厄尔尼诺/拉尼娜事件对中国火险天气和森林火灾的影响

张晓玉，田晓瑞

（中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，国家林业局森林保护学重点开放性实验室，北京 100091）

1 引言

厄尔尼诺（El Niño）现象指在海洋和大气相互作用失去平衡后，赤道东太平洋海水表面温度异常升高，海面温度（SST）正距平（即海面温度与其气候标准值的差值为正数）至少持续3个季，且至少1个季以上距平值超过0.5℃[1]。在赤道中、东太平洋表层地区，海水大规模持续（半年以上）异常偏冷的现象为反厄尔尼诺（anti-El Niño）或拉尼娜（La Niña）现象。在热带东南亚与热带西太平洋到印度洋地区，大气中海平面气压场存在着一种“跷跷板”式的反相关变化的现象称为南方涛动（Southern Oscillation），是中赤道太平洋海平面大气压力的周期性变化。大气和海洋中的这两种现象存在着内在联系，实质上是同一现象在两种不同介质中的反应，并把厄尔尼诺（或拉尼娜）和南方涛动现象合称为“恩索”（ENSO）。厄尔尼诺就是ENSO循环的暖事件，拉尼娜则是指ENSO循环的冷事件。

ENSO事件分为东部型和中部型，其依据为从发生到盛期时最大海温正距平所在的不同位置。从发生到盛期时最大海温距平中心位于东太平洋（160°W～100°E，10°N～10°S）被称为东部型，其产生机制与赤道太平洋变温层的变异有关；从发生到盛期时最大海温距平中心位于中太平洋（160°E～120°W，10°N～10°S）则称为中部型，其产生机制对变温层变异不敏感[2]。根据ENSO 的周期、振幅、发生时间、相关区域海温资料等指标对ENSO 事件进行分类，按照持续时间分为持续2 a以上和持续2 a以下的[3]；按发生季节分为明显增温开始于1-6 月和7-12 月两类[4]；以正SSTA（Sea Surface Temperature Anomaly）（海面温度与其气候标准值的差）首先出现的区域及其传播特征分为西部型、驻波型和东部型[5]；根据厄尔尼诺事件发展达到盛期时海温距平的分布特点分为东部型、中部型和混合型[6]。依据厄尔尼诺/拉尼娜事件的定义，1950—2016年共发生厄尔尼诺事件19次，其中弱、中等、强和超强事件分别为8 次（1951.08-1952.01；1963.07-1964.01；1968.10-1970.02；1976.09 - 1977.02；1977.09 - 1978.02；1979.09 - 1980.01；2004.07 - 2005.01；2006.08 -2007.01）、7 次（1957.04 - 1958.07；1965.05 -1966.05；1986.08 - 1988.02；1991.05 - 1992.06；1994.09 - 1995.03；2002.05 - 2003.03；2009.06 -2010.04）、1 次（1972.05-1973.03）和3 次（1982.04-1983.06；1997.04-1998.04；2014.10-2016.04）；拉尼娜14 次，其中弱、中等和强事件分别为5 次（1964.05-1965.01；1984.10-1985.06；1995.09-1996.03；2000.10-2001.02；2011.08-2012.03）、8 次（1950.01-1951.02；1954.07-1956.04；1970.07-1972.01；1973.06 - 1974.06；1975.04 - 1976.04；1998.07 - 2000.06；2007.08 - 2008.05；2010.06 -2011.05）和1次（1988.05-1989.05）。

一般来说，当发生厄尔尼诺事件时，会给全球各地区带来不同的影响：印度尼西亚、澳大利亚、南亚的印度、非洲的东南部以及巴西的东北部易发生干旱，北美洲和南美洲西海岸降雨增多[7]；在中、高纬度地区，如日本东部、朝鲜，冬季容易出现暖冬[8]。Dai等用经验正交函数分析表明厄尔尼诺与降水和地表温度的年际变化具近似一阶的线性变化趋势，自20 世纪80 年代初由于ENSO 引起的降水减少以及全球变暖，使得全球非常潮湿的地区（PDSI=13.0 并且PDSI＞4.00 为极端湿润，其中PDSI 为帕尔默干旱指数）的面积略有下降[9]。Guadalupe等通过采用多元ENSO指数（MEI（Multivariate ENSO Index）），研究2000-2001 年平均MEI 值与火灾发生的关系，发现安第斯山脉地区ENSO的强度与燃烧面积呈正相关[10]。Moy等研究表明，ENSO事件频率的增加会导致夏季干旱增加和频繁的火险天气，导致厄瓜多尔南部地区火行为的增加[11]。婆罗洲每年都有火灾活动，厄尔尼诺引起的干旱扩大了火活动的范围和程度。Sloan 等使用全球区域覆盖数据（GCA）和月火灾频率模型发现，婆罗洲极端火灾事件常伴随厄尔尼诺事件发生，频繁的厄尔尼诺[12]和西太平洋地区降水的下降[13]，加剧了季节性干旱，导致印度尼西亚极端火险天数增加三倍[14]。

Kitzberger 根据北美西部树木火疤重建的野火年表、海面温度距平（SST）和太平洋十年振动（PDO）研究多世纪气候模式与火的同步性，发现ENSO和PDO是火烧高频变化的主要驱动因子[15]。在南美洲南部，Holz 等通过子波相干模式发现高频率火灾活动与ENSO 有很强的关联性[16]。根据奇异谱分析（SSA）和演化光谱相干分析（SCA）方法，Kitzberge 发现重大火灾发生在厄尔尼诺与拉尼娜过渡期[17]。厄尔尼诺事件导致西南太平洋地区水汽异常，并与澳大利亚东部地区的干旱和灾难性野火有关[18-19]。在巴西亚马逊地区厄尔尼诺引起的森林火灾面积是正常年份的13倍[20]。王明玉等通过对黑龙江省1980-1999 年森林火灾数据、NINO3.4 指数和SOI 指数进行谱分析，发现厄尔尼诺年火灾面积、次数会异常增高[21]。田晓瑞等定性描述了厄尔尼诺引起的暖冬和干旱会导致我国春季火灾严重[22]。万里鹏等研究表明拉尼娜出现后，春季（4-6 月）的火险趋势偏低的概率大，偏高的概率很小[23]。

张艳平发现厄尔尼诺现象对森林火灾年际活动的影响是显著的，厄尔尼诺年及次年森林火灾过火面积有显著增加趋势[24]。例如，1970年，美国加利福尼亚州森林火灾发生在厄尔尼诺期间，过火面积2000万hm2。1983年，中等强度厄尔尼诺导致的异常气候，使印度尼西亚东加里曼丹发生特大森林火灾，过火面积360万hm2。1987年，我国大兴安岭的特大森林火灾发生在厄尔尼诺事件期间，过火面积133万hm2。1994年，中等强度等级的厄尔尼诺事件导致澳大利亚新南威尔士州发生干旱并发生特大森林火灾，过火面积100 万hm2。1997-1998年的厄尔尼诺事件是20 世纪遭遇的最极端的天气事件，使印度尼西亚经历了严重的干旱，导致了大规模的森林火灾，过火面积456多万hm2[25]，澳大利亚也发生特大森林火灾，过火面积150 万hm2。美国西南部的森林火灾异常也常与ENSO 事件有关[26]。2003年，厄尔尼诺事件期间，美国加利福尼亚州南部发生特大森林火灾，过火面积30万hm2。Samir通过对1979-2009年热带太平洋海温对降水影响的研究，发现SST与哥伦比亚降水之间呈现很大的耦合强度，厄尔尼诺期间哥伦比亚的北部，中部和西部降水显著减少[27]。2016年为超强厄尔尼诺年，加拿大麦克默里堡发生森林火灾，过火面积58.2万hm2。墨西哥大多数森林火灾是由ENSO事件引起的天气条件异常而引起的[28]。总的来说，厄尔尼诺是引起全球森林大火的主要原因之一。

2 厄尔尼诺/拉尼娜对我国森林火险天气的影响

影响森林火险的气象因子包括温度、降水、相对湿度和风速等。这些因子对林火发生和蔓延有重要影响。厄尔尼诺/拉尼娜对温度和降水等气象条件产生影响，影响可燃物干燥度，尤其是对死可燃物有直接影响，从而间接影响我国森林火灾的发生。从全球范围来看，在厄尔尼诺年份，全球气温偏高，陆地平均年降水量减少，导致气候干燥；拉尼娜年份则全球气温偏低，陆地平均年降水量增加[29]。ENSO 作为热带海洋和大气异常现象以及气候变率的强烈信号，对中国气候有重要影响。目前的研究主要集中在不同尺度上厄尔尼诺和拉尼娜对气温和降水的影响。

2.1 厄尔尼诺/拉尼娜对气温的影响

在厄尔尼诺年份，中国大部分地区冬春季气温偏高，夏秋季气温偏低；拉尼娜年份，则情况相反。自20 世纪90 年代以来，随着全球变暖，厄尔尼诺现象变得极为频繁。1960-2010年共发生16起厄尔尼诺事件，强度显著增加。厄尔尼诺事件发生后，我国常常出现暖冬气候[30]。由于我国的气候变化受诸多因素影响，厄尔尼诺对我国气溫的影响具有明显的差异性。

中国的气温变化与全球总趋势是一致的。20世纪我国气温上升了0.4～0.5 ℃，略低于全球平均的0.6 ℃，呈现出明显变暖的趋势[31-32]。1950-2008 年，东北地区的气温呈升高趋势，增温幅度0.6 ℃/10 a[33]，厄尔尼诺当年及次年，东北地区夏季通常出现高温，而拉尼娜次年气温偏低[34]。

厄尔尼诺现象与我国南方地区温度变化的相关性较显著。我国南方地区在厄尔尼诺年份出现明显的暖异常，温度偏暖超过1 ℃；在拉尼娜年份，温度最大偏低1 ℃[35]。ENSO 对华北地区温度异常也存在影响，华北地区在厄尔尼诺年份温度呈现负异常，强度在-0.7 ℃以上[36]，影响区域主要是集中在安徽、河南一带。对于黄淮地区，厄尔尼诺年份的冬季气温以偏暖为主，偏冷情况较少；拉尼娜年份的冬季气温以冷冬和正常为主，暖冬发生频率较小[37]。

2.2 厄尔尼诺/拉尼娜对降水的影响

ENSO 对我国夏季降水的影响具有明显的区域差异，东部地区相关性显著。1960-2016年，东亚季风趋于减弱，降水呈现出南多北少趋势[38]。在厄尔尼诺年份，我国降水以偏少为主，从次年冬季开始以多雨为主[39]。厄尔尼诺年份春季和夏季，我国东部地区和华北地区降水偏少，夏季南方地区降水偏多；秋季到次年夏季，南方地区降水增多，长江中段冬季降水偏少[40]。2015 年是历史上最强的厄尔尼诺年份。受厄尔尼诺的影响，长江流域及其以南地区降水偏多20%～100%，而华北至东北地区降水明显偏少20%～50%，夏季降水总体呈现“北少南多”的分布型[41]，特别是河套地区、内蒙古中部和环渤海湾地区降水明显减少超过20%，而山东，河南，河北夏季干旱严重[42]。

ENSO 事件对华北地区的影响尤为显著。在厄尔尼诺年份，我国华北地区夏季降水，普遍较正常年份偏少30 mm 以上[43]；在拉尼娜年份，降水量有增加趋势。长江流域及长江以南地区厄尔尼诺年降水偏少，常常发生干旱，次年夏季长江流域和江南北部地区降水偏多,而江淮流域降水偏少；拉尼娜年份则情况相反[44-45]。由于厄尔尼诺事件的影响，1965-1998 年东北地区降水年均减少0.27 mm，已成为我国干旱化显著的地区之一[46]。

2.3 厄尔尼诺/拉尼娜对干湿变化的影响

ENSO 事件引起的异常降水会导致气候干湿变率发生变化[47-48]，当发生超强厄尔尼诺事件时，其对中国气候干湿变率的影响可能扩大为年代尺度。在厄尔尼诺年份，中国大部分地区偏干，特别是华北地区偏干，长江以南和西北地区偏湿，而长江中下游地区处于干湿过渡带，干湿变化不明显；拉尼娜年份则情况相反[49]。我国春夏季降水对ENSO 的响应特征与ENSO 事件盛期前后两年的我国各地干湿状况响应特征基本一致。1980-2010年间，中国气候干湿的年代际变化与ENSO事件的状态变化及全球变暖密切相关[49]。

3 厄尔尼诺/拉尼娜对我国森林火险和火灾的影响

气候是影响林火动态的重要因子，气象条件是引发森林火灾的决定性因素。天气干燥是引发森林火灾的关键因素，温度和降水改变可燃物的物理性质，影响火天气。厄尔尼诺事件引起的气候变化会导致林火发生频度、过火面积、火间隔期等林火参数发生变化。ENSO当年及次年，黑龙江省森林火灾面积常常增加。20世纪90 年代以来，由于全球温度明显增加，“厄尔尼诺”和“拉尼娜”事件引起的气候异常，加重了中高纬度地区森林火灾。我国不同地区气候条件差异较大。因此，有必要基于区域尺度研究厄尔尼诺/拉尼娜事件对火险期东北（4-6 月与9-10月）、华北（11-5月）、西南（11-5月）和南方林区（12-5月）森林火险和火灾的影响。

3.1 厄尔尼诺/拉尼娜对东北林区的影响

ENSO 事件与森林火灾面积和次数的相关性显著，而拉尼娜对森林火灾的影响较厄尔尼诺的影响要小[50]。在厄尔尼诺年份，火灾面积和火灾次数会异常增高；在拉尼娜年份，火灾面积和火灾次数与SOI（南方涛动）指数变化趋势大体一致，SOI与火灾次数和火灾面积呈正相关，即SOI指数升高（降低），火灾面积和火灾次数随之增加（减少）[51]。厄尔尼诺事件引起的极端干旱，导致极端火险天气，易发生森林大火。根据1950-2016 年我国东北林区森林大火与厄尔尼诺/拉尼娜事件的统计（表1），84%以上的特大森林火灾发生在厄尔尼诺期间，19 起特大森林火灾（过火面积＞1000 hm2）中只有3起发生在拉尼娜事件期间。从火灾统计数据来看，我国特大森林火灾都发生在东北内蒙古林区，多起过火面积超过20 万hm2的森林火灾与厄尔尼诺现象有关，如1987年大兴安岭特大森林火灾。1986-1987 年为厄尔尼诺年份，1986年冬季中国北方气温偏高2 ℃以上，1987年春季降水较少，可燃物干燥，导致森林大火的发生，火强度高难以控制。2002 年厄尔尼诺事件导致大兴安岭林区持续高温干旱，降水总量较历年同期减少80%以上，气温偏高2 ℃左右，可燃物干燥，发生了建国以来最严重的夏季森林火灾，过火面积1.38万hm2。在厄尔尼诺年份，出现重大森林火灾的可能性大。

表1 1950-2016年东北林区森林大火与厄尔尼诺/拉尼娜事件

3.2 厄尔尼诺/拉尼娜对西南林区的影响

西南林区是我国受森林火灾危害严重的主要区域之一（表2）。森林火灾集中分布在云南东部和西北部、贵州东南部和广西大部分地区[52]。西南地区在厄尔尼诺年份和拉尼娜年份中都会出现干旱，但厄尔尼诺年份爆发旱灾的概率比拉尼娜年份高。四川盆地和若尔盖高原在厄尔尼诺年份易发生干旱，拉尼娜年份明显偏少[53]。2010 年中等强度厄尔尼诺事件引起的干旱，导致四川省雅江发生重大森林火灾，过火面积1154.3 hm2。云贵高原、横断山地及广西丘陵在厄尔尼诺年份也易发生干旱。

表2 1950-2016年西南林区森林大火与厄尔尼诺/拉尼娜事件

3.3 厄尔尼诺/拉尼娜对南方林区的影响

在厄尔尼诺年份和拉尼娜次年份，南方林区的降水整体上以偏少为主，春季和夏季受到的影响最大。春季是火险期，该区域重大森林火灾都发生在春季。2003 年受拉尼娜事件的影响，南方林区降水较少，森林火灾显著增加。浙江、福建、江西、湖南、广东、广西等6 省（区）发生森林火灾5000 多起，占全国森林火灾次数的一半。1999 年，广东发生重大森林火灾，过火面积1105.17 hm2。2007 年，受中等强度拉尼娜事件的影响，湖南连续干旱少雨，火灾发生前连续未降雨长达9 天，连续7 日高火险天气，风速大，湿度低，可燃物干燥，发生重大森林火灾，过火面积311.5 hm2（表3）。

表3 1950-2016年南方林区森林大火与厄尔尼诺/拉尼娜事件

3.4 厄尔尼诺/拉尼娜对华北林区的影响

华北林区在厄尔尼诺年易发生干旱，在拉尼娜年易发生洪涝[54]。1950 年以来，华北林区出现暖干化趋势。厄尔尼诺引起的高温和干旱天气导致华北林区春季的火灾严重[55]。2014 年，受超强厄尔尼诺影响，华北地区春冬连旱，多处发生森林火灾；如山东威海发生森林火灾，过火面积约47 hm2。2016 年，超强厄尔尼诺事件导致山东省高温干旱，降水减少79%，温度偏高1.9 ℃。山东沂山林场发生森林火灾，过火面积约41 hm2（表4）。

表4 1950-2016年我国华北林区森林大火与厄尔尼诺/拉尼娜事件

4 结论与展望

厄尔尼诺/拉尼娜事件对全球的气候有显著影响，也导致热带和亚热带一些区域的森林火灾显著增加。ENSO 通过大气环流的变化影响我国的气候，对我国东北、西南、华北和南方林区的影响显著。

不同阶段的ENSO 事件对于我国的气候和火险气象因子的影响有所差异。厄尔尼诺次年东北地区夏季通常出现高温，降水减少，拉尼娜次年气温偏低，降水增多，厄尔尼诺当年及次年该地区森林火灾明显增加。西南地区在厄尔尼诺年份和拉尼娜年份都会出现干旱，火险高于常年。长江以南地区在厄尔尼诺年份偏湿，而拉尼娜年份则情况相反。南方林区在厄尔尼诺年份森林火灾减少，而在拉尼娜年份森林火灾增加。华北地区在厄尔尼诺年份易发生干旱春季火灾比常年严重。

过去对ENSO 和林火的研究主要是基于统计数据和相关性分析等简单的数理统计方法开展的研究。今后将着重把数理统计方法和GIS技术相结合，分析厄尔尼诺/拉尼娜事件与林火的空间关系。我国大部分研究是区域尺度上的研究，随着全球观测数据的丰富，国家尺度或全球尺度上的研究将逐渐增多。林火动态的变化不仅受ENSO事件的影响，也会受到PDO（太平洋十年振动）指数、北极震荡指数（AO）和南极震荡指数（AAO）等指数变化的影响，在全球尺度上综合分析影响气候和植被变化的各种因素，将提高对极端气候事件影响预测的准确性。