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        2019年2月黑龍江省火點數(shù)量異常分析

        2021-12-08 05:03:08韓書新季生太徐作敏
        黑龍江氣象 2021年3期
        關鍵詞:亮溫火點積雪

        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,結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術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?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)督管理以及科學引導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(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?;瘘c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?shù)貧庀笠赜嘘P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(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。

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