高值區面積最大，吉林省次之，黑龍江省最小，與遼寧省和吉林省相鄰的內蒙古自治區通遼市的CO高值區面積也較大。此外，海洋上空的CO濃度遠遠低于陸地上空的濃度，海岸線是海洋與陸地上空CO濃度差異的分界線，且界線明顯。

　　圖3是中國東北地區2012年1~12月近地面CO體積混合比的月平均，可以看出，中國東北地區的CO濃度具有非常明顯的季節差異，呈現春季和冬季濃度高，夏季和秋季濃度低的特征。1~4月，CO濃度逐月增加，4月達到最高值，且高值區面積逐月增大；5~9月，CO濃度逐月降低，9月達到11~12月，CO濃度逐月增加。假設CO的年變化幅度非常小，則11月至次年4月，CO濃度逐月增加，4月達到峰值；5~9月，CO濃度逐月降低，9月達到谷值，10月濃度與9月無特別大的差異。CO體積混合比的峰值與谷值差值約為80ppbv，差異較大。

　　3.1.2 CO濃度分布與火點數的相關關系

　　圖4是2012年中國東北地區4個省市自治區的火點數日統計圖，可以看出，地理位置臨近的區域其火點數的時間分布也非常一致，且均具有季節性。這4個區域均在4~5月達到火點數最高值，10月達到火點數次高峰。經調查，東北地區的小麥、大豆、水稻和玉米的生育期均大致在4~10月（表1），農作物播種前將上一季收成后未腐熟腐解的秸稈就地焚燒，農作物收成后也會將秸稈就地焚燒，秸稈焚燒能夠反映農作物收獲時間，具有季節性，季節性的火點數分布可以反映該區域以秸稈焚燒為主的生物質燃燒的情況，黑龍江是我國的農業大省之一，并且擁有大面積的林區，其火點數的數值也是其他區域的數倍。

　　為了更好地研究中國東北地區生物質燃燒對CO濃度分布的影響，本文選取2011~2013年的MODIS火點資料和AIRS的CO體積混合比數據，用MODIS火點資料來表征生物質燃燒概況，綜合考慮衛星覆蓋和數據質量（去除云覆蓋多或數據質量差的數據），將數據處理為3d平均，進行CO體積混合比和火點數的相關性分析，結果見圖5，連續3a的決定系數R2均約為0.52，表明CO濃度與火點數在時空分布上顯著相關。由于在風場的影響下，存在CO的水平或垂直傳輸現象，選用CO的3d平均必然會給結果帶來一定偏差，可能造成相關性低于實際值，但在這種情況下，2011~2013年3a的相關性仍均能達到0.52，說明CO濃度與生物質燃燒確實相關性較好。

　　3.1.3供暖時間、人口和工業分布的影響

　　每年10月下旬到次年3月下旬是中國東北地區集中供暖期，主要在人口集中區域采用燃煤方式集中供暖供熱[14]。燃煤供暖產生了大量的CO，而中國東北地區供暖期寒冷干燥，水汽含量低，冬季的紫外輻射減弱，OH自由基濃度低，CO的化學匯減少。

　　東北地區的集中供暖期是10月下旬至次年3月下旬，而11月至次年4月該地區近地表CO濃度逐月增加，CO濃度高值期恰好比該地區的供暖期延后一個月，CO是大氣痕量氣體中生命時間較長的污染氣體，具有約2個月的大氣滯留時間，東北地區冬季的低OH自由基濃度和寒冷干燥的天氣條件促進了CO的累積，說明中國東北地區的冬季集中供暖是影響該地區CO濃度時間分布的重要因子。

　　相關研究表明，全球除南極洲和格陵蘭外的陸地區域，一半以上的人口定居于距海岸線200公里的范圍內，而距海岸線50km的沿海地區是人口高度聚集的地帶^[15]。環渤海沿岸地區及其腹地，以渤海為中心，人口密度呈環狀帶由海岸線向內陸遞減。

　　從我國第六次人口普查（2010年）的數據中篩選出東北地區的相關數據，并制作人口密度分布圖，可以看出CO與人口密度在空間分布上明顯相關。此外，東北地區是我國的重工業集聚區，齊齊哈爾-哈爾濱—牡丹江一線和哈爾濱—長春—沈陽—大連一線，形成一個“丁”字結構產業布局[16]。

　　結合2012年中國東北地區近地表CO濃度的空間分布（圖2）來看，從遼寧經吉林到黑龍江，隨著人口密度的減少，CO濃度由南向北遞減；內蒙古地區絕大部分區域是人口稀少的廣袤草原，CO濃度較低；包頭市是內蒙古自治區最大的工業城市，圖2也顯示了包頭市的CO濃度高于內蒙古其他區域。

　　燃煤供暖和重工業都伴隨大量的生物質燃燒，因而供暖時間、人口工業分布也反映了生物質燃燒的時空分布。經過分析，中國東北地區的CO空間分布在一定程度上受到了該區域各城市人口密度、工業分布的影響，人口和工業集中的區域CO濃度也較高，這也說明CO濃度與生物質燃燒具有一定的相關性。

　　3.2周邊國家和地區生物質燃燒對中國東北地區CO濃度的影響

　　3.2.1 500hPa氣壓層高度的CO時空分布特征

　　中國東北地區CO濃度不僅受本地源影響，還會受到周邊國家和地區生物質燃燒的影響，500hPa氣壓層高度遠離人類活動，受本地源干擾較少[8]，本文選取該高度的數據進行周邊國家和地區生物質燃燒對中國東北地區CO濃度的影響研究。

　　圖7是2012年我國大陸地區500hPa氣壓層高度CO體積混合比的年平均值空間分布，由圖可知，對比近地表的CO濃度空間分布，500hPa氣壓層高度的CO空間分布沒有明顯的海陸分界線，且在空間分布上有明顯的遷移現象，海洋上空的CO濃度較高，說明存在CO遠距離輸送現象。

　　中國東北地區500hPa氣壓層高度的CO體積混合比月平均分布（圖9）圖顯示，CO的月均值反映其短期內的濃度變化，3~8月濃度特別高，近地表的CO濃度高值時間范圍是春季和夏季，也即高值時間為11月至次年4月，這表明近地表對500hPa氣壓層高度的CO濃度的短期分布影響較小。

　　CO濃度的年平均可以反映其長期的分布，表征空間分布狀況，對比500hPa（圖8）和近地表的年平均，結果表明近地表的CO高值區，其500hPa氣壓層高度的濃度也是高值，近地表的CO低值區，其500hPa氣壓層高度的濃度則不一定是低值，比如內蒙古自治區；此外，近地表的CO濃度高值時間是11月至次年4月，而500hPa氣壓層高度的CO濃度高值時間是3~8月，可以看出500hPa氣壓層高度的高值時間正好比近地面的晚四個月，但兩個高度的CO高濃度時間長度一致，這可能與CO的大氣滯留時間和大氣的對流運動有關。

　　兩種高度的空間分布差異不大，時間分布差異較大，說明在500hPa高度，長期分布主要受CO垂直傳輸的影響，短期分布主要受CO水平傳輸的影響。

　　3.2.2周邊國家和地區生物質燃燒對中國東北地區的影響

　　通過上述分析，500hPa高度的CO濃度短期分布主要受CO水平傳輸的影響，為了更好地研究周邊國家和地區生物質燃燒對中國東北地區CO濃度的影響，本文選用NCEP/NCAR再分析資料，繪制出中國東北地區2012年1~12月的500hPa氣壓層高度的風場月平均圖。

　　由圖10可見，箭頭方向代表風向，長度代表風的強度。1~3月，西北風經西伯利亞和蒙古國吹向中國東北地區；4~7月，自西伯利亞和蒙古國來的氣團一部分向東南方向輸送，另外一部分進入中國東北北部之后向北輸送；8~10月，氣團自西伯利亞和蒙古國向東南方向輸送到中國東北境內后逐步轉向東北方向輸送；11~12月，中國東北地區開始受西北風影響。

　　結合全年的風場月平均，中國東北地區在500hPa氣壓層高度常年受西伯利亞和蒙古國的氣團影響，5~8月，東北北部地區還會受到東北南部地區氣團的影響。

　　圖11是2012全年東北亞地區火點分布情況，西伯利亞和蒙古國全年有大量火點，尤其是與中國東北相鄰的區域，火點數明顯多于中國東北，是大量污染氣體的生物質源。

　　圖10的風場分布表明，500hPa高度存在來自西北方向的氣團，促使CO的水平遷移。與近地表CO濃度空間分布相比，內蒙古自治區的500hPa的CO濃度與其他區域差異變小，這說明中國東北地區，尤其是內蒙古自治區，500hPa氣壓層高度的CO濃度受到了北方鄰國和地區的影響。

　　4結語

　　本文通過大量的實驗和分析研究了生物質燃燒對中國東北地區CO濃度的影響。中國東北地區的CO濃度不僅受本地生物質燃燒的影響，還受到周邊國家和地區的影響。

　　本文選取了2011~2013年3a的數據資料進行CO濃度和火點數的相關性分析，結果表明，決定系數R2在0.52左右，顯著相關。東北地區近地表的CO濃度高值出現在11月至次年4月，與我國北方冬季供暖時間一致。在空間分布上，人口和工業集中的區域，CO濃度較高。

　　東北地區500hPa氣壓層高度的CO高濃度主要在3~8月，CO在空間分布上沒有明顯的海陸界線；結合風場條件，中國東北地區在500hPa氣壓層高度全年處在來自西伯利亞和蒙古國來的西北風影響下，西伯利亞和蒙古國全年有大量火點，表明東北地區，尤其是內蒙古自治區，在500hPa氣壓層高度的CO濃度受西伯利亞和蒙古國的影響。

　　CO的濃度是源和匯兩者共同作用的結果，生物質燃燒是CO的主要源，OH自由基是CO的主要匯，本文分析了CO濃度與生物質燃燒源的定量關系，但沒有定量分析CO濃度與OH自由基濃度的相關關系；此外，本文僅在氣象場的條件下，討論周邊國家和地區生物質燃燒對中國東北地區的影響，并沒有給出定量的關系。在今后的研究中，可以加入OH自由基等影響因子，結合氣象場條件，更進一步定量地研究CO等污染氣體時空分布的影響因子，為我國的環境治理提供決策服務。

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