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生物质（森林、草原和农作物残留等）燃烧是大气中气态污染物和颗粒物的重要来源之一，可对全球气候、区域环境和人体健康造成严重影响。我国华北平原地区（京津冀鲁豫皖苏）和东北地区（黑吉辽）是两大农作物主产区，农业秸秆产量丰富。农作物成熟收获季节，大量秸秆、种壳和残茬等残留物被露天焚烧并排放大量污染物，叠加工业和城市高强度的人为排放，容易引发局地或区域重霾污染事件，危害公众健康。
本研究通过中分辨率成像光谱仪(MODIS)火点和土地类型产品，针对火点集中的华北平原地区和东北地区，分析不同下垫面的火点变化趋势及空间分布，并主要分析研究了农业秸秆露天焚烧的演变特征;利用高时空分辨率的全球火同化系统(GFAS)的全球生物质排放清单数据，确定农田秸秆露天焚烧污染物排放量和排放分布;基于地面观测和卫星遥感数据，结合气象条件，分析农田秸秆焚烧对空气质量的影响;利用GFAS排放清单数据和WRF-Chem空气质量模式，通过敏感性试验定量评估了秸秆焚烧对大气污染物的贡献，以及不同气象条件下的影响差异。主要结果如下:
1、通过MODIS卫星火点产品分析华北平原地区2003-2016年6月和秋季（9-11月）农田火点特征，发现华北平原地区农田火点主要分布在河北、河南大部分地区以及山东东部地区。夏季6月份火点数量远高于秋季火，秋季火点数量10月份最为集中。夏季6月份火点数量在2012年达到峰值，秋季火点数量在2013年达到最高值;在严格禁烧管控下，华北地区6月和秋季火点数量逐年减少，到2016年只有少量火点存在。
2、对东北地区不同下垫面的生物质燃烧进行分析，发现春季（3-4月）和秋季（10-11月）是东北地区生物质燃烧的主要季节，分别占37％和46％。总体看从2003-2017年火点数量震荡增加，并在2013-2017年期间增加到峰值。春季火点从2013年突增，秋季火点则先震荡上升、后在2016年开始下降，并且2016-2017年高火点季节从秋季转换成了春季。火点主要集中在农田下垫面，占比91％，森林和草地为8％。空间分布显示火点主要位于黑龙江省，但2013-2017年黑龙江省火点数量占比下降，吉林和辽宁省增加。
3、对比秋季华北平原和东北农田火点燃烧特征，发现华北平原地区火点燃烧主要集中在10月上旬，东北地区集中在10月下旬，且两地常常在白天午后进行秸秆焚烧。从燃烧强度上来看，华北平原地区秋季火点辐射功率(FPR)平均值为11.1MW，东北地区平均值为16.2MW，且高强度火点都集中在Aqua Day和Terra Night卫星过境期间，说明燃烧在下午以及夜间强度较大。
4、通过GFAS全球生物质排放清单，提取研究区域农田火点排放量，获得了华北平原地区和东北地区秸秆焚烧污染物排放水平和排放分布情况。其中，华北平原地区2003-2016年秋季（10月-11月）各省市累计PM2.5排放量为25.71t，山西省、河南省和安徽省排放量较高，分别占华北平原地区总排放量的23.6％、22.9％和17.9％。东北地区2003-2017年的3月和4月，PM2.5、NOx和NH3的累积排放分别为139.25、45.28和23.28Gg;10月和11月分别为214.9、66.7和32.4Gg。其中，黑龙江省在10月-11月的排放量以及吉林省和辽宁省在3月-4月的排放量较高。
5、分析气象条件与秸秆焚烧引发空气污染的关系，发现华北平原地区6月份农田火点数量虽多，但降水多、风速高，扩散条件好，6月份PM2.5污染浓度不高。而10月份扩散条件差，特别是在低风速、高湿度条件下，再叠加工业和城市排放，往往造成区域重污染过程。东北地区春季相比秋季多干冷且风速大，秸秆焚烧造成的PM2.5污染浓度比秋季低。同时研究了气候条件与东北地区林火发生的关系，发现林火数量和平均温度呈极显著正相关性，与平均降水存在极显著负相关关系。
6、以2014年10月发生在华北京津冀地区和东北地区重污染事件为例，分析秸秆焚烧对空气质量污染影响。研究发现，京津冀10月份发生的3次区域重污染事件都与秸秆焚烧有关。周边秸秆焚烧在偏南弱风的输送下到达京津冀核心区域，进而与区域内污染排放叠加，并在高湿和逆温等不利气象条件下引发二次污染物爆发式增长，加剧了霾污染程度。东北地区2014年10月火点数量与区域污染物浓度之间的关系显示，火点数量高的时间段，地面污染物浓度最高，两者相关性较强;同时结合卫星数据资料，发现烟羽污染出现在2km上下，显示出区域污染与秸秆焚烧密切相关。
7、利用WRF-Chem数值模式，对2014年10月华北秸秆焚烧排放量最高的一次重污染过程进行分析，定量评估了秸秆焚烧的贡献。研究发现，秸秆焚烧产生PM2.5在垂直高度可达到1.5km，排放源集中的华北平原南部，日贡献量最高时PM2.5贡献了14.1％;对BC、OC分别贡献了17.4％和59.8％;污染物在南风的作用下向北输送，对下游区域华北平原中部和华北平原北部地区日贡献量最高时PM2.5贡献率为5.3％和3.0％，BC贡献率为8.1％和1.3％，OC贡献率为37.5％和8.3％。研究发现不同程度北风对抵消秸秆焚烧的区域贡献都有一定作用，尤其区域强北风主控时，即使区域秸秆焚烧排放量很高，对区域污染物浓度的贡献也非常有限。选择在强北风有利于污染物扩散的时间段，协同控制区域其他人为污染排放，有计划地焚烧秸秆，既不会对区域污染造成显著性的影响，又可低成本地有效处理农作物秸秆。
本研究通过中分辨率成像光谱仪(MODIS)火点和土地类型产品，针对火点集中的华北平原地区和东北地区，分析不同下垫面的火点变化趋势及空间分布，并主要分析研究了农业秸秆露天焚烧的演变特征;利用高时空分辨率的全球火同化系统(GFAS)的全球生物质排放清单数据，确定农田秸秆露天焚烧污染物排放量和排放分布;基于地面观测和卫星遥感数据，结合气象条件，分析农田秸秆焚烧对空气质量的影响;利用GFAS排放清单数据和WRF-Chem空气质量模式，通过敏感性试验定量评估了秸秆焚烧对大气污染物的贡献，以及不同气象条件下的影响差异。主要结果如下:
1、通过MODIS卫星火点产品分析华北平原地区2003-2016年6月和秋季（9-11月）农田火点特征，发现华北平原地区农田火点主要分布在河北、河南大部分地区以及山东东部地区。夏季6月份火点数量远高于秋季火，秋季火点数量10月份最为集中。夏季6月份火点数量在2012年达到峰值，秋季火点数量在2013年达到最高值;在严格禁烧管控下，华北地区6月和秋季火点数量逐年减少，到2016年只有少量火点存在。
2、对东北地区不同下垫面的生物质燃烧进行分析，发现春季（3-4月）和秋季（10-11月）是东北地区生物质燃烧的主要季节，分别占37％和46％。总体看从2003-2017年火点数量震荡增加，并在2013-2017年期间增加到峰值。春季火点从2013年突增，秋季火点则先震荡上升、后在2016年开始下降，并且2016-2017年高火点季节从秋季转换成了春季。火点主要集中在农田下垫面，占比91％，森林和草地为8％。空间分布显示火点主要位于黑龙江省，但2013-2017年黑龙江省火点数量占比下降，吉林和辽宁省增加。
3、对比秋季华北平原和东北农田火点燃烧特征，发现华北平原地区火点燃烧主要集中在10月上旬，东北地区集中在10月下旬，且两地常常在白天午后进行秸秆焚烧。从燃烧强度上来看，华北平原地区秋季火点辐射功率(FPR)平均值为11.1MW，东北地区平均值为16.2MW，且高强度火点都集中在Aqua Day和Terra Night卫星过境期间，说明燃烧在下午以及夜间强度较大。
4、通过GFAS全球生物质排放清单，提取研究区域农田火点排放量，获得了华北平原地区和东北地区秸秆焚烧污染物排放水平和排放分布情况。其中，华北平原地区2003-2016年秋季（10月-11月）各省市累计PM2.5排放量为25.71t，山西省、河南省和安徽省排放量较高，分别占华北平原地区总排放量的23.6％、22.9％和17.9％。东北地区2003-2017年的3月和4月，PM2.5、NOx和NH3的累积排放分别为139.25、45.28和23.28Gg;10月和11月分别为214.9、66.7和32.4Gg。其中，黑龙江省在10月-11月的排放量以及吉林省和辽宁省在3月-4月的排放量较高。
5、分析气象条件与秸秆焚烧引发空气污染的关系，发现华北平原地区6月份农田火点数量虽多，但降水多、风速高，扩散条件好，6月份PM2.5污染浓度不高。而10月份扩散条件差，特别是在低风速、高湿度条件下，再叠加工业和城市排放，往往造成区域重污染过程。东北地区春季相比秋季多干冷且风速大，秸秆焚烧造成的PM2.5污染浓度比秋季低。同时研究了气候条件与东北地区林火发生的关系，发现林火数量和平均温度呈极显著正相关性，与平均降水存在极显著负相关关系。
6、以2014年10月发生在华北京津冀地区和东北地区重污染事件为例，分析秸秆焚烧对空气质量污染影响。研究发现，京津冀10月份发生的3次区域重污染事件都与秸秆焚烧有关。周边秸秆焚烧在偏南弱风的输送下到达京津冀核心区域，进而与区域内污染排放叠加，并在高湿和逆温等不利气象条件下引发二次污染物爆发式增长，加剧了霾污染程度。东北地区2014年10月火点数量与区域污染物浓度之间的关系显示，火点数量高的时间段，地面污染物浓度最高，两者相关性较强;同时结合卫星数据资料，发现烟羽污染出现在2km上下，显示出区域污染与秸秆焚烧密切相关。
7、利用WRF-Chem数值模式，对2014年10月华北秸秆焚烧排放量最高的一次重污染过程进行分析，定量评估了秸秆焚烧的贡献。研究发现，秸秆焚烧产生PM2.5在垂直高度可达到1.5km，排放源集中的华北平原南部，日贡献量最高时PM2.5贡献了14.1％;对BC、OC分别贡献了17.4％和59.8％;污染物在南风的作用下向北输送，对下游区域华北平原中部和华北平原北部地区日贡献量最高时PM2.5贡献率为5.3％和3.0％，BC贡献率为8.1％和1.3％，OC贡献率为37.5％和8.3％。研究发现不同程度北风对抵消秸秆焚烧的区域贡献都有一定作用，尤其区域强北风主控时，即使区域秸秆焚烧排放量很高，对区域污染物浓度的贡献也非常有限。选择在强北风有利于污染物扩散的时间段，协同控制区域其他人为污染排放，有计划地焚烧秸秆，既不会对区域污染造成显著性的影响，又可低成本地有效处理农作物秸秆。