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《自然》
封面论文
全球野火空气污染物暴露风险在上升
研
究
背
景
近年来，随着气候变暖的加剧，全球野火活动（泛指野地植被中燃烧的，不受控制或计划之外的火）日益频繁，已成为一个严重的环境和公众健康威胁。野火燃烧产生的烟雾会造成严重的空气污染，常常波及数百甚至数千公里，其影响的人群和造成的健康风险远远大于火本身。因此，跟踪火源空气污染的人口暴露（主要包括直径 2.5 微米以下的颗粒物 [PM2.5] 和二次污染物臭氧 [O3]）对于监测和管理其健康影响、实施针对性预防和干预措施至关重要。
然而，目前尚无覆盖全球的高时空分辨率的火源空气污染数据。空气质量监测站点很难解决这个数据缺口，因为大部分郊区、农村、偏远地区以及低收入国家通常没有空气质量监测站点。既往研究基于火源排放清单进行化学传输模拟可以解决全球覆盖的问题，但模拟的污染物浓度在没有与站点观测数据进行校准的情况下，精度往往很低且分辨率较粗，应用于健康风险评估研究时存在较大偏差。此外，既往研究大多只模拟火源PM2.5，鲜有关注火源O3，且尚无较为系统的火源污染物人群暴露评估。
图1. 全球火源排放清单数据（GFED4.1）所涵盖的六种火类型
为解决这一关键数据缺口，回答有关全球火源污染物人群暴露的重大问题，本研究估算了2000年至2019年全球范围内0.25°×0.25°（约28km×28km网格）空间分辨率下每日火源PM2.5和O3浓度，并结合高分辨率人口分布数据对全球人口暴露于火源 PM2.5和 O3 的情况进行了系统评估。本研究于2023年9月20日以“Global population exposure to landscape fire air pollution from 2000-2019”为题在线发表于Nature(https://doi.org/10.1038/s41586-023-06398-6)。
研
究
方
法
该研究收集了多个来源的数据，包括地面空气质量监测站的空气污染数据、GEOS-Chem大气化学传输模式模拟的火源PM2.5和O3浓度、高分辨率气象再分析数据和人口等社会经济数据。本研究时间跨度为2000年至2019年，地面空气质量监测站数据包括来自73个国家和地区的5,661个站点的PM2.5数据和来自58个国家和地区的6,851个站点的日最大8小时滑动平均O3数据。
采用四个步骤估算了全球每日的火源 PM2.5和O3。以火源 PM2.5为例, 首先，通过反距离加权空间插值方法，将GEOS-Chem模拟的火源PM2.5和总PM2.5降尺度到0.25°×0.25°空间分辨率；其次，利用随机森林模型结合气象数据对总PM2.5进行校准；再次，借助训练好的随机森林模型，估算全球0.25°×0.25°空间分辨率的每日总PM2.5；最后，根据降尺度后的基于GEOS-Chem的火源PM2.5占总PM2.5的比例计算出0.25°×0.25°格网内的火源PM2.5。
研究采用多种交叉验证评估模型性能，结果显示随机森林模型具有高精度和良好的空间外推能力。通过与实测数据对火源PM2.5的估算进行验证，结果表明估算值与实测数据呈现中等到较强的相关性。模型观察到在重大野火事件期间火源PM2.5和O3的显著增加，进一步验证模型准确性。敏感性分析显示了GEOS-Chem模型中选取不同排放清单的结果一致性较高，尤其是在进行机器学习模型校准后。此外，本研究估计的火源PM2.5与美国斯坦福大学团队Childs 等人基于卫星图像和机器学习估计的与火烟雾相关的PM2.5表现出高度一致性（相关系数0.81），相比之下本研究的优势在于全球覆盖，而Childs等仅限于美国大陆。
研究采用五个指标衡量了人口暴露情况，包括人口加权平均火源PM2.5和O3浓度、每年受到显著火源空气污染（substantial fire-sourced air pollution, SFAP）影响的人天数（person days，例如2人暴露3天为6人天）、每人每年暴露于SFAP的平均天数，以及每年至少有一天暴露于SFAP的总人数，并评估各项指标的长期趋势。SFAP的定义应满足以下至少一种情况：
1）日平均PM2.5超过15 µg/m3（WHO 2021年日空气质量标准限值），且火源PM2.5占总PM2.5的50%以上；
2）日最大8小时O3超过100 µg/m3（WHO 2021年日空气质量标准限值），且火源O3占总O3的50%以上。
主
要
发
现
研究表明，在2000-2019期间，全球火源PM2.5暴露总体成上升趋势，但火源O3趋势不明显。非洲中部，南美洲，西伯利亚地区和东南亚受火源空气污染影响尤其严重。
图2. 全球2010-2019年平均火源PM2.5浓度分布
2010-2019，全球每人每年平均要暴露于9.9天的显著火源空气污染（SFAP），共计21.8亿人每年至少会有一天暴露于SFAP，每年暴露总人天数高达728亿，这些指标相比2000-2009均有不同程度的上升。
火源空气污染物存在明显社会经济差异。人类发展指数低和收入低的国家受火源空气污染的影响程度更高。低收入国家的年人口加权平均火源PM2.5和O3浓度为高收入国家的4倍多。人口加权平均火源PM2.5和O3浓度最高的地区为非洲中部国家（如刚果金，安哥拉等），相应地这些国家人均每年暴露于SFAP的天数也是全球最高的，每年多达100多天，最高为150天。中国人均暴露于SFAP的天数（约为每年1天）尽管不高，但是由于人口基数大，每年暴露人数为1.39亿人，排全球第四。
图3. 全球2010-2019年显著火源空气污染人均暴露天数及总暴露人数前十国家
研
究
意
义
通过应用先进的机器学习技术和可靠的多源数据，本研究估算和展示了全球范围内2000-2019年间高精度的每日火源 PM2.5 和 O3浓度，填补了重要的数据缺口。基于该数据，本研究还进行了迄今最全面的全球火源相关空气污染人群暴露评估。
既往大量研究发现火源导致的空气污染可对人类健康造成多种危害，包括增加死亡率和心肺疾病的风险。本研究发现全球越来越多的人暴露于显著的火源空气污染，表面这是一个日益严重的公共卫生问题。解决该问题需要联合各方共同努力，包括合理地规划自然和城市用地，科学地开展野火预防和管理，通过制定政策减少人为火（如农业废弃物焚烧，人为地焚烧林地转化为农业或者商业用地）。
尽管政策变革和有效的火源管理可以减少一些由人类活动引起的火灾，但控制火源空气污染仍极具挑战性。例如，在美国西部，过度地抑制野火反而导致了可燃物的积累，引发了近十几年来的多次极端野火。从生态学角度看，野火是地球生态系统中不可或缺的重要组成部分。这意味着人类暴露于火源空气污染有相当一部分是不可避免的。这表明，相比消除暴露，预防和降低暴露于火源空气污染的健康影响可能更为现实。但是遗憾的是，现阶段的个体保护措施，如搬迁、待在室内、使用带有效过滤器的空气净化器和佩戴口罩，都有一定的局限性，且对资源有限的人群（如低收入、欠发达地区人群）来说可行性差。因此，发展成本效益更高的健康保护措施迫在眉睫。
本研究发现全球火源空气污染暴露存在显著的地区差异。中非、东南亚、南美和西伯利亚为高暴露地区。相较于其他地区，北美的火源PM2.5浓度和暴露于显著火源空气污染的人口数增长最为显著。
另一个重要发现是火源空气污染暴露的社会经济不公平性。这种不公平一定程度上可以通过大多数中低收入国家位于易发生火源的干燥地区来解释。此外，工业化程度较低的国家有更多农业废物焚烧和有计划的燃烧森林 （用于农业或商业用地），且对火源的管控较差，因此往往更易受到火源空气污染的影响。因此，国际社会需要加强对这些中低收入国家的关注以减少火源相关空气污染所造成的健康不公平。
在气候变化的驱动下，未来野火的频率及强度将持续增加。因此，火源导致的空气污染将会成为一个日益严重的全球公共卫生问题。各个国家需要团结起来，立即采取行动来限制气候变化。既往预估研究显示，在“高温室气体排放”的情景下，到2100年全球74%的土地上火源的频率将显著增加 。然而，如果全球变暖能够被限制在2.0°C或1.5°C以内（巴黎协定目标），那么60%或80%的火源暴露增加将可以被避免 。
作者团队和研究项目简介
本研究主要由澳大利亚蒙纳士大学气候与空气质量研究中心与南京信息工程大学环境科学与工程学院、江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室及江苏省大气环境与装备技术协同创新中心合作完成，此外作者团队中还包括了来自耶鲁大学、昆士兰科技大学、塔斯马尼亚大学和中国气象科学研究院的相关专家。
南京信息工程大学环境科学与工程学院的乐旭教授以及蒙纳士大学公共卫生与预防医学学院的郭玉明教授和李珊珊副教授为共同通讯作者。蒙纳士大学公共卫生与预防医学学院的徐荣彬博士为论文第一作者。该项目得到了澳大利亚研究委员会 (Australian Research Council) 、澳大利亚国家健康与医学研究委员会 (Australian National Health and Medical Research Council) 及江苏省杰出青年科学基金（资助号：BK20200040）的资助。
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