基于卫星遥感探究热浪期间电厂排放及空气质量变化

福建师范大学地理科学学院STEAR团队束蕾博士作为共同第一作者，与南方科技大学刘嵩研究助理教授、朱雷助理教授等在地球科学领域著名期刊 Earth’s Future 上发表了基于卫星遥感探究热浪期间电厂排放及空气质量变化的最新研究成果。

研究背景

在全球气候变化的背景下，近年来极端热浪的频率和强度持续增加。高温热浪气象条件会导致大气污染物的累积，并触发光化学反应、自然源排放和野火风险等多重反馈，给区域空气质量带来持续威胁。除自然因素外，极端热浪往往会引发居民制冷和农业灌溉对电力需求的大幅上升，而人为源排放对热浪的响应机制及其对空气质量的影响仍有待研究。基于卫星遥感和模式模拟的大气污染物排放监测具有时空连续性长、观测频次高、覆盖范围大等优势。

研究方法

本研究选取印度和中国的极端热浪事件，利用OMI和TROPOMI卫星遥感数据监测了热浪期间燃煤电厂SO2和NO2浓度变化，并结合大气化学传输模式WRF-Chem量化了电力部门人为源排放的增加。在此基础上，本研究进一步探索了热浪期间前体物增加对PM2.5和O3生成的敏感性。

卫星遥感捕捉的SO₂和NO₂增加

图1. 热浪期间燃煤电厂上空OMI和TROPOMI观测的SO2浓度提升

OMI和TROPOMI卫星观测显示，极端热浪期间燃煤电厂上空SO2浓度升高26.5%-83.8%，NO2浓度升高4.1%-23.7%，超过气象条件和长期趋势的影响。

图2. 污染物与气温及发电量的时间变化

以2019年印度热浪为例，卫星观测的污染物动态变化与气温和发电量的演变一致度较高，热浪期间的污染物浓度升高可归因于电力需求上升导致的燃煤增多。

热浪引发的电力排放增加

表1. 热浪期间SO2和NO2卫星观测、长期趋势、气象影响和人为排放约束结果

结合WRF-Chem模型和正向思路的“自上而下”排放约束算法，研究显示热浪导致的电厂排放增加幅度为34.9%。

电厂排放增加对PM_2.5和O₃影响

电厂上空前体物排放的增加导致了周边静风城市上空PM2.5和O3污染恶化。但与非热浪期间相比，热浪期间PM2.5和O3增加幅度有一定程度的抑制（分别为-53%和-25%），这种非均质效应受到大气氧化能力、过氧乙酰硝酸盐的热分解、边界层抬升和空气停滞等多重因素的共同影响。

图3. 2019热浪及2018非热浪期间印度首都区静风条件下PM_2.5和O₃浓度对电厂排放增加的敏感性

结语

本研究首次通过卫星观测揭示了燃煤电厂人为源排放对极端热浪的动态响应机制，并探究了热浪期间前体物对二次污染物形成的复杂作用。本研究聚焦气候变化的人为反馈，提出了针对极端事件的控制策略和替代能源的必要性，并强调了缓解空气污染需要全面了解排放、化学和气象之间的相互作用。

论文链接：

https://doi.org/10.1029/2023EF003937

Liu, S. #, Shu, L. #, Zhu, L., Song, Y., Sun, W., Chen, Y., Wang, D., Pu, D., Li, X., Sun, S., Li, J., Zuo, X., Fu, W., Yang, X., and Fu, T.-M.: Underappreciated emission spikes from power plants during heatwaves observed from space: Case studies in India and China, Earth's Future, 12, e2023EF003937, 2024.