南京大学南京大学国际地球系统科学研究所在极端野火事件归因与影响领域取得新进展

近日，南京大学国际地球系统科学研究所张永光教授课题组基于多源遥感数据评估了2023年加拿大极端野火的空前规模、主要驱动因子以及对永久冻土产生的影响。2023年加拿大横跨东西海岸的野火燃烧了空前的13.02百万公顷（Mha），比历史（2001-2020年）平均水平高出7倍之多。2023年超过80%的野火发生在加拿大的永久冻土区域，甚至蔓延至北极圈以北的连续永久冻土地区，这预计在未来数年甚至数十年内会加剧永久冻土退化，进而导致大量有机碳释放到大气中，对气候系统产生重要而深远的影响。

近年来，气候变化加剧了极端火天气条件，进而增加了区域极端野火事件的频率和强度。2023年加拿大破纪录的极端野火受到全球的广泛关注，但这次事件背后的主要气候驱动因子仍不清楚。此次极端野火事件造成了严重的社会和气候影响：超过200个社区和二十几万人口被疏散；燃烧导致大量存储在生物量的有机碳被释放到大气中；数百万人口暴露在由火灾烟雾造成的恶劣空气环境中。除此之外，加拿大分布着广阔的永久冻土，封存了大量有机碳。此次极端野火事件势必对永久冻土的冻融和碳存储造成严重影响。然而，野火导致的永久冻土退化的潜在风险往往被忽视。

2023年加拿大和永久冻土区的破纪录的野火规模

本研究利用中等分辨率成像光谱仪（MODIS）的卫星野火观测数据，发现2023年加拿大野火燃烧面积达到空前的13.02 Mha，超过历史（2001-2020年）平均水平12个标准差之多（图1）。自观测记录以来，2023年是唯一一次加拿大东西部同时出现极端野火现象，分别达到4.70 Mha和8.32 Mha，分别超过历史平均水平750%和573%。其中，魁北克省的野火最为严重（4.23 Mha），随后为西北地区（2.77 Mha）、阿尔伯塔省（2.29 Mha）和不列颠哥伦比亚省（2.18 Mha）。另外，永久冻土区爆发了破纪录的极端野火，尤其在岛状和零星永久冻土区，燃烧面积分别达到了4.56 Mha和4.86 Mha。甚至在高纬度的连续永久冻土区，燃烧面积超过历史平均水平的6倍以上。

图1 基于遥感数据分析2023年加拿大和永久冻土区破纪录的野火规模。

异常降水亏缺和加剧的大气干旱主导了2023年的极端野火

进一步分析了此次极端野火背后的主要气候驱动因子。结果发现，2023年加拿大出现破纪录的极端高温和干旱。2023年火灾季节（5月至9月）的气温（T）高出历史平均水平2.64℃之多，其中5月的变暖达到4.48℃。另外，2023年的降水（PRE）出现异常亏缺，比历史平均水平少73.3毫米，导致加拿大出现持续的异常干旱。极端的高温和降水亏缺导致了极端的大气干旱（VPD和RH）和土壤干旱（SM），进而加剧植被水分胁迫（CWD），使得可燃物含水率下降，可燃性增加（图2）。此外，利用机器学习算法分析各气候因子的相对重要性，发现异常的降水亏缺和加剧的大气干旱主导了2023年加拿大的极端野火（图3）。

图2 2023年加拿大的极端高温和干旱条件。因子包括气温（T）、降水（PRE）、饱和水汽压差（VPD）、相对湿度（RH）、表层土壤水（SM）和气候水分亏缺（CWD）。

图3 基于机器学习算法分析因子重要性以及各因子对野火的偏依赖关系。

极端野火对永久冻土的影响

2023年加拿大的极端野火势必对永久冻土造成严重而深远的影响。野火会改变土壤热条件，进而导致永久冻土退化，主要表现为活动层升温和增厚，以及热熔湖塘的扩张。野火也会通过改变地表反照率、蒸散发和雪盖，影响地表能量平衡，导致地表升温和热量传导至更深层的土壤。另外，野火会消耗覆盖在地表的土壤有机层，而有机层具有减缓永久冻土受气候变暖影响的绝缘作用。以上影响会随野火燃烧烈度和强度的增加而增加。

另外，永久冻土是一个巨大的碳库，存储着远超北方森林生物量的有机碳。野火通过燃烧生物量将碳释放到大气中，对气候产生正反馈作用。然而，由此产生的碳-气候反馈作用可能会因即将发生的永久冻土退化而大大加剧。永久冻土融化会释放土壤中的碳，主要以二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）的形式释放到大气中。这一过程在野火后可能会持续数年甚至数十年。然而，由于存在较大的不确定性，量化野火后永久冻土退化对碳-气候的影响仍然具有挑战性。需要结合实地测量、卫星遥感观测和陆面模型等综合努力，以评估野火对永久冻土的长期影响。

研究成果以“Increased Atmospheric Aridity and Reduced Precipitation Drive the 2023 Extreme Wildfire Season in Canada”为题，近期发表于地学权威期刊《Geophysical Research Letters》（https://doi.org/10.1029/2024GL114492）上。南京大学博士研究生赖耕科为文章第一作者，张永光教授为文章通讯作者。该工作受到国家自然科学基金（杰青项目）的支持。