通过追踪火灾产生的烟雾改善空气质量预测

2017年9月，野火肆虐美国西部，产生的烟雾弥漫全国。这幅自然色彩的马赛克图像是由索米国家极地轨道合作伙伴号卫星上的可见光红外成像辐射计套件于2017年9月4日拍摄的几幅场景组合而成。
版权：NASA地球天文台的图片，图像由约书亚•斯蒂文斯（Joshua Stevens）和杰西•艾伦（Jesse Allen）使用来自索米国家极地轨道伙伴关系号卫星的VIIRS数据生成。

美国国家航空航天局（NASA）的DC-8空中实验室于7月22日起飞，开始对美国火灾烟雾的生命周期进行为期两个月的调查，旨在更好地了解烟雾对天气和气候的影响，并提供有助于改善空气质量预测的信息。

NASA、NOAA和大学合作伙伴正面向天空和地面来跟踪美国各地发生的火灾所产生的烟雾。FIREX-AQ行动始于爱达荷州的博伊西，其长期目标是提高我们对火灾烟雾如何影响整个北美空气质量的理解。
版权：NASA/凯蒂•默斯曼（Katy Mersmann）
该视频可以在NASA的科学可视化工作室免费下载

火灾对区域乃至全球环境和空气质量的影响（FIREX-AQ）是由NASA和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）领导的联合行动，旨在研究火灾烟雾的化学和物理特性、测量方式及其从燃烧的那一刻起直到顺风数百或数千英里处的最终命运。所有这些均会对公共卫生产生影响。

NASA华盛顿总部的对流层构成项目负责人，同时也是FIREX-AQ联合研究员的巴里•勒费（Barry Lefer）表示：“我们的终极目标是更好地理解烟雾-大气间的复杂相互作用，以改善空气质量预测模型，提高预测准确性，实现早期预警。这些对火灾下风向的区域是至关重要的。当我们在几年前开始计划这项重大努力时，正是这个共同的目标让我们的机构凝聚起来。”

NOAA化学科学部主任大卫•法伊（David Fahey）表示：“我们集结了一个杰出的科学家团队，他们将使用有史以来最复杂最精细的仪器和模型来研究火灾和烟雾的性质。我们与NASA的长期合作使得我们可以围绕地球旋转，从而产生了许多重大科学发现。我想这次合作也将是如此。”

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联合行动的第一阶段主要是观察美国西部野火产生的烟雾。几架位于爱达荷州博伊西的飞机配备了最先进的遥感和原位测试仪器，它们将协同工作，对烟羽及其随着天气动力学而不断变化的化学成分进行采样，跟踪这些烟羽从燃烧直到终点的轨迹，这些终点往往位于几个州之外的下风向的远处。

NASA的DC-8空中实验室是一个长途飞行的科学实验室，它即将迎来NOAA的“双水獭”（Twin Otter）飞机共同行动。NASA的平流层侦察机ER-2也将从位于加利福尼亚州帕姆代尔的阿姆斯特朗飞行研究中心起飞。

8月中旬，行动基地将转移到堪萨斯州的萨利纳市，针对美国东南部农业火灾产生的烟雾展开飞行观测。每年都有数百起这样的火灾发生，而且这些火灾都位于人口密集的地区。然而，这些火灾的规模相对于卫星的观测能力而言相对较小，这意味着它们往往无法被卫星所探测到，而正是卫星探测为估算烟尘排放量提供依据。因此，飞机观测对于理解小型烟羽动力学及其科学影响也是至关重要的。

美国宇航局的DC-8空中实验室将携带FIREX-AQ的科学团队和一套最先进的仪器，在不同的高度和天气条件下观察不同的火灾烟雾成分。
版权：NASA /肯•乌尔布里希（Ken Ulbrich）

烟雾预测基于若干不同的预测模型，这些模型的数据来自卫星及其他数据，比如农业火灾烧毁的面积。NASA和NOAA的卫星提供的信息包括燃料类型、火灾强度和烧伤疤痕面积，以及风、温度和其他天气变量，这些信息将被输入到预测烟雾量、方向和速度的模型中。

烟雾化学始于燃料类型，无论是松树林、橡树林还是鼠尾草林。除了二氧化碳和一氧化碳等气体外，燃烧过程中还会释放出不同种类和数量的短寿命气体，这些气体被称为挥发性有机化合物（VOCs）。空气中的VOCs和其他气体在阳光照射下发生光化学反应，产生近地面臭氧，这是一种对人类及农作物都有害的气体。除了燃料类型，燃烧温度也会影响化学反应；一般来说，较冷条件下的闷烧火灾会产生更多的VOCs、一氧化碳和颗粒物，这些都对人体健康有害。较热条件下的明火燃烧产生的VOCs、一氧化碳和总颗粒物更少，但产生的黑碳却更多。黑碳是一种气溶胶物质，会对健康造成负面影响，并且可能加剧气候变暖。

美国科罗拉多大学和NOAA的FIREX-AQ任务科学家卡斯滕•沃尼克（Carsten Warneke）曾在2016年和NOAA的同事们一起在米苏拉火灾科学实验室（Missoula Fire Science laboratory）在不同的温度条件下燃烧不同的燃料，以便更详细地了解这些因素的影响。他表示：“燃烧物质很重要，但燃烧方式可能更加重要，现在，通过FIREX-AQ行动，可以把我们的认识和理解从实验室带到火灾烟雾中，在那里大气动力学随着时间和距离发生巨大变化。基于此，我们可以不断改进模型。”

分析燃料化学中的这些不确定性也将成为此次行动的另一个重点内容：烟雾喷射高度。喷烟高度取决于火灾动力学与周围天气条件和地理条件的复杂相互作用。

温度较低的火灾通常发生在夜间，向大气中注入的烟雾较低，给下风向区域造成健康风险。温度较热的火灾将向更高的海拔喷射烟雾，使烟雾横向传播得更远，但也更有可能远离人口稠密的地区。

考虑到这些数据对预测模型的重要性，若干卫星被用来纠正喷烟高度。一些装有激光雷达仪器的卫星可以直接测量喷烟高度，但这些卫星并不经常被用来观测火灾。其他卫星上的红外仪器可以被用来测量火灾的强度，进而用于估算喷烟高度和喷出的烟雾量，但云层和其他途径产生的烟雾往往会阻碍探测。

这架飞机正在对喷烟高度进行直接观测，并与其他直接测量得到的数据进行比较，如火灾辐射功率、烟雾化学和不同高度的大气条件。这将为了解喷烟高度作为化学应变量以及其他诸如天气等的因素提供更清晰的认识。NASA兰利研究中心的吉姆•克劳福德（Jim Crawford）表示：“我们正在加强对观测数据的汇总，这些数据可以给我们带来信心，当我们为了烟雾预测而估算烟羽上升时，我们将创建一个更精确的模型，从而实现更好的空气质量预测。”