与野火相关的排放物会传播到哪里？2008年至2024年间意大利森林火灾产生的黑碳、有机碳和PM2.5的传输轨迹

《Atmospheric Environment》：Where do wildfire-related emissions travel? Transport trajectories of black carbon, organic carbon, and PM 2.5 from Italian forest fires (2008–2024)

森林火灾污染物大气传输及影响区域研究——基于意大利2008-2024年MODIS/Sentinel-2和GFAS数据，结合HYSPLIT模型与AERONET验证，识别出南部意大利（卡利亚布里亚、西西里）、中央-南部撒丁岛及北部山区为高火区，污染物经海传输至北非，巴尔干半岛受坎帕尼亚火区影响显著，总排放占意大利PM2.5的30%，其中OC占比60%-80%。

　　

柳德米拉·马利茨卡（Liudmyla Malytska）| 玛丽亚·文森察·基里亚科（Maria Vincenza Chiriacò）

欧洲-地中海气候变化中心基金会，意大利

摘要

森林火灾是大气污染物的主要来源，包括细颗粒物和碳质气溶胶，这些污染物对空气质量、人类健康和气候有着显著影响。在火灾高发季节，野火的排放量可能超过其他人为来源的排放量，并且可以长距离传输。

为了识别最容易受到远距离野火污染物传输影响的地区，我们首先使用EFFIS提供的MODIS/SENTINEL-2烧毁区域产品，分析了2008年至2024年间意大利的森林相关事件。排放量通过GFAS进行量化，大气传输则使用HYSPLIT模型进行模拟，计算了三个垂直层次（0.5、1.5、3公里）上的72小时前进轨迹。通过DBSCAN对火源和传输路径进行聚类，并绘制了代表性轨迹和密度图，以识别主导的气团模式，这些结果通过AERONET每天观测的气溶胶光学厚度数据（440纳米）进行了验证。

意大利的火灾活动具有高度局部性，热点区域主要集中在卡拉布里亚、西西里岛、撒丁岛中南部以及北部山区。每年PM_2.5的排放量在0.3到2千吨之间，并且随着时间的推移而增加，其中有机碳（OC）贡献了60%–80%，而黑碳（BC）的贡献不到10%。然而，GFAS仅检测到了大约21%的火灾，这可能低估了实际排放量。尽管意大利南部发生的火灾强度较低（约300公斤黑碳/火灾），但其累积排放量最高，污染物常常通过海洋向南传输至北非。巴尔干地区经常受到坎帕尼亚地区火灾羽流的影响。在意大利北部，虽然火灾数量较少但强度较高（约550公斤黑碳/火灾），污染物主要停留在当地，但高海拔地区的传输增加了变异性，可能影响到多达2000万人。

引言

近几十年来，野火已成为对森林生态系统和生物多样性、大气组成、人类健康以及气候调节的日益严重的全球性威胁（Bowman等人，2020年；Bolan等人，2025年；Shoaib等人，2025年）。气候变化、土地利用变化以及不适当的土地管理措施共同导致了全球范围内野火频率、强度和范围的增加（Huang等人，2015年；Moreira等人，2020年；Mansoor等人，2022年；Ellis等人，2022年）。包括南欧、加利福尼亚、澳大利亚、西伯利亚和东南亚在内的许多地区都经历了前所未有的火灾季节，其特征是火灾季节延长和更极端的火灾天气条件（Jones等人，2022年；Huang等人，2023年；Chen等人，2025年），预计在未来气候情景下这种情况会进一步加剧，尤其是在地中海盆地等易发生火灾的地区（Lee等人，2023年；Moreno等人，2023年；Schw?rer等人，2024年）。除了释放大量的温室气体（GHG）排放物（如二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄和一氧化二氮（N₂）（Chiriaco等人，2013年；Scarpa等人，2024年）外，生物质燃烧还是大气中碳质气溶胶的主要来源之一（Andreae等人，2019年；Rathod等人，2021年），这些气溶胶作为短寿命气候强迫因子（SLCFs）和主要空气污染物（如PM_2.5、黑碳（BC）和有机碳（OC））。这些污染物由于对区域和全球范围内的空气质量退化及气候强迫的双重影响而特别令人担忧（Allan等人，2023年；Wei等人，2023年）。PM_2.5是一种空气动力学直径小于2.5微米的颗粒物，其中包含BC和OC，由于其能够深入肺部和血液，因此是衡量空气质量的关键指标。暴露于PM_2.5与心血管和呼吸系统疾病的风险增加以及早死率上升有关（Pope和Dockery，2006年；Lelieveld等人，2015年）。尽管许多气溶胶可以通过增加散射辐射来提高生态系统生产力，但这些效果因气溶胶成分和天空条件而异（Zhou等人，2021年）：在冠层稀疏或叶片分布均匀的生态系统中（如草地、一年生作物和落叶林），散射光可以提高光合作用效率并略微增加生产力；而在冠层密集的生态系统中，直射光的减少会抵消散射辐射带来的好处，从而降低整体光合作用和生产力（Shu等人，2022年）。黑碳（BC）尤其具有负面影响，因为它是一种强吸光成分，由生物质不完全燃烧产生。黑碳被认为是仅次于二氧化碳（CO₂的第二大人为气候强迫因子（Jacobson，2001年；Bond等人，2013年），因为它能吸收太阳辐射并使大气变暖。因此，它减少了到达植物冠层的光合有效辐射（PAR）量，当沉积在叶片表面时，还会阻塞气孔传导并干扰光吸收，进一步抑制光合作用。这些综合效应导致初级生产力和生态系统碳吸收量下降（Burney和Ramanathan，2014年）。此外，当黑碳沉积在雪和冰上时，会降低表面反照率并加速融化过程，特别是在北极和高山地区（Quinn等人，2008年）。有机碳（OC）是由生物质燃烧过程中释放出的部分氧化有机化合物的混合物。虽然黑碳的吸光能力较弱，但它仍可通过作为云凝结核和促进二次有机气溶胶的形成间接影响气候，从而改变云的特性和辐射强迫（Hallquist等人，2009年）。

在2003年至2010年期间，欧洲-地中海地区的年总火灾排放量平均占人为PM_2.5排放量的约30%（Turquety等人，2014年）。这一贡献尤为重要，因为野火主要集中在夏季的几周内，而且由于烟雾羽流的远距离传输，即使在距离火源数百公里的地区，野火也会导致PM_2.5浓度急剧上升（Hodzic等人，2007年；Val Martin等人，2013年）。因此，在火灾高峰期，野火可能成为这些地区气溶胶的主要来源，加剧区域内的空气质量问题和健康影响，每日PM_2.5排放量可能超过当地交通或工业活动的排放量（Crippa等人，2021年）。意大利被认为是欧洲和地中海盆地火灾最频发的国家之一（San-Miguel-Ayanz等人，2023年），尤其是在其南部地区，这是由于气候脆弱性和土地利用模式的共同作用（Cappelluti等人，2026年）。该国每年发生数千起火灾事件，影响约8万至10万公顷的土地，尽管年际间存在显著变化（欧洲森林火灾信息系统（EFFIS），2022年）。正如Castagna等人（2021年）所指出的，意大利南部的强烈火灾季节（如卡拉布里亚地区的火灾）占2015年至2019年间年度黑碳排放量的41%–48%和PM_2.5排放量的17%–21%。这些发现凸显了意大利作为欧洲-地中海地区火灾热点的作用，而在未来气候变化情景下，该国将面临更高的火灾风险，这归因于温度上升、更频繁和持续时间更长的干旱以及更有利于火灾发生的天气条件（Allan等人，2023年；Gallo等人，2025年）。

鉴于此，识别受意大利野火产生的气溶胶排放影响最严重的地区至关重要，因为即使远离火灾前沿的地区，在重大野火事件期间也可能因烟雾羽流的远距离传输而经历严重的空气质量恶化。因此，了解和绘制这些高暴露区域对于指导公共卫生保护策略、改善空气质量管理和支持有针对性的适应和预防措施至关重要。为此，我们基于欧洲森林火灾信息系统（EFFIS）提供的卫星观测火灾数据，研究了2008年1月至2024年间意大利发生的森林火灾事件中细颗粒物、黑碳（BC）和有机碳（OC）的潜在传输轨迹。这些事件被用来估计火灾相关污染物排放的时空动态，使用全球火灾同化系统（GFAS）的数据，并应用混合单粒子拉格朗日积分轨迹（HYSPLIT）模型来预测这些污染物的大气传输及其潜在的局部和跨界影响。此外，为了更好地了解森林火灾相关污染物对公共健康的威胁，我们将人口密度分布与穿过受影响区域的烟雾羽流轨迹结合起来。我们还利用气溶胶机器人网络（AERONET）对气溶胶光学厚度（AOD）的观测数据来验证长距离传输事件。该方法的工作流程如图1所示。实际上，本分析采用的方法基于文献中广泛使用和确立的标准方法工具，这些工具已在许多先前研究中单独或组合使用，例如东南亚的森林火灾污染物传输模拟（Duc等人，2016年；Sitanggang等人，2024年）、美国东南部和北美的野火烟雾传输和扩散预测（Kim等人，2020年；Brey等人，2018年），以及Anderson等人（2024年）开发的全球森林火灾排放预测系统。本文的目的不是开发新的方法论方法，而是结合现有和成熟的方法来研究过去几十年意大利发生的森林火灾事件的污染物排放潜在传输轨迹。据作者所知，虽然类似的综合分析已在其他地中海国家进行（如希腊（Turquety等人，2009年；西班牙（Adame等人，2018年）和葡萄牙（Quishpe-Vásquez等人，2024年）），但在意大利尚未进行类似的研究。这代表了文献中的一个空白，本研究旨在填补这一空白，特别是考虑到意大利拥有广阔的森林覆盖面积，并被认为是欧洲和地中海盆地最易发生火灾的热点地区之一。

部分摘录

EFFIS MODIS/Sentinel-2烧毁区域产品用于火灾分布

欧洲森林火灾信息系统（EFFIS）由欧盟委员会（EC）和国家消防管理部门于2000年建立，用于存储关于火灾前后情况及其影响的信息，以支持整个欧洲和地中海地区的火灾预防和缓解工作。目前，有43个国家参与了EFFIS网络，覆盖欧洲、中东和北非。该系统包括以下模块：（i）火灾数据库——国家级

2008–2024年火灾活动的时空模式

为了展示2008–2024年间意大利森林火灾活动的时空模式，图2展示了来自EFFIS数据集的火灾事件的空间（图a）和季节性分析（图b-f）。根据DBSCAN算法（见2.1.2节），将个别森林火灾事件按照其地理中心点进行分组，形成了五个主要集群，以及一个被归类为噪声的散布事件群。图2的左侧面板（a）显示了空间分布

结论

本研究利用EFFIS MODIS/Sentinel-2火灾数据、GFAS清单、DBSCAN聚类、HYSPLIT轨迹建模以及AERONET观测结果，确定了受野火气溶胶排放影响最严重的意大利地区。2008年1月至2024年期间，EFFIS MODIS/Sentinel-2产品检测到的森林火灾的空间分布显示，火灾主要集中在意大利南部，尤其是卡拉布里亚、西西里岛、坎帕尼亚等地

CRediT作者贡献声明

柳德米拉·马利茨卡（Liudmyla Malytska）：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论设计、调查、数据分析、概念化。玛丽亚·文森察·基里亚科（Maria Vincenza Chiriacò）：撰写——审稿与编辑、监督、方法论设计、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢NOAA空气资源实验室（ARL）提供用于本研究的HYSPLIT传输和扩散模型和/或READY网站（https://wwwREADY.noaa.gov）。两位作者都获得了欧盟“Horizon Europe”研究与创新项目（项目编号：101056858）的资助。