云南大学“区域极端气候数智融合预测”创新团队在 National Science Review发文揭示北极—北方冻土退化促进自然野火的关键时间节点
近期，云南大学“区域极端气候数智融合预测”创新团队在National Science Review（《国家科学评论》，简称NSR）发表题为“Permafrost thaw has enlarged the burned area proportion from naturally-ignited wildfires in arctic-boreal regions”的学术论文，在北极—北方地区冻土融化对野火时空格局的影响研究中取得重要进展。
野火可依据引燃类型划分为自然野火与人为野火，两类野火的时空分布特征与气候敏感性存在显著差异。本研究基于陆面过程模式实现自然野火与人为野火过程的解耦，对研究区域逐格点设置野火过程参数化方案，反演得到过火面积的时空分布格局，以及自然野火与人为野火在总过火面积中的占比（图1a），模型结果可准确重现2000年以来北极—北方地区野火过火面积的显著上升趋势（图1b），模拟结果与实际观测数据具备良好一致性。本研究识别出2010年前后为北极—北方地区自然野火过火面积发生显著突变的关键时间节点：2010年之前，自然野火过火面积平均占比为42.5%；2010年之后，该占比上升至53.8%（图1c）。
图1.(a)改进后的CLM5模型模拟的自然野火过火面积占比的空间分布格局。(b)基于CLM5模型结果（红色实线）和GFED5数据（蓝色实线）的过火面积（km⟡）时间序列。(c)自然野火过火面积占比（%）的时间序列（红色实线）。虚线表示2000–2010年和2011–2022年两个时段的平均值。(d)自然野火过火面积占比时间序列的逐次Mann-Kendall检验结果。
通过对气候水分亏缺（CWD）与浅层土壤湿度开展诊断分析可得：2000年之后，自然野火主导区域相较于人为野火主导区域，发生了更为显著的大气与浅层土壤干化过程；且冻土区野火过火面积对CWD与土壤湿度变化的敏感性显著高于非冻土区，气候环境背景的改变可引发冻土区过火面积更为显著的变动，其中自然野火的变化幅度高于人为野火。21世纪初期北极地区进入快速增温阶段，冻土活动层厚度与地下水位深度均呈快速增长趋势，进一步导致冻土区浅层土壤干化、可燃物可燃性提升，为野火发生提供了更有利的环境条件。本研究进一步证实，泛北极地区普遍存在冻土融化驱动的浅层土壤显著干化趋势，从冻土活动层增厚到浅层土壤湿度显著下降，平均存在$4.29\pm1.52$年的时间滞后效应。（图2）
图2. (a) 0–2 m深度各土壤层的土壤湿度距平。距平以模式预热最后一年为参考计算。黑线表示2000–2022年北极-北方地区多年冻土区平均的活动层厚度变化。(b) 与2000年相比，不同年融化深度增幅下0–0.5 m土壤湿度相对变化（%）的箱线图。(c) 活动层厚度最大增长速率出现年份和(d) 随后0–0.5 m土壤湿度最大下降速率出现年份的空间分布。
依托环北极冻土活动层观测网（CALM）、国际土壤湿度观测网（ISMN）、GLDAS再分析数据开展多源观测资料交叉验证，结果证实：2000-2005年期间存在冻土快速融化过程，且2010年前后自然野火主导区域发生了快速的土壤湿度下降（图3）。本研究首次揭示，2010年前后是冻土融化驱动野火规模扩张的关键时间节点，由闪电引燃的自然野火是北极—北方冻土区野火总规模上升的主要贡献类型。目前北极—北方地区已形成显著的冻土-野火正反馈机制：即冻土融化会提升野火发生概率，而野火发生后又会反过来进一步加速冻土融化过程。在北极放大效应的驱动下，北半球高纬度地区正处于快速增暖阶段，该正反馈效应将对北极乃至全球的气候系统与生态环境产生深远影响。
图3. (a) 泛北极主要冻土区年平均融化深度（m）的时间序列。(b) 2000–2010年相对于1990–2022年融化深度增加百分比的空间分布。(c和d) 阿拉斯加和加拿大北部68个ISMN观测站点（蓝色实线）与北欧国家39个ISMN观测站点（绿色实线）平均土壤湿度（m³ m⁻³）的对比。阴影区域表示一个标准差的范围。(e–g) 以自然野火（红色实现）和人为火（绿色实现）为主的冻土区表层（e）和根区（f）土壤湿度以及陆地水储量（TWS；g）平均值的对比。
“区域极端气候数智融合预测”创新团队系依托云南大学统计学与大气科学的交叉学科优势组建，承担教育部基础学科与交叉学科突破计划“生态安全的智慧决策”学科突破先导项目。该论文第一作者为云南大学蔡磊副教授，西南大学地理科学学院时伟宇教授为共同第一作者；合作单位包括清华大学、中国科学院大气物理研究所、明尼苏达大学、哥伦比亚大学以及国际北极研究中心等机构。本研究得到教育部基础学科和交叉学科突破计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag515
来源：地球科学学院
