野火与城市交界区火灾对空气质量和健康的全球评估：影响、差异与启示

时间：2025年3月16日

来源：SCIENCE ADVANCES

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为探究野火与城市交界区（WUI）火灾对空气质量和健康的影响，研究人员用 MUSICA 模型研究，发现 WUI 火灾影响大，意义重大。

### 野火与城市交界区火灾：威胁背后的未知与探索
在地球的生态版图上，野火与城市交界区（Wildland-Urban Interface，WUI）宛如一条特殊的 “前线”，这里是自然与人类活动的交融地带。近年来，WUI 区域不断扩张，截至 2020 年，已占据全球陆地面积的约 5%（不含南极洲），且未来仍有增长趋势。与之相伴的是，该区域火灾频发，像 2017 年南非的克尼斯纳大火、2018 年美国加州的坎普大火等，这些大火不仅摧毁了大量的自然和人造景观，还对周边环境和居民生活造成了深远影响。

然而，相较于荒野火灾，WUI 火灾对空气质量和人体健康的影响却鲜为人知。目前，虽然在 WUI 火灾风险、行为、管理等方面取得了一定进展，但多局限于部分国家和地区，从全球范围来看，WUI 火灾与气候之间的联系尚未明晰，其对空气质量和人类健康影响的研究更是存在巨大空白。为了填补这一知识缺口，深入了解 WUI 火灾的影响，研究人员开展了相关研究。

此次研究由国外研究人员主导，其成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。研究人员运用多尺度大气化学模型 —— 多尺度化学和气溶胶基础设施模型（Multi-Scale Infrastructure for Chemistry and Aerosols model，MUSICA），结合一氧化碳（CO）化学示踪剂追踪排放源，并利用新开发的全球 WUI 火灾数据集，对 WUI 火灾排放对空气质量和人类健康的全球影响进行了量化分析。

在研究方法上，研究人员主要采用了以下关键技术：一是运用 MUSICA 模型进行模拟。MUSICA 是一款先进的社区耦合气候 - 化学模型，能在全球建模框架下模拟大规模大气现象，同时在排放和暴露相关尺度上解析化学过程。研究人员设置了 4 种模拟情景，分别为包含 WUI 和荒野火灾的全火灾模拟（S1–All fires）、仅 WUI 火灾模拟（S2–WUI-fires-only）、仅荒野火灾模拟（S3–Wildland-fires-only）以及无火灾模拟（S4–No-fires），通过对比不同模拟结果，来确定 WUI 火灾的影响。二是利用 Fire INventory from NCAR 版本 2.5（FINNv2.5）获取火灾排放数据，并依据全球 WUI 地图将其分为 WUI 火灾排放和荒野火灾排放。三是借助多种观测数据对模型进行评估，包括卫星产品气溶胶光学厚度（AOD）、对流层污染测量（MOPITT）的 CO 柱检索数据、TCCON 地面站的 CO 垂直柱遥感数据，以及美国环境保护署（EPA）空气质量系统（AQS）的地面监测数据等。四是依据相关方法计算 WUI 火灾对人体健康的影响，如利用全球暴露死亡率模型（GEMM）计算与 PM_2.5相关的过早死亡（APDs），并考虑了多种疾病，包括下呼吸道感染（LRIs）、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、缺血性心脏病（IHD）、中风和肺癌；对于 O₃，则计算其导致 COPD 的 APDs。

研究结果如下：

独特的时空特征：WUI 火灾和荒野火灾排放的空间分布既存在相似性，也有独特之处。相似性体现在都受火灾发生和蔓延的气候、天气及燃料条件影响；差异则源于 WUI 区域分布和人类活动。例如，在亚马逊地区，荒野火灾排放高而 WUI 火灾排放低；欧洲则相反。在时间上，多数地区两种火灾排放都有季节性变化，但峰值时间和幅度不同。在亚洲，两者 4 月达到峰值，荒野火灾 9 月还有一个由西伯利亚火灾驱动的额外峰值；在北美，WUI 火灾 4 月峰值大、11 月有小峰值，荒野火灾 9 月峰值大、5 月小峰值。
点火和燃烧特征：通过对比模型火追踪器与 ICS - 209 - PLUS 数据产品，研究发现美国大陆（CONUS）地区 WUI 火灾和荒野火灾在点火类型和结构破坏 / 损坏情况上存在差异。WUI 火灾中人为点火的比例相对较高，而在结构破坏 / 损坏方面，虽然有结构破坏 / 损坏的 WUI 火灾信号均值较高，但中位数显示有和无结构破坏 / 损坏的 WUI 火灾信号相近。这表明点火类型是 CONUS 地区 WUI 火灾排放更明显的特征，不过确定 WUI 火灾中结构燃烧情况及量化其排放仍是挑战。
化学特征：当 WUI 火灾排放相对于荒野火灾排放更占主导时，模型模拟地表细颗粒物（PM_2.5）和臭氧（O₃）的性能会受到显著影响。随着 WUI 火灾信号与荒野火灾信号比值增加，PM_2.5模拟的绝对平均偏差增大、相关性降低；O₃的趋势虽不那么明显，但在 WUI 火灾信号小于 0.75 的大多数观测条件下，其绝对平均偏差也增大、相关性降低。这凸显了进一步研究 WUI 火灾测量和建模的重要性。
对全球空气质量的影响：WUI 火灾对关键空气污染物（如 CO、二氧化氮（NO₂）、PM_2.5和 O₃）的年平均地表浓度有显著影响，且全球空间分布不均。WUI 火灾影响不仅受 WUI 区域分布影响，还与气候、天气、燃料条件以及人类活动密切相关。在中非和东南亚地区，WUI 火灾对 CO 和 PM_2.5的影响较大；在 CONUS 地区，影响主要集中在东南部和西海岸。
对健康的重大影响：WUI 火灾排放对健康的影响不成比例地大。从全球来看，WUI 火灾排放导致的 APDs 占所有火灾导致 APDs 的比例，约为 WUI 火灾排放占所有火灾排放比例的 3 倍。在 WUI 和城市地区，WUI 火灾对 APD 的贡献更大。

研究结论和讨论部分指出，虽然本研究存在一些不确定性，如 WUI 数据、火灾排放清单、模型分辨率等方面的问题，但仍然为全球 WUI 火灾对空气质量和人类健康的影响提供了首次评估。未来，WUI 区域和火灾活动可能会发生变化，WUI 火灾对空气质量和健康的影响可能会更加突出。这一研究成果提醒人们，需要进一步加强对 WUI 火灾的研究，完善火灾排放清单，提高模型分辨率，以更准确地评估其影响，为制定相关政策和措施提供科学依据。