通过同化IASI观测对2022年全球氨排放进行反演

为什么农田空气与日常生活息息相关

来自农场和火烧的不可见气体可以悄然影响我们呼吸的空气、气候，甚至寿命。其中最重要的气体之一是氨，在施肥、畜牧养殖和植被燃烧时释放到大气中。进入空气后，氨会形成微小颗粒，这些颗粒可以深入肺部。本文通过卫星与计算模型构建了更精细的全球氨源图像，重点关注长期数据盲区的南美和非洲地区。

田间与烟雾中的隐形气体

氨是一种碱性气体，会与汽车、发电厂和工业排放的酸性污染物反应生成细颗粒物。这些颗粒会加剧烟雾与能见度降低，并与哮喘、心脏病及寿命缩短相关。当前大部分氨来自农业，尤其是化肥和畜禽粪便，工业、家庭燃料使用和机动车贡献较小。为评估其影响，科学家依赖排放清单来估算各地各月排放量。然而，这些估算是基于地面统计和标准排放因子自下而上构建的，在监测薄弱地区常存在高不确定性或缺失数据。

传统估算为何不足

传统全球清单在北美和欧洲表现最好，那里的农业实践有据可查且监测网络密集。相比之下，南美和非洲的化肥使用量、牲畜数量与焚烧习惯变化快且记录不全，因此清单效果较差。早期改进清单的尝试常用简单的质量守恒方法，通过调整排放使模型浓度与观测一致。但这些方法难以应对大气的复杂现实：氨的释放在温度、湿度和风速下呈非线性变化，污染物也会长距离迁移。因此，传统方法容易误置排放源并遗漏重要的季节性波动。

用卫星改写氨排放图谱

作者建立了一个全球反演系统，将卫星观测与大气化学模型相结合，以更新2022年的全球氨排放清单。他们使用了红外大气探测干涉仪（IASI）的数据，这是一种每天两次在高空测量氨的空间传感器，并将这些观测通过一种称为四维集合变分同化的现代数据同化技术输入GEOS-Chem模型。该方法在满足风场、化学反应与清除过程如何移动和转化氨的物理约束下，寻找最能同时匹配卫星数据与先验估计的排放模式。

南美与非洲发生了哪些变化

修正后的（后验）排放与先验清单呈现不同图景。在南美，巴西及其沿海附近的热点显著增强，氨通量常常翻倍，有时比早期估算增加100%至200%。新模式与卫星火焰强度指标及家禽产量增长高度一致，表明焚烧与畜牧均发挥重要作用。在非洲，出现三个高排放带：西非沿海、维多利亚湖区和埃塞俄比亚。在这些区域，更新后的排放超过先验值两倍以上，并显示出明显的季节性峰值，分别对应可可施肥周期、雨季土壤活性、畜禽粪便以及稀树草原随季节转变的火季。

更清晰的浓度与更稳健的长期趋势

将更新后的排放重新输入模型后，模拟的氨柱浓度在时空上与卫星观测更加一致。模型现在能捕捉到强烈的季节性格局，例如南美的双峰与非洲热点随旱季向南迁移的现象。使用第二颗卫星仪器和地面颗粒物测量的独立验证也支持这些改进，尤其是在南美。回顾十年的卫星数据，研究团队发现这些地区的平均氨水平有温和但稳步的上升，本地热点在加强，但并未出现剧烈的大陆范围变化。

这对空气与气候政策意味着什么

对非专业读者而言，核心信息是：既有地图低估了南美和非洲部分地区的氨排放量及其随季节和土地利用变化的幅度。通过利用卫星与先进建模，这项工作提供了更现实的全球氨源图像，尤其是在地面测量稀缺地区的农业与火烧源。更精细的排放清单对于制定有效的空气质量与气候政策、针对化肥使用与畜牧管理的措施，以及理解农业和焚烧行为变化如何在大气中传播并影响人类健康，均至关重要。

引用: Chen, M., Zhang, W., Han, W. et al. Global ammonia emission inversion in 2022 via assimilating IASI observations. npj Clean Air 2, 35 (2026). https://doi.org/10.1038/s44407-026-00072-7

关键词: 氨排放, 卫星观测, 南美, 非洲, 空气质量