(1)焚燒火點(diǎn)的監(jiān)測(cè)：目前對(duì)于秸稈露天焚燒的監(jiān)測(cè)主要是基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，1981年，Jeff Dozier提出了衛(wèi)星資料在亞像元精度上識(shí)別地面溫度的算法，1986年，F(xiàn)lannigan和Harr就提出了用AVHRR監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的算法，并指出了其在監(jiān)測(cè)偏遠(yuǎn)地區(qū)森林火災(zāi)的價(jià)值。Stephen H．Boles等比較了幾種基于AVHRR資料的火點(diǎn)探測(cè)算法，并指出地面覆蓋的多樣性對(duì)導(dǎo)致探測(cè)精度的影響。楊麗萍等指出MODIS數(shù)據(jù)除可進(jìn)行簡(jiǎn)單秸稈焚燒監(jiān)測(cè)外，還可以提供諸如火頭分布、煙云走向、火勢(shì)強(qiáng)度和發(fā)展方向等信息。目前精度比較高的自動(dòng)探測(cè)算法為“背景對(duì)比火點(diǎn)探測(cè)算法”(the Contextual Fire Detection Algorithm)，河南、陜西等省級(jí)氣象部門(mén)專(zhuān)門(mén)開(kāi)展了秸稈焚燒監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，為管理部門(mén)治理秸稈焚燒活動(dòng)提供支持。王子峰等依據(jù)實(shí)際觀測(cè)情況對(duì)“背景對(duì)比火點(diǎn)探測(cè)算法”中的關(guān)鍵參數(shù)和閾值進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，使其更好的適合中國(guó)地區(qū)火點(diǎn)。方萌等提出了用GIS輔助判別火點(diǎn)類(lèi)型和用GPS技術(shù)對(duì)火點(diǎn)進(jìn)行精確定位的方法，使火點(diǎn)位置誤差小于10m。戎志國(guó)等通過(guò)人工火情測(cè)量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雖然現(xiàn)有遙感衛(wèi)星紅外通道星下分辨率只有1km，EOS-MODIS及FY-1D等氣象衛(wèi)星的中波紅外通道均可探測(cè)到小至200m2甚至100m2的完全燃燒的火場(chǎng)。劉誠(chéng)、馮蜀青等分析了基于火點(diǎn)像元輻射率的亞像元火點(diǎn)面積和亮溫的估算方法，并進(jìn)行了實(shí)例比較，指出該方法可以較準(zhǔn)確地估算火點(diǎn)面積大小和溫度的高低，是可行的。
(2)焚燒污染物排放因子的研究：在理想狀態(tài)下，生物質(zhì)的燃燒主要產(chǎn)生水蒸氣和C02，但在多數(shù)情況下特別是燜火過(guò)程中，由于不完全燃燒，導(dǎo)致煙塵中含有CO，NOx、CH4，非甲烷烴、氨和VOC等污染物。早在19世紀(jì)80年代，Seiler和Crutzen就指出了人為生物質(zhì)燃燒在改變大氣化學(xué)成分方面的重要作用。目前常用的生物質(zhì)燃燒顆粒物排放因子的測(cè)定方法有兩類(lèi)：-是通過(guò)模擬燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)定燃燒消耗量和顆粒物排放量獲得排放因子，此方法的缺點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)室不能完全模擬野外的焚燒條件；二是通過(guò)同步測(cè)定燃燒現(xiàn)場(chǎng)煙羽中顆粒物和C02的濃度來(lái)推算排放因子，此方法的缺點(diǎn)在于秸稈C02排放因子也受諸多因素的影響。1995年，R．Delmas和J.PLacaux總結(jié)了從1979年到1995年，一些科學(xué)家做的包括美洲、非洲、澳大利亞等地區(qū)在內(nèi)的自然的和人為的生物質(zhì)燃燒的研究，概括了各種燃燒類(lèi)型下，各污染物的排放因子和排放比例，對(duì)后續(xù)研究起到了一定的指導(dǎo)作用。Christopher F．Saamak等研究了上風(fēng)向和下風(fēng)向點(diǎn)火狀態(tài)下的燃燒效率，并指出了點(diǎn)火位置對(duì)排放因子的影響。國(guó)內(nèi)這方面開(kāi)展的研究起步較晚，研究也較少，祝斌等利用實(shí)驗(yàn)室模擬明火和燜火燃燒狀態(tài)下不同地區(qū)玉米、小麥和水稻秸稈的PM2.5排放因子，指出排放因子受秸稈燃燒狀態(tài)影響顯著，而隨地區(qū)的變化比較小。張鶴豐在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了水稻、玉米和小麥秸稈氣態(tài)污染物(CO，C02，NOx、多環(huán)芳烴)的排放因子、排放比和燃燒效率，并測(cè)定了燃燒排放顆粒物的粒徑分布特征和粒徑成長(zhǎng)特征。各種生物質(zhì)燃燒PM2,5排放因子匯總見(jiàn)表1.1。
(3)焚燒量的估算及其污染物排放量的估算：由于秸稈焚燒活動(dòng)時(shí)間短，除衛(wèi)星監(jiān)測(cè)外，無(wú)其他有效監(jiān)測(cè)手段，而衛(wèi)星監(jiān)測(cè)受到諸多因素的影響，不能監(jiān)測(cè)到所有焚燒火點(diǎn)，因此，秸稈焚燒的總量無(wú)法精確計(jì)算，只能通過(guò)各種方式估算。Jassim Al-Saadi等比較了四種基于衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)秸稈焚燒污染物排放量的估算方法，指出目前主要的估算方法都只能估算正在燃燒的火點(diǎn)的排放情況。V Krishna Prasad等估算了印度東北地區(qū)生物質(zhì)燃燒痕量氣體的排放量，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了遙感和GIS技術(shù)在估算方法中的應(yīng)用價(jià)值。Joel S．Levine估算了1997年印度尼西亞干旱引起的森林火災(zāi)排放的C02，CO，CH4，NOx和顆粒物的量，估算結(jié)果超過(guò)1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)伊拉克點(diǎn)燃的科威特油田燃燒的排放量。H2O等曾在1994年估算東亞地區(qū)小麥秸稈有17%被焚燒，這一數(shù)據(jù)被Streets D.G等引用。王書(shū)肖等通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和模型計(jì)算，確定了我國(guó)秸稈露天焚燒的比例為18.59%，并以此為基礎(chǔ)估算了我國(guó)秸稈露天焚燒大氣污染物排放清單及其時(shí)空分布。曹?chē)?guó)良等根據(jù)各省、市、自治區(qū)糧食和經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量，結(jié)合谷草比，得到全國(guó)各省份的農(nóng)業(yè)秸稈總產(chǎn)量，再通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)查等方法，得出我國(guó)農(nóng)業(yè)秸稈露天焚燒的比例約23.3%左右。曹?chē)?guó)良等還分別估算了我國(guó)生物質(zhì)燃燒和秸稈露天焚燒排放的S02、NOx、NH3、CH4、EC、OC、VOC、CO、C02等污染物的排放量，其中秸稈露天焚燒的估算因子還有TSP和PMio，并進(jìn)一步細(xì)化到了縣、區(qū)及行政區(qū)，分析了污染物排放的空間分布。
農(nóng)作物秸稈可以經(jīng)過(guò)秸稈壓塊機(jī)、秸稈顆粒機(jī)壓制成塊狀的和圓柱狀的生物質(zhì)顆粒燃料增加其利用價(jià)值。
(4)焚燒的環(huán)境影響：燃燒所排的污染物包括氣溶膠和各種氣態(tài)污染物。氣溶膠一方面影響城市環(huán)境，一方面可以通過(guò)散射及反射太陽(yáng)輻射改變地球能量平衡，從而影響全球氣候。氣體污染物中，C02和CH4是溫室氣體，NOx和S02等有利于酸雨的形成，氮氧化物是生成光化學(xué)煙霧的重要一環(huán)。R．Koppmann等指出生物質(zhì)燃燒排放的CO，CH4和VOC通過(guò)與OH自由基的反應(yīng)，對(duì)對(duì)流層的氧化性影響很大，而排放的VOC和氮氧化合物會(huì)導(dǎo)致臭氧和其他光化學(xué)氧化物的形成。厲青等利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的全國(guó)秸稈焚燒狀況，結(jié)合氣象資料分析其對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)700、800km范圍內(nèi)火點(diǎn)數(shù)變化趨勢(shì)與空氣污染指數(shù)有較好的一致性。李金香等于2006年6月20日通過(guò)顆粒物采樣監(jiān)測(cè)了西南風(fēng)下北京南部農(nóng)田麥秸焚燒產(chǎn)生的污染物向北京傳輸?shù)倪^(guò)程，發(fā)現(xiàn)氣象條件對(duì)污染物濃度變化起主導(dǎo)作用，而麥秸焚燒產(chǎn)生的外來(lái)污染源屬于次要地位。伍德俠等通過(guò)對(duì)秸稈焚燒期間合肥市黑炭氣溶膠的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)在秸稈焚燒期間，合肥市黑炭氣溶膠質(zhì)量濃度增加了約73%。謝明捷等通過(guò)分析2007年夏秋季節(jié)灰霾天氣和非灰霾天氣不同粒徑顆粒物的樣品，發(fā)現(xiàn)秸稈焚燒釋放出大量低分子量多環(huán)芳烴(PAHS)。鄭曉燕等利用大氣顆粒物樣品中有機(jī)炭(OC)與水溶性鉀(K+)的質(zhì)量濃度變化，識(shí)別了春耕（清明）、麥?zhǔn)铡⑶锸蘸颓锛韭淙~等4個(gè)生物質(zhì)燃燒過(guò)程，在生物質(zhì)燃燒典型樣品中，其貢獻(xiàn)高達(dá)三至六成。陶金花等通過(guò)秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果和OMI數(shù)據(jù)計(jì)算出華北地區(qū)同時(shí)期對(duì)流層N02垂直柱濃度總量變化的分析，發(fā)現(xiàn)2008年華北地區(qū)秸稈禁燒措施對(duì)對(duì)流層N02柱濃度的降低起到一定的作用。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)燃燒對(duì)對(duì)流層臭氧的增加有一定的貢獻(xiàn)。
為全面評(píng)價(jià)秸稈焚燒的環(huán)境影響，秸稈焚燒排放的污染物傳輸是一個(gè)重要方面，而國(guó)內(nèi)這方面的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道，而國(guó)外關(guān)于生物質(zhì)燃燒所排污染物的傳輸做了很多研究。H．Evangelista等通過(guò)全球傳輸模式GISS(Goddard Institute for Space Studies)和后向軌跡模式HYSPLIT研究發(fā)現(xiàn)，南極洲半島靠近西南大西洋地區(qū)的黑炭氣溶膠有一半來(lái)自于南美洲生物質(zhì)燃燒。Saulor R．Freitas等通過(guò)RAMS模式模擬和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)南美洲和非洲生物質(zhì)燃燒污染物可以跨過(guò)大西洋在兩大洲之間傳輸，最高傳輸高度可達(dá)10000m以上。M.O, Andreae等通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，南美蘇里南地區(qū)10km以上對(duì)流層中增加的CO、C02、乙腈、氯甲烷、烴類(lèi)、NO和03有80%～95%來(lái)自于地面生物質(zhì)燃燒。秦世廣等通過(guò)ATSR衛(wèi)星火點(diǎn)資料，采用前向氣流軌跡模式及滯留時(shí)間分析方法，研究了歐亞大陸生物質(zhì)燃燒的傳輸特征，并分析了其對(duì)中國(guó)的影響。B．Ainslie和P.L. Jackson用CALPUFF模式模擬了加拿大英屬哥倫比亞省喬治王子城附近的野外廢棄木料燃燒的環(huán)境影響，并提出了不同氣象條件下可以允許的距離城市的燃燒范圍。Yu-Jin Choi和H.J.S. Fernando用CALPUFF模式模擬科羅拉多州作物秸稈焚燒煙團(tuán)在美國(guó)和墨西哥邊境的傳輸，指出由于模式無(wú)法模擬二次粒子的形成，導(dǎo)致模擬結(jié)果偏低。Rahul Jain等介紹了基于CALPUFF和中尺度數(shù)值模式MM5的用于模擬農(nóng)業(yè)秸稈燃燒污染物擴(kuò)散的ClearSky系統(tǒng)，并指出氣象場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果和火點(diǎn)監(jiān)測(cè)效率對(duì)模擬結(jié)果的影響很大。
本文基于河南省夏收季節(jié)秸稈焚燒活動(dòng)的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)合精確到縣一級(jí)的小麥平均單產(chǎn)資料和谷草比，估算出各火點(diǎn)焚燒的秸稈量，再乘以一定的排放因子，得到單個(gè)火點(diǎn)污染物( PM2.5)排放量。采用中尺度數(shù)值模式MM5預(yù)報(bào)結(jié)果作為背景氣象場(chǎng)，用CALMET診斷模式進(jìn)行分析并同化河南省部分地面氣象觀測(cè)站觀測(cè)資料得到進(jìn)一步精細(xì)化的氣象場(chǎng)，用CALPUFF擴(kuò)散模式對(duì)各火點(diǎn)所排污染物的擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬。最后對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。
