Science北极圈空前的野火活动与温度的上升有关

　　北极野火可以从永久冻土泥炭地释放大量的碳。
　　研究人员根据卫星观测，发现2019年和2020年的野火的火烧面积约为470万公顷，占整个1982-2020年期间西伯利亚北极地区总火烧面积的44%。2020年的夏天是四十年来最温暖的夏天，野火燃烧了前所未有的大面积富碳土壤。
　　研究发现，与温度有关的火险因素在近几十年来有所增加，而且这些因素与年火烧面积之间呈近指数关系。因此，  气候变暖将可能导致北极富碳土壤的火烧面积在本世纪中期之前呈指数级增长。
　　在本世纪中叶之前，随着气候变暖，温度趋势正在达到一个阈值，在这阈值之上，温度的小幅上升会造成燃烧面积的指数性增长，未来北极地区的可能会再次发生大型野火。
　　研究背景
　　北极野火造成的碳排放可能会危及全球气候目标。
　　由于＂北极放大效应＂，北极正在迅速变暖；与前工业化时代相比，北极年均温已经上升了2°C以上，预计到2100年将比1985-2014年的平均气温高出3.3-10°C。
　　温度的升高导致永久冻土的融化和泥炭地的恶化，释放出CO2和甲烷。由于全球变暖，高纬度泥炭地预计将成为净碳源。碳的释放产生了正反馈，额外的排放导致进一步的变暖和融化，使泥炭地进一步退化和排放。
　　在这种背景下，2020年卫星热传感器在西伯利亚东部发现的大量野火引起了公众及科学家的特别关注。
　　野火在北极和亚北极地区很常见，随着气候变暖，其规模、频率和强度预计会增加。西伯利亚北极的极端天气（如2020年的），预计将随着北极涛动（Arctic oscillations）的减弱而变得更加严重。先前在阿拉斯加苔原进行的研究表明，到本世纪末，由于气候变暖和干燥的同时发生情况更加频繁，每年的火烧面积可能是1950-2010年期间的2倍。
　　本研究使用六个卫星衍生的火烧地区地图，评估了1982-2020年西伯利亚北极地区（纬度>66.5°N）的年度火烧面积。西伯利亚北极地区，是北极圈以上大多数野火发生的地方，而且野火频率似乎正在增加。
　　研究调查了与野火可能性相关的10个火险因素，其中包括6个气候变量：空气和地表温度、总降水量、风速和方向、饱和蒸汽压亏缺(vapor-pressure deficit，VPD)，和 3个植被变量：生长季节的长度、平均标准化植被指数(NDVImean)和气候水分亏缺(climatic water deficit，CWD)，以及与野火可能性相关的直接因素——点火数量（number of ignitions）。
　　作者评估了这些因素在过去四十年中是如何变化的，以及它们与年火烧面积之间的关系。最后，研究探讨了未来代表性浓度路径(Representative Concentration Pathways，RCPs)下的年火烧面积和野火碳排放的趋势。
　　研究结果
　　1. 1982-2020年火烧面积的趋势
　　1982年至2020年期间，卫星火烧面积产品显示，环极地区（纬度>66.5°N）有1297万公顷（Mha）被火烧。西伯利亚北极地区，一个具有连续永久冻土的地区，占了这一火烧面积的71%。2019年和2020年在北极圈以上的西伯利亚有最大的火烧面积（图1A ），占1982年-2020年该地区总火烧面积（9.24Mha）的44%。
　　不同卫星产品显示的火烧面积结果有所不同（图2A ）。2020年的火烧面积为1.71（MCD64A1）、2.38（C3SBA10）、2.59（Landsat）和2.62 Mha（Sentinel-2）。但基于遗漏和执行误差评估，2020年基于采样的烧伤面积要更高，接近3 Mha 。
　　研究估计，2019年和2020年野火产生的碳排放分别为55.3和90.4 Tg C，即156.7和256.1 Tg CO2当量（包括CO2和CH4）。2020年的野火破坏了大面积(0.71 Mha)的富碳泥炭地（有机碳储量>20 kg C m−2）(图1B )。受野火影响的富碳泥炭地的面积最近也有所扩大：在有记录的过去8年里，70%的总火烧面积发生在这些地区，30%发生在2020年（图2B ）。
　　▲图1 | 2001-2020年火烧面积和环极区域泥炭地碳储量地图。
　　▲图2 | 1982-2020年西伯利亚北极地区和富碳泥炭地的年火烧面积。
　　2. 1982-2020年火险因素的趋势
　　在过去四十年中，各种可能加剧该地区火险的因素显著增加（图3 ）。
　　气温、NDVI、生长季长度、VPD都稳步上升。夏季气温平均每十年上升0.66°C。夏季空气温度的平均增幅为每十年0.66℃。2019年和2020年，夏季平均气温为11.35°和11.53°C，分别比1982-2020年的平均值高2.65°和2.82°C。
　　CWD是植物水分胁迫的代表，定义为潜在和实际蒸散发之间的差异，在1982年到2020年之间也有所增加，尽管线性趋势可能从2000年开始。然而，更令人惊讶的是，CWD在2019年和2020年突然增加。评估的点火数量、总降水量和风速都有很强的年际变化，其趋势的斜率与零没有明显区别。
　　值得注意的是，这些点火时间与异常高的对流有效位能（convective available potential energy, CAPE）值相吻合，CAPE是对流风暴和闪电的一个指标。
　　▲图3 | 1982-2020年西伯利亚北极地区8种火险因素的变化趋势。
　　火险因素包括夏季平均空气和地表温度、平均VPD、夏季总降水量、平均CWD、描述植被绿色生物量的平均NDVI、生长季长度和检测到的点火数量。
　　3. 火烧面积对火险因素的敏感性
　　采用线性回归和指数回归分析年度火烧面积与火险因素之间的关联。根据R2判断，确认指数回归为最佳回归模型（图4 ），这表明当火险因素超过特定阈值时，年火烧面积迅速增加。火烧面积最大的四年（2001年、2018年、2019年和2020年）的夏季平均气温为>10℃。
　　拟合效果最好的是CWD，它解释了火烧面积的92%的年际变化率。其他有较高决定系数(R2)的因素是夏季气温(87%)、VPD(89%)和点火数量(87%)。年火烧面积与总降水量的相关性最弱(15%)。去趋势的相关性分析（可减少虚假相关性的可能性）分析也证实它们之间的关系。
　　▲图4 | 1982-2020年西伯利亚北极地区年火烧面积与8种野火因子的回归分析。
　　研究进一步使用结构方程模型（structural equation modeling, SEM）探索了火险因素之间的潜在关系。SEM支持了温度在控制其他影响火烧程度的因素中的作用（图5 ）。温度与生长季增加、植被绿色生物量(NDVImean)和大气干燥度(VPD)呈显著正相关。
　　这些温度调节的火险因素和总降水量可能会影响植物水分胁迫（通过CWD反映），但SEM显示只有VPD有显著的影响（图5 ）。生长季延长和植被绿色生物量增加与植物水压力的增加有关，但这种联系并不显著，可能是由于观测数量有限。温度和CWD分别与点火数量呈显著正相关。SEM模型的年火烧面积的R2为0.82，由探测到的点火数量和CWD直接解释。
　　▲图5 | 2001-2020年西伯利亚北极地区火险因素之间关联的因果网络。
　　变量被分类为气候（夏季平均地表温度、总降水量、和平均VPD；黄色）、植被（描述绿色生物量的夏季平均NDVI、生长季长度、和通过夏季平均CWD测量的植物水分胁迫；绿色）和野火（检测到的点火数量和年火烧面积；浅红色）。数字表示变量间的负荷。线的宽度表示影响的大小，虚线表示不显著的影响。
　　4. 预测不同气候情景下的年火烧面积和碳排放
　　2018年、2019年和2020年的年火烧面积是长期（1982-2020年）平均值（0.24 Mha）的两倍多。2001年夏季，平均气温接近10°C，是有记录以来第一个火烧面积超过长期平均面积两倍的年份。在夏季平均温度为10.2℃时，每年就会有0.5 Mha的火烧面积。这表明，夏季平均温度在10℃阈值以上的小幅增长往往与大面积的年火烧面积有关。
　　夏季平均气温的线性趋势（图3 ）表明，如果夏季平均气温继续以目前的速度线性上升，到2024年气温将达到10.2°C，到2045年稳定达到2020年极端水平（图6 ）。RCP 4.5和8.5情景表明，气温升高可能大幅扩大西伯利亚北极地区的烧伤面积；在RCP 4.5和RCP 8.5情景下，在本世纪中叶之前，年火烧面积可能在0.5至2.5 Mha之间（图6B ）。这将导致2030年至2050年期间，RCP 8.5下的年均排放量为37.8 Tg C（即107.0 Tg CO2当量；图6C )，其中27.6%将来自富碳泥炭地（图6D ）。
　　在RCP 8.5情景下，2020年观测到的规模较大的野火(火烧面积> 2.5 Mha)可能在本世纪末每年都会发生，年平均碳排放量为135.0 Tg C（即382.5 Tg CO2当量），其中27.9%来自富碳泥炭地。在RCP 4.5情景下，在本世纪下半叶，年碳排放将在本世纪下半叶稳定下来（51.7 Tg C yr-1），如果温室气体浓度在本世纪中叶稳定下来，西伯利亚北极地区发生像2020年那样的野火（>2.5 Mha）的频率将降低，周期为10年一遇。
　　▲图6 | 不同气候情景下，西伯利亚北极的温度、年火烧面积以及野火造成的碳排放趋势。
　　讨论
　　根据40年的卫星数据，西伯利亚北极地区在2019年和2020年的火烧率最高。2020年的火烧面就比1982-2020年的平均水平高出7倍，并毁坏了前所未有的泥炭地面积。研究发现，在过去40年里，与温度有关的火险因素显著增加；研究还确认了这些因素与年烧伤面积之间的指数关系，解释了了为什么2019年和2020年发了空前规模的野火。
　　SEM结果证实了较高的温度、较长的生长季和更绿的植被之间的正相关。较高的温度导致了融雪提前，使得植被生长和绿色生物量增加，从而增加了燃料的可用性。生长季的提前也会改变了水分的使用和可用性，因此植物也可能在生长季的早期经历水分压力。
　　2020年的极端热浪加剧了对干旱的脆弱性，热浪有可能使植物干枯，减少泥炭中的水分，从而增加燃烧的严重程度。这体现在以VPD衡量的大气干燥度，对以CWD表示的植物水分胁迫的高度影响，以及它与年火烧面积的高度相关性。此外，CWD的内涵还包括气候因素、水平衡和物候变化等，因此火险因素与CWD的相互联系可能解释了为什么CWD与年火烧面积的相关性最好。
　　气候变暖和极端天气也可能是特定年份点火数量增加的原因。2020年有破纪录的温度，并在生长季早期造成干旱状况。最近的暖冬，如2020年，似乎与异常的环流模式有关，这也有利于早春积雪融化和较低的反照率，从而维持温暖的条件。热浪，特别是地表温度的升高与对流风暴和点火有关，这一点在SEM中得到了证实。尽管闪电在高纬度地区仍然不常见，但随着气候变暖，闪电预计会增加。因此，气候变暖对野火状况有双重影响；气候变暖增加了植被和泥炭地对野火的易感性，增加了闪电引起的野火次数。
　　野火和温度之间的联系表明，严重的野火年份，如2020年，将变得越来越常见，由此产生的碳排放将上升。然而，未来野火和碳排放的规模仍不确定。
　　首先，尽管雷击的频率似乎会随着气温上升而增加，但由此引发的野火的规模取决于具体的当地天气和植被状况，这仍然是难以预测的。
　　第二，研究只考虑了野火产生的直接排放，而忽略了间接排放，这些排放不一定可以忽略不计。野火去除了隔绝永久冻土的泥炭，使冻土暴露于解冻之中，从而促进了土壤呼吸和CO2和甲烷的产生。此外，永久冻土阻止了泥炭地更深的燃烧。随着永冻层的退缩，高温和干燥条件可能有利于更高的燃烧率。
　　在过去3年的记录中，西伯利亚北极地区的年火烧面积已经是长期平均水平的两倍。这种年火烧面积的增加表明，北极已经在经历气候变暖引起的野火制度的变化。最近的温度趋势和预测情景表明，温度正在达到一个阈值，在10°C以上温度的轻微上升可能会改变火险因素，导致未来几十年火烧面积及其相关野火排放呈指数增长。即将到来的野火可能会影响泥炭地，是永久冻土退化，这反过来又会加剧富碳土壤的碳排放。