2019年2月黑龍江省火點數量異常分析

吳 雙，韓書新，季生太，徐作敏，孫 濤

(黑龍江省生態氣象中心，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

中國為農業生產大國，秸稈年產量高達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、苯以及環芳烴等有害氣體及顆粒產物對局地、區域乃至全球的空氣質量產生重要影響[2-5]，黑龍江省是中國最主要的商品糧生產基地，在為全國人民提供豐富農業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年東北地區可收集秸稈產量約1.59億t，約占全國秸稈總產量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補助措施，同時實行秸稈露天焚燒四級網格管理制度，人力成本投入極高、耗費時間長、時效性差。隨著中國氣象衛星的快速發展，氣象衛星以其高頻次、低成本、高時效等優點成為秸稈焚燒熱源點監測的又一有效手段[9-10]，因此利用衛星遙感技術，結合地理信息系統技術在快速獲取大范圍作物秸稈焚燒區有著極大優勢。根據黑龍江省農產區物候特點，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象，但在2019年2月該省出現了罕見的秸稈焚燒現象，對當地空氣質量帶來了較大影響。本文針對2019年2月火點異常的現象，通過衛星遙感火點監測分析，從氣候、物候等方面分析，以探求秸稈焚燒異常情況出現原因，為政府監督管理以及科學引導秸稈處理提供理論依據和參考。

2 研究區背景

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蒙古自治區和吉林省相鄰，農用地面積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。研究區位置如圖1。

圖1 黑龍江省位置示意圖

3 衛星遙感火點提取方法

當前主流的衛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。當生物質燃燒時，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。森林草原農田等生物質燃燒的溫度范圍為600-1200 K，對應波長范圍在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，當生物質燃燒時，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，可以從衛星遙感信息中發現火像元點。

本文利用國家衛星氣象中心提供的FY系列極軌衛星資料，以人機交互方式選取區域內火點，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：

ⅰ：常溫地表和火點像元的亮溫差異

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月的極軌氣象衛星火點數據，分析黑龍江省2019年2月的火點數量異常情況。2019年2月，黑龍江省共監測到火點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、三江平原等農區，下墊面土地類型主要為農田，此外在黑龍江中部、東南部林田交界處出現較多火點。

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，大部地區偏少5-8成，松嫩平原西部部分縣市、五大連池、鶴崗市區、樺川、同江、寶清、密山偏少8成以上（見圖4）。季內各月降水量均偏少，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。季內氣溫持續偏高，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

火點數量增多除了與當地氣象要素有關外，還與積雪緊密相關。當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到積雪層下，被積雪覆蓋的植被含水量較多，很難被點燃。當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，農田的秸稈極易被點燃。

利用衛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，其中鶴崗地區積雪覆蓋時間最長，達到24 d以上，黑河地區為15-18 d，其余地區均在8 d以內。除此之外，黑龍江西部和東部大部分地區出現了無積雪覆蓋狀況。而在2015-2018年的2月中，黑龍江省每年都處于積雪覆蓋，且西部和東部農區較其他區域偏多，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 結論

本文基于2015-2019年2月FY3系列極軌衛星火點監測數據，經過數據提取、清洗等處理流程后，構建火點數據集。同時結合降水量、溫度、積雪覆蓋數據對2019年2月黑龍江省火點異常情況進行分析，主要結論如下：

（1）2019年2月，黑龍江省共監測到火點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，其中鶴崗地區積雪覆蓋時間最長，黑河地區為15-18 d，其余地區均在8 d以內。除此之外，黑龍江西部和東部大部分地區出現了無積雪覆蓋狀況。

（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。