森林火灾烟气排放及扩散传输规律研究

China and many other world regions are facing frequent smog and haze occurrence and global warming. This makes it urgent to quantitatively assess the impacts of forest fires on air quality and climate. Fire emission is a key factor for assessment accuracy. While fire emission has been extensively investigated worldwide, large uncertainty remains in emission estimates, mainly due to the difficulty in obtaining accurate emission factors. Oil in the forest fuels can significantly stimulate flame combustion, and substantially affect the components and amounts of fire emissions. However, the specific effects have been rarely reported either in China or abroad. The purpose of this project is to fill this gap by investigating fuel oil content-fire emission relationship and the related smoke transport in the Daxing’anling Mountain, a region with extensive forest coverage and most frequent fires in China. Field and laboratory fuel measurements and smoke and air quality simulations will be conducted to understand the effects of oil content on fire emissions, emission components and amounts (especially PM2.5 and black carbon), smoke rising and transport mechanisms and their interactions with the atmosphere and topography. The findings are expected to provide evidence and quantitative assessment for the important contribution of fires, especially large fires, to regional air pollution and climate.

当前我国和世界上很多地区都面临雾霾频发和气候变暖，急需开展森林火灾排放烟气对空气质量和气候影响的定量评估工作。烟气排放量是决定评估精度的关键因子。国内外学者针对烟气排放量进行了大量的研究，但排放量数据仍存在很大的不确定性。排放因子是制约排放量精度的最难准确获得的因子。可燃物中的油脂显著促进火焰燃烧，对烟气组分和排放量有重要的影响，当前国内外在此方面的研究少见报导。本项目拟以我国森林面积和火面积最大的大兴安岭林区为研究区域，深入探索可燃物中的油脂含量与烟气组分和排放量的相互关系。通过室内外火烧实验、烟气扩散传输过程及对空气质量影响的模拟，预期在提高烟气排放因子和排放量计算精度、研究区域烟气排放量计算（特别是PM2.5和黑碳）、烟气上升模型、烟气扩散传输规律、林火-气象-地形的相互作用等方面取得一些原创性成果，为定量评估火灾（特别是大火灾）对空气质量和气候的影响提供理论、技术和数据的支撑。

火灾在短时间内向环境排放大量高浓度的烟气，其中的细颗粒物（PM2.5等）是“霾”形成的关键因子，其浓度是评估空气质量的最重要指标。当前针对我国火灾案例的烟气扩散传输过程及对空气质量影响的研究鲜见报导。本项目以大型火灾案例和计划烧除为研究对象，开展了以下研究：（1）我国不同区域火灾烟气排放和传输特征研究；（2）腐殖质对烟气排放和传输的影响研究；（3）计划烧除烟气排放及对周边城市空气质量影响研究；（4）不同可燃物燃烧排放PM2.5质量浓度及影响因子研究。结果表明，不同区域火灾烟气排放量、扩散和传输有很大差异；东北林区火灾通常火面积大、烟气排放量大，扩散传输距离远、影响范围大；西南林区火面积较小，烟气影响的范围也较小，但由于距离居民区近，对周边大城市空气质量影响更大。气象场特别是风向和风速，是影响烟气被传输到的范围和污染物浓度（PM2.5等）的关键因子。火面积、可燃物载量和可燃物消耗率是影响烟气排放量的主要因子。可燃物类型是又一个重要因子，针叶树烟气排放量大于阔叶树。寒温带针叶林烟气排放量最大，其次为温带针叶林，温带针阔混交林，温带阔叶林，温带灌木林，草甸的烟气排放量最小。腐殖质是一类特殊的可燃物，其深度在不同区域、不同森林类型里差异很大。其结构紧密，燃烧形式通常为阴燃。研究发现，腐殖质阴燃释放的颗粒污染物远远超过明火燃烧。因此，将腐殖质的载量控制在一定的水平，可防止其燃烧时带来的潜在烟气危害。计划烧除是很好的可燃物管理措施，定期烧除部分地表枯落物，可阻止过多的腐殖质生成。研究发现适当的控制计划烧除的面积、选取风向适宜和风速小的天气进行作业等，可将烟气的影响降低到很低的水平。基于项目研究成果，应用模式生成的气象场数据，可对突发性火灾所产生的烟气进行模拟，预测烟气的传输轨迹与PM2.5浓度格局，并可通过人为增加湿度等措施加速烟气的沉降，降低其对人口密集区域空气质量的影响。