趙芝藝 林中達(dá) 李芳

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049

3 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所國(guó)際氣候與環(huán)境科學(xué)中心，北京 100029

1 引言

全球兩大火災(zāi)帶分別位于熱帶稀樹草原區(qū)和泛北極（北緯50°N 以北）森林區(qū)（Bowman et al.,2009, 2014, 2020）。與熱帶相比，泛北極森林區(qū)具有高碳儲(chǔ)量、過火恢復(fù)慢的特征（Carvalhais et al.,2014）。泛北極森林區(qū)占世界森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的50%以上（McGuire et al., 2009; Deluca and Boisvenue, 2012），火災(zāi)引起的碳排放可顯著影響區(qū)域和全球的碳循環(huán)（van der Werf et al., 2017;Veraverbeke et al., 2021）。同時(shí)，火災(zāi)排放的溫室氣體和氣溶膠會(huì)向北傳輸，在北極地區(qū)累積，影響區(qū)域氣候變化（Jiang et al., 2020; Li, 2020）。另外，泛北極火災(zāi)會(huì)影響過火區(qū)植被的演替（Beck et al.,2011; Alexander and Mack, 2016; Mekonnen et al.,2019），進(jìn)而影響區(qū)域氣候（Rogers et al., 2013,2015）。除此之外，泛北極火災(zāi)的發(fā)生還影響全球能量收支和水循環(huán)（Liu et al., 2005; Amiro et al.,2006; Jiang et al., 2016; Li and Lawrence, 2017; Potter et al., 2020; Li et al., 2022）。隨著大氣中CO2的持續(xù)上升，泛北極地區(qū)比其他地區(qū)增暖速度更快（IPCC, 2007; Serreze and Barry, 2011）；在未來全球繼續(xù)增暖情景下，泛北極地區(qū)可能發(fā)生更多的野火事件，帶來的影響可能會(huì)進(jìn)一步加劇（田曉瑞等, 2006; Flannigan et al., 2009; Spracklen et al.,2009; Rogers et al., 2013; Veira et al., 2016; Young et al., 2017）。因此，加深對(duì)泛北極火災(zāi)特征變化的認(rèn)識(shí)十分重要。

目前對(duì)泛北極火災(zāi)的時(shí)空特征的認(rèn)識(shí)已獲得一些進(jìn)展。在泛北極歐亞大陸地區(qū)，火災(zāi)主要發(fā)生在西伯利亞，分布范圍從西部的烏拉爾山脈到東部太平洋海岸；特別是其東南部，茂盛的森林以及泥炭地為頻發(fā)的燃燒活動(dòng)提供了條件（Soja et al., 2004;Kim et al., 2020）。從季節(jié)變化來看，泛北極火災(zāi)通常發(fā)生在春夏季節(jié)。薛乃婷等（2020）發(fā)現(xiàn)北極地區(qū)（66°34′N 以北陸地）活躍火一般集中在6～8 月發(fā)生。在泛北極北美地區(qū)的森林火災(zāi)由南向北推進(jìn)，一般從5 月開始，6 月下旬達(dá)到高峰（Skinner et al., 2002, 2006; Stocks et al., 2002;Fauria and Johnson, 2008）。而西伯利亞火災(zāi)從3月下旬開始，東南部火災(zāi)在春季達(dá)到高峰，4、5月的過火面積總量是全年總量的62%（Zhang et al.,2003; Kim et al., 2020）；此后，火災(zāi)發(fā)生范圍從40°N 向北擴(kuò)張，7 月中旬到達(dá)60°N 以北地區(qū)（Soja et al., 2004）。

在過去幾十年里，泛北極地區(qū)火災(zāi)的變化趨勢(shì)在空間分布上存在較大差異。北美大部分地區(qū)過火面積增大，比如阿拉斯加、加拿大西部（Balshi et al., 2009; Hanes et al., 2019; Bowman et al., 2020;Jones et al., 2022）；而加拿大西北部略有減?。╕ork et al., 2020）。西伯利亞中部和東北地區(qū)火災(zāi)增加（Ponomarev et al., 2016; Kirillina et al.,2020; York et al., 2020; McCarty et al., 2021; Talucci et al., 2022）。而在位于北歐的瑞典，森林火災(zāi)自19 世紀(jì)末以來一直在減小，這和林火管理政策有關(guān)（Granstr?m and Niklasson, 2008; Drobyshev et al.,2012, 2016）。

另外，在泛北極地區(qū)近年來也發(fā)生過一些極端大火，比如2014 年加拿大西北大火、2018 年瑞典大火，2015 和2019 年阿拉斯加大火、2019 和2020 年西伯利亞大火等（Veraverbeke et al., 2017;Walsh et al., 2020）。根據(jù)預(yù)估結(jié)果，在未來更加溫暖和干燥的背景下，極端火災(zāi)的頻率、大小和數(shù)量預(yù)計(jì)增多，火災(zāi)季節(jié)長(zhǎng)度延長(zhǎng)（Flannigan et al.,2009; Spracklen et al., 2009; Veira et al., 2016）。因此，未來泛北極地區(qū)的極端大火可能會(huì)更加頻繁，其造成的影響將更為嚴(yán)重。

但目前關(guān)于泛北極火災(zāi)的時(shí)空變化研究仍然存在不足。首先，以往研究大多著眼于泛北極地區(qū)子區(qū)域的火災(zāi)變化，例如阿拉斯加、加拿大、西伯利亞（Skinner et al., 2002, 2006; Stocks et al., 2002;Zhang et al., 2003; Soja et al., 2004; Granstr?m and Niklasson, 2008; Drobyshev et al., 2012; Ponomarev et al., 2016; Hanes et al., 2019; Kirillina et al., 2020;Kim et al., 2020; Talucci et al., 2022），或者個(gè)別年份的極端大火事件（2014 年加拿大西北地區(qū)的大火以及2015 年的阿拉斯加大火）（Veraverbeke et al., 2017），缺乏對(duì)于泛北極地區(qū)火災(zāi)時(shí)空變化特征的全面認(rèn)識(shí)。其次，由于關(guān)注對(duì)象不同，大多數(shù)研究采用了當(dāng)?shù)氐幕馂?zāi)數(shù)據(jù)庫(kù)，比如加拿大大火數(shù)據(jù)庫(kù)（LFDB）（Skinner et al., 2002, 2006; Stocks et al.,2002; Balshi et al., 2009; Flannigan et al., 2009）、加拿大國(guó)家火災(zāi)數(shù)據(jù)庫(kù)（NFDB）（Hanes et al.,2019）、阿拉斯加火災(zāi)排放數(shù)據(jù)庫(kù)（AKFED）（Veraverbeke et al., 2017）、蘇卡喬夫森林野火研究所數(shù)據(jù)庫(kù)（Ponomarev et al., 2016; Kirillina et al.,2020）和瑞典火災(zāi)數(shù)據(jù)（Drobyshev et al., 2012）；少部分研究采用了基于衛(wèi)星遙感反演的全球火產(chǎn)品數(shù)據(jù)（薛乃婷等, 2020; Kim et al., 2020; Veraverbeke et al., 2021）。由于不同數(shù)據(jù)的時(shí)間段和空間分辨率不同，對(duì)于泛北極火災(zāi)的認(rèn)識(shí)可能存在差異。此外，以往研究大多關(guān)注森林燃燒（李全斌, 1992; 胡海清等, 2006; 丁青和馮險(xiǎn)峰, 2013），泛北極地區(qū)其他陸表類型過火面積的時(shí)空變化特征尚不清楚。

針對(duì)以上問題，本研究采用衛(wèi)星反演的3 套過火面積全球格點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析2001～2016 年泛北極地區(qū)過火面積的時(shí)空變化特征，包括空間分布、趨勢(shì)變化、年際變化、極端火高值年和季節(jié)變化；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示了不同陸表類型燃燒的時(shí)空變化特征。我們的研究結(jié)果有助于深入了解泛北極地區(qū)過火面積的時(shí)空特征，為該地區(qū)的火災(zāi)活動(dòng)預(yù)測(cè)及管理提供基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域?yàn)榉罕睒O地區(qū)，或稱為北半球高緯度地區(qū)，通常是指50°N 以北的陸地區(qū)域（McCarty et al., 2021）。由于燃燒活動(dòng)與植被及其生存環(huán)境密不可分，我們研究的區(qū)域范圍如圖1 填色區(qū)域所示，采用了Ecoregions2017 方案的生態(tài)區(qū)劃分（Dinerstein et al., 2017），該區(qū)域主要為北方森林/苔原生態(tài)區(qū)。為了更細(xì)致地探究泛北極地區(qū)過火面積的時(shí)空變化特征，我們將從整體以及子區(qū)域的角度出發(fā)，其中子區(qū)域按照地理分布分為泛北極北美地區(qū)、泛北極歐洲地區(qū)和泛北極亞洲地區(qū)。泛北極歐洲地區(qū)和泛北極亞洲地區(qū)以60°E 為界；60°E 是烏拉爾山所在的大致經(jīng)度位置，烏拉爾山以西為歐洲地區(qū)，以東為亞洲地區(qū)。

2.2 過火面積數(shù)據(jù)

本研究使用了3 套月過火面積數(shù)據(jù)，分別為：（1）全球火排放數(shù)據(jù)庫(kù)（Global Fire Emissions Database）第四代（含小火）過火面積產(chǎn)品（GFED4.1s）（https://www.geo.vu.nl/～gwerf/GFED/GFED4/[2021-08-30]）（Randerson et al., 2012; van der Werf et al.,2017）；（2）中分辨率成像光譜儀第六代（Collection 6 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）過火面積產(chǎn)品（MODIS C6）（https://modis-fire.umd.edu/ba.html; sftp://fuoco.geog.umd.edu[2021-08-30]）（Giglio et al., 2018）；（3）歐洲空間局火災(zāi)—?dú)夂蜃兓h5.1 版本（European Space Agency Fire Climate Change Initiative version 5.1）過火面積產(chǎn)品（FireCCI51）（https://climate.esa.int/en/projects/fire/data/[2021-08-30]）（Chuvieco et al., 2018）。其中GFED4.1s 數(shù)據(jù)提供的變量為過火面積百分比，而MODIS C6 和FireCCI51 提供的變量為過火面積；兩者可以通過格點(diǎn)過火面積除以格點(diǎn)面積得到過火面積百分比進(jìn)行換算。3 套數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°。為了便于對(duì)比分析，探究3 套數(shù)據(jù)過火面積的共同特征，在本文中我們研究的時(shí)間為其共有時(shí)段，即2001～2016 年。

GFED4.1s 產(chǎn)品中2000 年8 月以來的過火面積數(shù)據(jù)來自MODIS C5.1 MCD64A1 過火面積產(chǎn)品，并添加了基于Randerson et al.（2012）修正算法后的小火估計(jì)，然后將過火面積數(shù)據(jù)與可見光和紅外掃描儀（VIRS）、沿軌掃描輻射計(jì)（ATSR）監(jiān)測(cè)到的火點(diǎn)結(jié)合，將時(shí)間序列擴(kuò)展到1997 年（Giglio et al., 2013）。MODIS C6 過火面積數(shù)據(jù)由Terra 和Aqua 衛(wèi)星傳感器的500 m 日表面反射率、MOD14A1和MYD14A1 1 km 日火點(diǎn)觀測(cè)產(chǎn)品和MCD12Q1 500 m 年土地覆蓋產(chǎn)品制成。與MODIS C5.1 MCD64A1過火面積產(chǎn)品相比，MODIS C6 產(chǎn)品對(duì)小火檢測(cè)更顯著、燃燒日期不確定性略有降低、未映射區(qū)域的范圍也大大減少（Giglio et al., 2018）。FireCCI51過火面積產(chǎn)品基于MODIS C6 250 m 日表面反射率和MCD14ML 1 km 日火點(diǎn)產(chǎn)品，過火面積算法采用了兩階段的混合方法，即首先根據(jù)火點(diǎn)檢測(cè)出具有高概率被燒毀的像素，然后應(yīng)用上下階段的增長(zhǎng)檢測(cè)出火區(qū)（Chuvieco et al., 2018）。

由于MODIS C6 和FireCCI51 目前尚未提供相應(yīng)的陸表燃燒類型產(chǎn)品，本研究?jī)H采用GFED4.1s提供的陸表燃燒類型產(chǎn)品①陳陽, 通訊交流, 2020 年。（Randerson et al., 2012）分析不同陸表類型過火面積的時(shí)空變化特征。為了簡(jiǎn)化分析，我們參考前人工作（Randerson et al., 2012;Giglio et al., 2013），將除水體以外的16 種陸表類型分為6 類：森林（包括常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林），灌木（包括郁閉灌木叢和開放灌木叢），稀樹草原（包括多樹草原和稀樹草原），草地，農(nóng)田（農(nóng)田和農(nóng)田/自然植被的鑲嵌體）和其他（永久濕地、城市和建筑區(qū)、雪和冰、裸地或低植被覆蓋地）。

2.3 方法

本文聚焦于泛北極地區(qū)過火面積的時(shí)空變化特征，故全文從空間分布和時(shí)間變化兩個(gè)方面進(jìn)行探究。在本文中，不同數(shù)據(jù)之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差代表不確定性。由于本文所采用數(shù)據(jù)的時(shí)間僅16 年（2001～2016 年），因此，我們將時(shí)間變化簡(jiǎn)單分為趨勢(shì)和年際變化兩部分，其中年際變化部分為原始時(shí)間序列減去趨勢(shì)的剩余部分。我們也計(jì)算了剩余部分的功率譜，發(fā)現(xiàn)其顯著信號(hào)為2～6 年的年際變化，而年代際信號(hào)很弱（圖略），這說明本文中通過去趨勢(shì)得到年際變化分量的方法是合理的。趨勢(shì)的計(jì)算采用了Theil-Sen 估算（Theil, 1950; Sen, 1968），趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)采用了Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗(yàn)（Mann, 1945; Kendall, 1955）。本文采用標(biāo)準(zhǔn)差表征年際變化強(qiáng)度。區(qū)域過火面積為指定區(qū)域內(nèi)過火面積的總和，也可以通過指定區(qū)域內(nèi)過火面積百分比乘以格點(diǎn)面積權(quán)重得到格點(diǎn)過火面積，再求和得到。另外，在判斷3 套過火面積產(chǎn)品的相關(guān)程度時(shí)，采用了描述兩個(gè)隨機(jī)變量之間相關(guān)程度的皮爾森相關(guān)系數(shù)（Wilks, 2019）。

3 結(jié)果分析

3.1 泛北極地區(qū)過火面積的空間分布

多年平均的年過火面積空間分布顯示泛北極地區(qū)的燃燒大值中心位于阿拉斯加、加拿大中部、西伯利亞南部和中東部，其年過火面積百分比最大值在1.5%以上（圖1）。并且，3 套數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GFED4.1s、MODIS C6 和FireCCI51）空間分布基本一致，不同產(chǎn)品之間的空間相關(guān)系數(shù)為0.86～0.95，均通過0.001 的顯著性水平檢驗(yàn)。全球平均而言，2001～2016 年泛北極地區(qū)每年過火面積為7.47±0.72 Mha/a，其中泛北極北美地區(qū)為2.31±0.20 Mha/a，泛北極歐洲地區(qū)為0.13±0.01 Mha/a，泛北極亞洲地區(qū)為5.03±0.81 Mha/a。

3.2 泛北極地區(qū)過火面積的時(shí)間變化

3.2.1 季節(jié)變化

泛北極地區(qū)火災(zāi)主要發(fā)生在春季和夏季。圖2展示了GFED4.1s 產(chǎn)品1～12 月過火面積百分比氣候態(tài)的空間分布。MODIS C6 和FireCCI51 產(chǎn)品的空間分布結(jié)果與GFED4.1s 產(chǎn)品基本一致，故此處圖略。冬季的11～2 月，泛北極地區(qū)過火面積百分比基本為0，很少有燃燒活動(dòng)發(fā)生（圖2k-2l，圖2a-2b）?；馂?zāi)從3 月開始發(fā)生，首先發(fā)生在西伯利亞南部（圖2c）；4～5 月，火災(zāi)向北發(fā)展（圖2d-2e）。進(jìn)入6 月后，火災(zāi)活動(dòng)覆蓋了泛北極地區(qū)的大部分區(qū)域，包括阿拉斯加、加拿大中部以及西伯利亞南部（圖2f）。7 月，火災(zāi)達(dá)到最盛，覆蓋了幾乎整個(gè)泛北極地區(qū)（圖2g）。8 月，整個(gè)泛北極地區(qū)依然有廣泛的火災(zāi)，但過火面積百分比稍有減?。▓D2h）。進(jìn)入秋季后，9 月火災(zāi)覆蓋區(qū)域迅速減小并南撤，直至10 月，幾乎很少有火發(fā)生（圖2i-2j）。

圖2 2001～2016 年氣候平均GFED4.1s 數(shù)據(jù)逐月的過火面積百分比空間分布Fig. 2 Spatial distribution of climatological monthly burned area fraction during 2001-2016 based on the GFED4.1s fire products

為了更清楚地展現(xiàn)過火面積的季節(jié)變化特征，一方面，我們給出了泛北極地區(qū)過火面積最大值對(duì)應(yīng)月份的空間分布（圖3a-3c）。結(jié)果顯示，泛北極地區(qū)的火災(zāi)基本發(fā)生在夏季，即6～8 月。另外，在泛北極地區(qū)南部的部分區(qū)域，火災(zāi)主要發(fā)生在春季，即3～5 月。另一方面，泛北極地區(qū)的過火面積季節(jié)變化時(shí)間序列（圖3d）顯示該地區(qū)過火面積季節(jié)變化有兩個(gè)峰值，其中一個(gè)在春季，另一個(gè)則在夏季的7 月。對(duì)于各子區(qū)域而言，結(jié)果稍有不同。在泛北極北美地區(qū)，過火面積變化只有夏季一個(gè)峰值，該地區(qū)春季火災(zāi)較少（圖3e）。在泛北極歐洲、亞洲地區(qū)，火災(zāi)明顯發(fā)生在春、夏兩個(gè)季節(jié)。值得注意的是，泛北極歐洲地區(qū)春季、夏季過火面積的量級(jí)幾乎一致（圖3f），而在泛北極亞洲地區(qū)，夏季的過火面積大于春季的過火面積（圖3g）。

圖3 2001～2016 年（a）GFED4.1s、（b）MODIS C6 和（c）FireCCI51 數(shù)據(jù)月過火面積最大值對(duì)應(yīng)月份的空間分布；2001～2016 年氣候平均GFED4.1s、MODIS C6 和FireCCI51 數(shù)據(jù)（d）泛北極地區(qū)、（e）泛北極北美地區(qū)、（f）泛北極歐洲地區(qū)和（g）泛北極亞洲地區(qū)區(qū)域月過火面積年循環(huán)Fig. 3 Spatial distribution of the month with the maximum burned area during 2001-2016 based on the (a) GFED4.1s, (b) MODIS C6, and (c)FireCCI51 data, respectively. And annual cycle of climatological monthly burned area during 2001-2016 based on the three fire products in the (d)Arctic-boreal zones, (e) Arctic-boreal North America, (f) Arctic-boreal Europe, and (g) Arctic-boreal Asia

3.2.2 年際變化與極端高值年

泛北極地區(qū)過火面積具有強(qiáng)的年際變化。圖4是去趨勢(shì)后的年過火面積百分比標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布。在泛北極多年平均燃燒高值區(qū)的阿拉斯加、加拿大中部、西伯利亞南部和中東部，年過火面積百分比的年際變化標(biāo)準(zhǔn)差大于1.5%，接近甚至超過多年平均燃燒面積（圖1）。

圖4 2001～2016 年（a）GFED4.1s、（b）MODIS C6 和（c）FireCCI51 數(shù)據(jù)去趨勢(shì)后的年過火面積百分比年際變化（用標(biāo)準(zhǔn)偏差量化）空間分布Fig. 4 Spatial distribution of interannual variability (quantified by standard deviation) of detrended annual burned area fraction during 2001-2016 based on the (a) GFED4.1s, (b) MODIS C6, and (c) FireCCI51 data

我們進(jìn)一步分析了泛北極地區(qū)以及3 個(gè)子區(qū)域平均年過火面積的時(shí)間變化（圖5），其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.9±0.5 Mha/a（泛北極地區(qū)）、1.3±0.1 Mha/a（泛北極北美地區(qū)）、0.13±0.02 Mha/a（泛北極歐洲地區(qū)）和3.0±0.5 Mha/a（泛北極亞洲地區(qū)）。我們還注意到不同年份過火面積差別明顯，極端年份，例如2003 年，泛北極地區(qū)年平均的過火面積大于12 Mha/a，超過多年平均的1.6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，是火災(zāi)偏少年份（2001 年和2004 年，約為4 Mha/a）的3 倍；這些極端年份的過火面積主要來自泛北極亞洲和北美地區(qū)的貢獻(xiàn)。此外，在2002 年、2004 年、2013 年、2014、2015 年，北美地區(qū)也發(fā)生過極端大火，年平均過火面積3～4 Mha/a。泛北極歐洲地區(qū)雖然年平均過火面積較小，但在2006 年、2010 年過火面積也出現(xiàn)極大值（＞0.3 Mha/a），是多年平均（0.13 Mha/a）的2～3 倍。

圖5 2001～2016 年GFED4.1s、MODIS C6 和FireCCI51 數(shù)據(jù)（a）泛北極地區(qū)、（b）泛北極北美地區(qū)、（c）泛北極歐洲地區(qū)和（d）泛北極亞洲地區(qū)區(qū)域年過火面積時(shí)間變化Fig. 5 Time series of annual burned area during 2001-2016 based on the GFED4.1s, MODIS C6, and FireCCI51 data in the (a) Arctic-boreal zones, (b) Arctic-boreal North America, (c) Arctic-boreal Europe, and(d) Arctic-boreal Asia

3.2.3 趨勢(shì)變化

泛北極地區(qū)過火面積整體呈逐年增大趨勢(shì)（圖6），在2001～2016 年區(qū)域總年過火面積的趨勢(shì)為0.07～0.165 Mha/a，但該趨勢(shì)在統(tǒng)計(jì)上不顯著（表1）。增大的趨勢(shì)主要來自于泛北極亞洲地區(qū)（0.126～0.143 Mha/a），其次是泛北極北美地區(qū)（0.001～0.024 Mha/a）。而泛北極歐洲地區(qū)的過火面積呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，減小的幅度為0.003～0.005 Mha/a。從空間分布來看，泛北極亞洲地區(qū)過火面積增大趨勢(shì)主要發(fā)生在西伯利亞中部地區(qū)，而泛北極北美地區(qū)增大趨勢(shì)主要出現(xiàn)在加拿大中部，通過0.1 的顯著性水平檢驗(yàn)。不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品得到的空間分布基本一致，但幅度上存在差異（圖6 和表1）。與北美和亞洲地區(qū)不同，泛北極歐洲地區(qū)的過火面積呈減小趨勢(shì)，尤其在南部區(qū)域減小趨勢(shì)更為明顯（圖6）；過火面積減小區(qū)域的面積占泛北極歐洲地區(qū)總過火面積的61%～70%。

表1 2001～2016 年泛北極區(qū)域年過火面積的變化趨勢(shì)Table 1 Trend of annual burned area across the Arctic-boreal zone during 2001-2016

圖6 2001～2016 年（a）GFED4.1s、（b）MODIS C6 和（c）FireCCI51 數(shù)據(jù)年過火面積百分比變化趨勢(shì)空間分布。圖中打點(diǎn)表示通過0.1顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域Fig. 6 Spatial distribution of the annual burned area trend during 2001-2016 based on the (a) GFED4.1s, (b) MODIS C6, and (c) FireCCI51 data. The stippled area indicates the trend is significant at the 0.1 level

過火面積的趨勢(shì)在不同月份不同。泛北極地區(qū)2001～2016 年期間春季、夏季過火面積增大，秋季過火面積減小（圖7a）；3 套數(shù)據(jù)產(chǎn)品得到的結(jié)論基本一致。泛北極地區(qū)春季過火面積增大主要發(fā)生在5 月，夏季過火面積增大主要發(fā)生在6～7 月，增大趨勢(shì)來自泛北極北美和亞洲地區(qū)過火面積增大的貢獻(xiàn)（圖7b，圖7d）；秋季過火面積的減小主要發(fā)生在9 月，3 個(gè)子區(qū)域的過火面積皆在減小。另外，在泛北極歐洲地區(qū)，過火面積在春、夏、秋季均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)（圖7c）。由于在泛北極地區(qū)燃燒主要發(fā)生在春、夏兩季，因此春夏季節(jié)泛北極北美和亞洲地區(qū)過火面積增大導(dǎo)致這兩個(gè)區(qū)域年總的過火面積呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而在歐洲地區(qū)，春、夏、秋3 個(gè)季節(jié)過火面積的減小導(dǎo)致該地區(qū)年過火面積減小，這些結(jié)論和前述年過火面積趨勢(shì)分析結(jié)果一致。

圖7 2001～2016 年GFED4.1s、MODIS C6 和FireCCI51 數(shù)據(jù)（a）泛北極地區(qū)、（b）泛北極北美地區(qū)、（c）泛北極歐洲地區(qū)和（d）泛北極亞洲地區(qū)逐月的區(qū)域過火面積變化趨勢(shì)。帶星號(hào)的柱狀代表趨勢(shì)通過0.1 顯著性水平檢驗(yàn)Fig. 7 Trends of monthly burned area averaged over the (a) Arctic-boreal zone, (b) Arctic-boreal North America, (c) Arctic-boreal Europe, and (d)Arctic-boreal Asia during 2001-2016 based on the GFED4.1s, MODIS C6, and FireCCI51 data. Bar with asterisk indicates the trend is significant at the 0.1 level

3.3 不同陸表類型的過火面積時(shí)空變化特征

3.3.1 空間分布

泛北極地區(qū)不同陸表類型的燃燒分布具有較大的空間差異。圖8 給出GFED4.1s 產(chǎn)品2001～2016 年平均的不同陸表類型過火面積百分比的空間分布。由于MODIS C6 和FireCCI51 尚未提供不同陸表燃燒類型數(shù)據(jù)，本節(jié)中所有分析均是基于GFED4.1s 產(chǎn)品得到。森林燃燒是泛北極地區(qū)陸表燃燒的最主要類型，森林過火面積占總過火面積的38.9%（圖8a）。森林燃燒主要分布于泛北極地區(qū)的南部和中部區(qū)域（50°N～60°N），最大值出現(xiàn)在加拿大中部以及西伯利亞南部。其余陸表類型的過火面積大小依次是稀樹草原燃燒（24.9%）、灌木燃燒（19.5%）、農(nóng)田燃燒（8.8%）、草地燃燒（6.6%）。其中，稀樹草原燃燒主要分布在泛北極北美地區(qū)中部區(qū)域（55°N～65°N）以及泛北極亞洲地區(qū)的大部分區(qū)域，其中心位置相較于森林燃燒而言更偏北（圖8c）。灌木燃燒則分布于泛北極北美和亞洲地區(qū)偏北的區(qū)域（60°N～70°N）以及泛北極亞洲地區(qū)的東南部（圖8b）。農(nóng)田燃燒則集中分布在泛北極北美、歐洲和亞洲地區(qū)的南部（圖8e）。草地燃燒在整個(gè)泛北極地區(qū)皆有分布，但燃燒值相對(duì)較小，最大值位于亞洲地區(qū)的貝加爾湖附近陸地（圖8d）。

圖8 2001～2016 年氣候平均GFED4.1s 數(shù)據(jù)不同陸表類型過火面積百分比氣候態(tài)空間分布（括號(hào)內(nèi)數(shù)字為該陸表類型過火面積對(duì)總過火面積的占比）：（a）森林；（b）灌木；（c）稀樹草原；（d）草地；（e）農(nóng)田；（f）其他Fig. 8 Spatial distribution of climatological burned area fraction during 2001-2016 for different land cover types based on the GFED4.1s fire products: (a) Forests; (b) shrublands; (c) savannas; (d) grasslands; (e) croplands; (f) others. The numbers in parentheses are proportion of burned area of the specific land cover type to the total burned area

3.3.2 季節(jié)變化

泛北極地區(qū)不同區(qū)域過火面積逐月變化的主要陸表類型不同（圖9a-9d）。年過火面積主要來自于春、夏季的森林、灌木和稀樹草原燃燒貢獻(xiàn)（圖9a）。其中，在泛北極北美地區(qū)，夏季稀樹草原和森林過火面積分別占夏季泛北極地區(qū)總過火面積的20%和15%（圖9b）；在泛北極亞洲地區(qū)，夏季森林、灌木和稀樹草原過火面積分別占夏季泛北極地區(qū)總過火面積的24%、18%和10%（圖9d）。在春季，燃燒主要由森林、農(nóng)田和草地燃燒貢獻(xiàn)（圖9a）。其中，森林、農(nóng)田和草地過火面積分別占春季泛北極地區(qū)總過火面積的28%、27%和18%（圖9d）。另外值得一提的是，在泛北極歐洲地區(qū)，夏季燃燒主要由森林燃燒貢獻(xiàn)，占夏季泛北極歐洲地區(qū)總過火面積的60%，春季燃燒主要由農(nóng)田燃燒貢獻(xiàn)，占春季泛北極歐洲地區(qū)總過火面積的81%（圖9c）。

圖9 2001～2016 年不同陸表類型的（a-d）區(qū)域月過火面積氣候態(tài)的逐月變化和（e-h）區(qū)域年過火面積逐年變化：（a、e）泛北極地區(qū)；（b、f）泛北極北美地區(qū)；（c、g）泛北極歐洲地區(qū)；（d、h）泛北極亞洲地區(qū)Fig. 9 (a-d) Annual cycle of climatological regional monthly burned area and (e-h) interannual variability of regional annual burned area for different land cover types during 2001-2016: (a, e) Arctic-boreal zone, (b, f) Arctic-boreal North America, (c, g) Arctic-boreal Europe, and (d, h) Arctic-boreal Asia. Yellow denotes burned areas for forests, green for shrublands, blue for savannas, purple for grasslands, purplish red for croplands, and grey for others

3.3.3 年際變化

泛北極地區(qū)不同區(qū)域過火面積逐年變化的主要陸表類型不同（圖9e-9h）。對(duì)于整個(gè)泛北極地區(qū)而言，森林燃燒占主導(dǎo)（圖9e）。在3 個(gè)子區(qū)域，泛北極北美地區(qū)是稀樹草原和森林燃燒為主（圖9f），泛北極歐洲地區(qū)是農(nóng)田和森林燃燒為主（圖9g），泛北極亞洲地區(qū)則是森林和灌木燃燒為主（圖9h）。我們進(jìn)一步計(jì)算了不同陸表類型過火面積的標(biāo)準(zhǔn)差（表2）。對(duì)于整個(gè)泛北極地區(qū)來說，森林燃燒的年際變化最大，其年際變化主要來自泛北極亞洲地區(qū)的貢獻(xiàn)。其次是稀樹草原和灌木燃燒，年際變化分別主要來自北美地區(qū)和亞洲地區(qū)的貢獻(xiàn)。而農(nóng)田和草地燃燒的年際變化相對(duì)較小，主要來自亞洲地區(qū)的燃燒貢獻(xiàn)。

表2 2001～2016 年泛北極不同陸表類型的區(qū)域年過火面積標(biāo)準(zhǔn)差。數(shù)據(jù)已去趨勢(shì)Table 2 Standard deviation of detrended annual burned area for different land cover types across the Arctic-boreal zone during 2001-2016

同時(shí)，從逐年變化來看，泛北極不同區(qū)域極端大火對(duì)應(yīng)的主要陸表類型燃燒不同。在泛北極北美地區(qū)，2002 年、2004 年、2013 年、2014 年的極端大火主要是稀樹草原燃燒，其次是森林燃燒；而在2015 年，森林燃燒更多。在泛北極歐洲地區(qū)，2006 年的極端大火是農(nóng)田燃燒引起的，2010 年則是森林燃燒引起的。在泛北極亞洲地區(qū)，2003 年的極端大火主要是森林燃燒，其次是灌木燃燒。

3.3.4 趨勢(shì)變化

2001～2016 年期間，泛北極地區(qū)不同陸表類型的年過火面積趨勢(shì)變化也具有明顯差異。大部分地區(qū)森林燃燒在逐年增大，尤其在泛北極亞洲地區(qū)南部增大趨勢(shì)顯著（p＜0.1）（圖10a）。具體而言，泛北極地區(qū)森林燃燒以每年0.16 Mha 的過火面積在顯著增大，其中，泛北極北美地區(qū)每年增大0.04 Mha，泛北極亞洲地區(qū)每年增大0.08 Mha（表3）。相反地，其他陸表類型燃燒略有減小，灌木、稀樹草原、草地和農(nóng)田的減小趨勢(shì)值分別是0.02、0.02、0.01、0.01Mha/a。從空間分布來看，灌木燃燒在加拿大中部、泛北極亞洲地區(qū)西部是增大的，在泛北極亞洲地區(qū)東部是減小的（圖10b）；稀樹草原燃燒在加拿大中部、泛北極亞洲地區(qū)西部是增大的，在阿拉斯加?xùn)|部、泛北極亞洲地區(qū)南部和東部是減小的（圖10c）；草地燃燒在泛北極亞洲地區(qū)西部有明顯的增大趨勢(shì)，東部有明顯的減小趨勢(shì)（圖10d）。對(duì)于農(nóng)田燃燒，泛北極北美和亞洲南部地區(qū)過火面積變化趨勢(shì)并不明顯，但在泛北極歐洲地區(qū)則是一致的減小趨勢(shì)（圖10e）。盡管泛北極歐洲地區(qū)過火面積的量級(jí)較小，但幾乎所有陸表類型的過火面積都在減?。ū?），導(dǎo)致泛北極歐洲地區(qū)年過火面積減小。

表3 2001～2016 年泛北極不同陸表類型的區(qū)域年過火面積變化趨勢(shì)Table 3 Trends of annual burned area for different land cover types across the Arctic-boreal zone during 2001-2016.Asterisk (double asterisks) denotes that the trend is significant at the 0.1 (0.05) level

圖10 2001～2016 年不同陸表類型年過火面積百分比變化趨勢(shì)空間分布（圖中打點(diǎn)表示通過0.1 顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域）：（a）森林；（b）灌木；（c）稀樹草原；（d）草地；（e）農(nóng)田；（f）其他Fig. 10 Spatial distribution of trends of annual burned area fraction for different land cover types during 2001-2016: (a) Forests; (b) shrublands; (c)savannas; (d) grasslands; (e) croplands; (f) others. Stippled area denotes that the trend is significant at the 0.1 level

進(jìn)一步，我們分析了不同陸表類型過火面積趨勢(shì)的季節(jié)演變。泛北極地區(qū)5～8 月森林燃燒在增大，尤其7 月過火面積顯著增大（p＜0.1）（圖11a），增大趨勢(shì)主要來自于泛北極北美和亞洲地區(qū)的森林燃燒貢獻(xiàn)（圖11b、11d）。另外，灌木燃燒在6月顯著增大，同樣是泛北極北美和亞洲的灌木燃燒增大引起的。在泛北極歐洲地區(qū)，4～7 月稀樹草原燃燒顯著減小，8、9 月農(nóng)田燃燒顯著減小，4～5 月農(nóng)田燃燒大量減?。▓D11c）?？傮w來說，泛北極地區(qū)夏季過火面積增大主要來自泛北極北美、亞洲地區(qū)的森林、灌木燃燒增大，而泛北極歐洲地區(qū)大多數(shù)陸表類型過火面積在春、夏季減小。

圖11 2001～2016 年（a）泛北極地區(qū)、（b）泛北極北美地區(qū)、（c）泛北極歐洲地區(qū)和（d）泛北極亞洲地區(qū)不同陸表類型的逐月區(qū)域過火面積變化趨勢(shì)。帶星號(hào)的柱狀代表趨勢(shì)通過0.1 顯著性水平檢驗(yàn)Fig. 11 Trends of monthly regional burned area for different land cover types during 2001-2016: (a) Arctic-boreal zone, (b) Arctic-boreal North America, (c) Arctic-boreal Europe, and (d) Arctic-boreal Asia. Yellow denotes burned areas for forests, green for shrublands, blue for savannas, purple for grasslands, purplish red for croplands, and grey for others. Bar with asterisk indicates the trend is significant at the 0.1 level

4 結(jié)論與討論

本研究分析2001～2016 年泛北極地區(qū)過火面積的空間分布、時(shí)間變化特征，得到以下結(jié)論：

（1）泛北極地區(qū)的主要燃燒區(qū)有阿拉斯加、加拿大中部、西伯利亞南部和中東部，年過火面積百分比最大值超過1.5%/a。

（2）泛北極地區(qū)燃燒主要發(fā)生在夏季和春季。具體來說，泛北極北美地區(qū)的燃燒主要發(fā)生在夏季，以稀樹草原和森林燃燒為主；泛北極歐洲地區(qū)的燃燒主要發(fā)生在春季（農(nóng)田燃燒為主），其次是夏季

（森林燃燒為主）；泛北極亞洲的燃燒主要發(fā)生在夏季（主要為森林、灌木和稀樹草原燃燒），其次是春季（主要為森林、農(nóng)田和草地燃燒）。

（3）泛北極地區(qū)年過火面積顯著增大趨勢(shì)主要發(fā)生在加拿大中部和西伯利亞中部。對(duì)于不同陸表類型來說，泛北極和泛北極北美地區(qū)森林過火面積呈現(xiàn)顯著增大趨勢(shì)；而泛北極歐洲地區(qū)則主要呈現(xiàn)為農(nóng)田燃燒顯著減小的趨勢(shì)。

（4）泛北極不同地區(qū)過火面積極端大值年份對(duì)應(yīng)的主要陸表類型不同。在泛北極北美地區(qū)，極端大火多發(fā)生在稀樹草原和森林；在泛北極歐洲地區(qū)，極端大火主要發(fā)生在農(nóng)田和森林；在泛北極亞洲地區(qū)，極端大火多發(fā)生在森林以及灌木區(qū)。

Stocks et al.（2002）采用1959～1997 年加拿大大火數(shù)據(jù)庫(kù)（Large Fire Database，LFDB）分析了加拿大火災(zāi)的季節(jié)變化，指出加拿大森林火災(zāi)通常從4 月的南部地區(qū)開始，一直持續(xù)到10 月中旬。我們基于衛(wèi)星遙感產(chǎn)品得到的結(jié)果與其一致：2001～2016 年平均而言，加拿大火災(zāi)同樣在4 月出現(xiàn)，主要分布在加拿大南部，而后更盛的火災(zāi)向北發(fā)展，直到9 月轉(zhuǎn)弱，10 月在南部地區(qū)有零星火災(zāi)活動(dòng)發(fā)生（圖5）。Soja et al.（2004）使用甚高分辨率輻射計(jì)（AVHRR）數(shù)據(jù)制作得到1999 年和2000 年的主動(dòng)火產(chǎn)品，指出在西伯利亞火災(zāi)從3 月下旬開始在40°N 左右發(fā)生，隨后逐漸向北發(fā)展，7 月達(dá)到最大。Kim et al.（2020）研究了1997～2016 年西伯利亞的火災(zāi)季節(jié)變化，指出55°N 以北的西伯利亞中部、東部的火災(zāi)活動(dòng)分別在6、7 月達(dá)到最大。這和我們的工作指出的西伯利亞的火災(zāi)于3 月在貝加爾湖東部發(fā)生，隨后向北發(fā)展，7 月達(dá)到最盛的結(jié)果是一致的。Drobyshev et al.（2012）基于瑞典火災(zāi)數(shù)據(jù)分析，指出1996～2008 年瑞典過火面積的峰值則分別是春季（南部）和8 月（北部）。我們基于衛(wèi)星反演火產(chǎn)品也顯示泛北極歐洲地區(qū)南部火災(zāi)大多發(fā)生在春季，往北則更多發(fā)生在夏季（圖6）。這說明在區(qū)域尺度上，基于衛(wèi)星遙感反演的全球火產(chǎn)品與觀測(cè)火災(zāi)數(shù)據(jù)得到的過火面積的季節(jié)演變特征有很好的一致性。

本研究顯示在泛北極地區(qū)，加拿大中部和西伯利亞中部年過火面積呈顯著增大趨勢(shì)（圖6），這和以往基于觀測(cè)數(shù)據(jù)研究得到的的結(jié)論一致（Hanes et al., 2019; Bowman et al., 2020; Talucci et al., 2022），但我們的研究也進(jìn)一步揭示了泛北極地區(qū)南部邊緣過火面積減小主要來自農(nóng)田和稀樹草原過火面積減小的貢獻(xiàn)（ 圖10）。 此外，Drobyshev et al.（2012）分析瑞典火災(zāi)數(shù)據(jù)，指出自19 世紀(jì)以來瑞典的森林火災(zāi)活動(dòng)有所減少。而我們的研究發(fā)現(xiàn)在近20 年來，整個(gè)泛北極歐洲地區(qū)（包括瑞典），除了人類活動(dòng)影響較大的農(nóng)田燃燒在顯著減小，稀樹草原、灌木、草地燃燒也都在顯著減小；這說明除了人類活動(dòng)影響以外，氣候可能對(duì)泛北極歐洲地區(qū)的過火面積減小也有正貢獻(xiàn)。另外，值得注意的是，本研究所使用的數(shù)據(jù)由于時(shí)間序列較短，對(duì)于整個(gè)泛北極地區(qū)的過火面積來說，趨勢(shì)并不顯著。后面的工作中可考慮采用更長(zhǎng)時(shí)間的區(qū)域過火面積數(shù)據(jù)或者模式，進(jìn)一步分析泛北極過火面積的長(zhǎng)期趨勢(shì)變化。

泛北極過火面積的增大趨勢(shì)和氣候變化密切相關(guān)。一方面，氣候變暖有利于熱對(duì)流、雷暴、閃電形成的大氣條件更頻繁地出現(xiàn)，點(diǎn)火數(shù)增多，加劇火災(zāi)活動(dòng)；另一方面，氣候變暖引起融雪提前，導(dǎo)致隨后的燃料干燥增強(qiáng)和火災(zāi)季節(jié)提前，燃料點(diǎn)火的可能性增強(qiáng)、火蔓延范圍擴(kuò)大；兩方面共同作用導(dǎo)致北美森林過火面積顯著增大（Veraverbeke et al., 2017）。在加拿大，近年來過火面積增大的原因之一是大火事件增加（Stocks et al., 2002）。而大火數(shù)量增加的原因可能是更熱和更干燥的火災(zāi)天氣、更長(zhǎng)的火災(zāi)季節(jié)（Albert-Green et al., 2013;Mann et al., 2017; Hanes et al., 2019）。此外，Kim et al.（2020）在研究西伯利亞東南地區(qū)火災(zāi)活動(dòng)時(shí)，指出大氣環(huán)流異常導(dǎo)致的晚冬溫度升高會(huì)促進(jìn)較早的融雪和較干燥的空氣條件，使得春季火災(zāi)活動(dòng)增加。

除了氣候因素，局地人類活動(dòng)也是影響泛北極過火面積趨勢(shì)變化的重要原因。Kirillina et al.（2020）分析俄羅斯薩哈共和國(guó)的過火面積變化，發(fā)現(xiàn)1996～2018 年薩哈共和國(guó)的過火面積顯著增大的可能原因是強(qiáng)烈的變暖趨勢(shì)以及人為影響：從2000 年開始，由于該地區(qū)工業(yè)化速度加快，人為火災(zāi)的比例有所增加，特別是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)。同樣地，近年來北歐的森林火災(zāi)活動(dòng)減少也和人類活動(dòng)有關(guān)，比如大規(guī)模的木材開采和有效的火災(zāi)管理措施：建立密集的森林道路以縮短消防員的救災(zāi)距離等，以有效控制火災(zāi)蔓延和過火面積（Granstr?m and Niklasson, 2008; Drobyshev et al.,2012）。

致 謝感謝陳陽老師為本文提供陸表燃燒類型產(chǎn)品數(shù)據(jù)，感謝國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”提供支持。