地学系张强课题组揭示极端野火烟雾长距离传输的全球影响
清华新闻网9月11日电 气候变化背景下大规模极端野火事件频繁发生，对全球碳循环、生态系统、空气质量及公众健康产生巨大影响。准确、及时评估极端野火事件导致的空气污染及健康风险对提升野火监测预警能力和保护人群健康均具有重要科学意义。野火烟雾可随气流传输产生长距离影响，但受方法和数据限制，过往研究多聚焦野火事件对某一特定地区空气污染的影响，对大规模野火事件产生的全球范围空气污染与健康风险缺乏有效评估手段。
针对这一关键科学问题，清华大学地球系统科学系（以下简称“地学系”）张强课题组联合国内外研究团队，基于长期积累，在自主研发的大气成分近实时追踪技术平台（TAP平台）基础上，构建了多源数据融合的全球野火PM2.5污染近实时反演技术和数据产品，量化了野火烟雾长距离传输的全球影响，揭示了2023年加拿大极端野火对全球人群PM2.5暴露水平的贡献及健康风险。
研究首先利用全球高时空分辨率野火排放清单驱动大气化学模式GEOS-Chem，获得野火排放对全球PM2.5日均浓度的相对贡献。同时融合多套地面观测数据、再分析资料、卫星遥感观测和野火排放清单，基于随机森林算法、合成少数类过采样技术和残差校正模型构建三层机器学习模型，建立了全球PM2.5日均浓度反演方法。进一步通过业务化数据预处理、在线数值模拟和机器学习模型滚动训练，实现了对全球10公里分辨率日均PM2.5浓度和野火PM2.5浓度的同步近实时反演，并利用GEOS-Chem模式敏感性实验量化了2023年加拿大极端野火对全球PM2.5浓度的贡献。研究构建的全球野火PM2.5浓度近实时反演数据产品通过TAP平台公开共享（http://tapdata.org.cn），包括全球2023年至今10公里分辨率逐日PM2.5浓度及野火PM2.5浓度数据，时间滞后约3天（图1）。
图1.TAP平台提供的全球野火PM2.5浓度近实时反演数据
研究发现，2023年加拿大极端野火导致全球人群年均PM2.5暴露水平增加0.17微克每立方米，影响范围主要集中在北美和欧洲地区，对其他地区影响较小且不具统计显著性。在北美，野火烟雾覆盖了除落基山脉以西之外的大部分地区（图2）。野火污染导致加拿大和美国人群年均PM2.5暴露水平分别增加3.83微克每立方米和1.49微克每立方米，分别占当年PM2.5总暴露水平的40%和17%。美国有1.87亿人口遭受的加拿大野火PM2.5污染暴露超过1微克每立方米，其中落基山脉地区、中西部地区、俄亥俄河谷地区和东北地区是受影响最大的区域。2023年6月期间，在加拿大东部沿海地区上空低压系统与其西侧高压脊共同作用下，加拿大东部的野火烟雾长距离输送到美国东部人口稠密地区，导致美国出现两次大范围严重空气污染事件，事件期间美国人均PM2.5暴露水平单日最高超过30微克每立方米（图3）。同时，在西风气流推动下，加拿大野火烟雾在2023年多次跨越北大西洋传输至欧洲地区。研究结果显示，2023年加拿大野火导致欧洲人群年均PM2.5暴露水平增加0.41微克每立方米。
图2. 2023年加拿大极端野火导致的年均PM2.5污染暴露
图3.2023年加拿大、美国和欧洲地区人群逐日PM2.5污染暴露水平及来源
为评估2023年加拿大极端野火事件的健康影响，研究将日均PM2.5浓度高于15微克每立方米（世界卫生组织指导值）且加拿大野火贡献在50%以上的天数定义为“加拿大野火污染日”。在这一标准下，2023年全球共有3.54亿人经受了一天以上的加拿大野火污染，其中加拿大人均约27天暴露在其本地野火污染之中，而美国人均经受了约14天的加拿大野火污染传输暴露。基于污染暴露剂量响应关系估算，北美地区的5400例急性过早死亡以及北美和欧洲地区的6.43万例慢性过早死亡可归因于2023年加拿大极端野火事件导致的PM2.5暴露。
研究成果提升了全球野火空气污染暴露及健康风险的表征与评估能力，构建的全球野火PM2.5浓度近实时反演技术方法和数据集可为进一步开展相关研究提供科学工具和数据基础。研究揭示了极端野火事件对全球空气污染和人群健康的巨大影响，近年来北半球中高纬度地区野火频率和强度持续增加，成果为深入认识极端野火事件的环境健康效应提供了关键科学证据。
研究成果以“2023年加拿大野火PM2.5长距离污染及健康影响”（Long-range PM2.5pollution and health impacts from the 2023 Canadian wildfires）为题，于9月10日在线发表于《自然》（Nature）。该研究是团队继2023年在《科学》（Science）上发表北半球中高纬地区野火碳排放变化及驱动力解析成果之后，又一项在全球极端野火排放与气候环境效应方面的重要成果。
清华大学地学系教授张强、地学系2022级博士生王玥璇子、环境学院助理研究员肖清扬为论文共同第一作者；张强为论文通讯作者。论文合作者包括清华大学环境学院副研究员耿冠楠、工程师刘晓东、博士毕业生刘家峻、贺克斌院士，美国斯坦福大学地球系统科学系教授史蒂文·戴维斯（Steven Davis），清华大学地学系2022级博士生杨晋、2023级博士生何长沛、副教授黄文誉，北京师范大学地表过程与水土风沙灾害风险防控全国重点实验室罗彬禾博士，美国华盛顿圣路易斯大学能源环境与化学工程系教授兰德尔·马丁（Randall Martin），加拿大英属哥伦比亚大学人口与公共卫生学院教授迈克尔·布劳尔（Michael Brauer）和美国加州大学欧文分校地球系统科学系教授詹姆斯·兰德森（James Randerson）。研究得到国家自然科学基金委创新研究群体（A类）项目、青年科学基金（B类）项目以及新基石科学基金会科学探索奖的资助。
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