2001～2016 年泛北极地区过火面积的时空变化特征

赵芝艺 林中达 李芳

1 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029

2 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049

3 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心，北京 100029

1 引言

全球两大火灾带分别位于热带稀树草原区和泛北极（北纬50°N 以北）森林区（Bowman et al.,2009, 2014, 2020）。与热带相比，泛北极森林区具有高碳储量、过火恢复慢的特征（Carvalhais et al.,2014）。泛北极森林区占世界森林生态系统碳储量的50%以上（McGuire et al., 2009; Deluca and Boisvenue, 2012），火灾引起的碳排放可显著影响区域和全球的碳循环（van der Werf et al., 2017;Veraverbeke et al., 2021）。同时，火灾排放的温室气体和气溶胶会向北传输，在北极地区累积，影响区域气候变化（Jiang et al., 2020; Li, 2020）。另外，泛北极火灾会影响过火区植被的演替（Beck et al.,2011; Alexander and Mack, 2016; Mekonnen et al.,2019），进而影响区域气候（Rogers et al., 2013,2015）。除此之外，泛北极火灾的发生还影响全球能量收支和水循环（Liu et al., 2005; Amiro et al.,2006; Jiang et al., 2016; Li and Lawrence, 2017; Potter et al., 2020; Li et al., 2022）。随着大气中CO2的持续上升，泛北极地区比其他地区增暖速度更快（IPCC, 2007; Serreze and Barry, 2011）；在未来全球继续增暖情景下，泛北极地区可能发生更多的野火事件，带来的影响可能会进一步加剧（田晓瑞等, 2006; Flannigan et al., 2009; Spracklen et al.,2009; Rogers et al., 2013; Veira et al., 2016; Young et al., 2017）。因此，加深对泛北极火灾特征变化的认识十分重要。

目前对泛北极火灾的时空特征的认识已获得一些进展。在泛北极欧亚大陆地区，火灾主要发生在西伯利亚，分布范围从西部的乌拉尔山脉到东部太平洋海岸；特别是其东南部，茂盛的森林以及泥炭地为频发的燃烧活动提供了条件（Soja et al., 2004;Kim et al., 2020）。从季节变化来看，泛北极火灾通常发生在春夏季节。薛乃婷等（2020）发现北极地区（66°34′N 以北陆地）活跃火一般集中在6～8 月发生。在泛北极北美地区的森林火灾由南向北推进，一般从5 月开始，6 月下旬达到高峰（Skinner et al., 2002, 2006; Stocks et al., 2002;Fauria and Johnson, 2008）。而西伯利亚火灾从3月下旬开始，东南部火灾在春季达到高峰，4、5月的过火面积总量是全年总量的62%（Zhang et al.,2003; Kim et al., 2020）；此后，火灾发生范围从40°N 向北扩张，7 月中旬到达60°N 以北地区（Soja et al., 2004）。

在过去几十年里，泛北极地区火灾的变化趋势在空间分布上存在较大差异。北美大部分地区过火面积增大，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减小（York et al., 2020）。西伯利亚中部和东北地区火灾增加（Ponomarev et al., 2016; Kirillina et al.,2020; York et al., 2020; McCarty et al., 2021; Talucci et al., 2022）。而在位于北欧的瑞典，森林火灾自19 世纪末以来一直在减小，这和林火管理政策有关（Granström and Niklasson, 2008; Drobyshev et al.,2012, 2016）。

另外，在泛北极地区近年来也发生过一些极端大火，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 年西伯利亚大火等（Veraverbeke et al., 2017;Walsh et al., 2020）。根据预估结果，在未来更加温暖和干燥的背景下，极端火灾的频率、大小和数量预计增多，火灾季节长度延长（Flannigan et al.,2009; Spracklen et al., 2009; Veira et al., 2016）。因此，未来泛北极地区的极端大火可能会更加频繁，其造成的影响将更为严重。

但目前关于泛北极火灾的时空变化研究仍然存在不足。首先，以往研究大多着眼于泛北极地区子区域的火灾变化，例如阿拉斯加、加拿大、西伯利亚（Skinner et al., 2002, 2006; Stocks et al., 2002;Zhang et al., 2003; Soja et al., 2004; Granström 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），或者个别年份的极端大火事件（2014 年加拿大西北地区的大火以及2015 年的阿拉斯加大火）（Veraverbeke et al., 2017），缺乏对于泛北极地区火灾时空变化特征的全面认识。其次，由于关注对象不同，大多数研究采用了当地的火灾数据库，比如加拿大大火数据库（LFDB）（Skinner et al., 2002, 2006; Stocks et al.,2002; Balshi et al., 2009; Flannigan et al., 2009）、加拿大国家火灾数据库（NFDB）（Hanes et al.,2019）、阿拉斯加火灾排放数据库（AKFED）（Veraverbeke et al., 2017）、苏卡乔夫森林野火研究所数据库（Ponomarev et al., 2016; Kirillina et al.,2020）和瑞典火灾数据（Drobyshev et al., 2012）；少部分研究采用了基于卫星遥感反演的全球火产品数据（薛乃婷等, 2020; Kim et al., 2020; Veraverbeke et al., 2021）。由于不同数据的时间段和空间分辨率不同，对于泛北极火灾的认识可能存在差异。此外，以往研究大多关注森林燃烧（李全斌, 1992; 胡海清等, 2006; 丁青和冯险峰, 2013），泛北极地区其他陆表类型过火面积的时空变化特征尚不清楚。

针对以上问题，本研究采用卫星反演的3 套过火面积全球格点数据，分析2001～2016 年泛北极地区过火面积的时空变化特征，包括空间分布、趋势变化、年际变化、极端火高值年和季节变化；在此基础上，进一步揭示了不同陆表类型燃烧的时空变化特征。我们的研究结果有助于深入了解泛北极地区过火面积的时空特征，为该地区的火灾活动预测及管理提供基础。

2 数据和方法

2.1 研究区域

本文研究区域为泛北极地区，或称为北半球高纬度地区，通常是指50°N 以北的陆地区域（McCarty et al., 2021）。由于燃烧活动与植被及其生存环境密不可分，我们研究的区域范围如图1 填色区域所示，采用了Ecoregions2017 方案的生态区划分（Dinerstein et al., 2017），该区域主要为北方森林/苔原生态区。为了更细致地探究泛北极地区过火面积的时空变化特征，我们将从整体以及子区域的角度出发，其中子区域按照地理分布分为泛北极北美地区、泛北极欧洲地区和泛北极亚洲地区。泛北极欧洲地区和泛北极亚洲地区以60°E 为界；60°E 是乌拉尔山所在的大致经度位置，乌拉尔山以西为欧洲地区，以东为亚洲地区。

2.2 过火面积数据

本研究使用了3 套月过火面积数据，分别为：（1）全球火排放数据库（Global Fire Emissions Database）第四代（含小火）过火面积产品（GFED4.1s）（https://www.geo.vu.nl/～gwerf/GFED/GFED4/[2021-08-30]）（Randerson et al., 2012; van der Werf et al.,2017）；（2）中分辨率成像光谱仪第六代（Collection 6 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）过火面积产品（MODIS C6）（https://modis-fire.umd.edu/ba.html; sftp://fuoco.geog.umd.edu[2021-08-30]）（Giglio et al., 2018）；（3）欧洲空间局火灾—气候变化倡议5.1 版本（European Space Agency Fire Climate Change Initiative version 5.1）过火面积产品（FireCCI51）（https://climate.esa.int/en/projects/fire/data/[2021-08-30]）（Chuvieco et al., 2018）。其中GFED4.1s 数据提供的变量为过火面积百分比，而MODIS C6 和FireCCI51 提供的变量为过火面积；两者可以通过格点过火面积除以格点面积得到过火面积百分比进行换算。3 套数据的空间分辨率为0.25°。为了便于对比分析，探究3 套数据过火面积的共同特征，在本文中我们研究的时间为其共有时段，即2001～2016 年。

GFED4.1s 产品中2000 年8 月以来的过火面积数据来自MODIS C5.1 MCD64A1 过火面积产品，并添加了基于Randerson et al.（2012）修正算法后的小火估计，然后将过火面积数据与可见光和红外扫描仪（VIRS）、沿轨扫描辐射计（ATSR）监测到的火点结合，将时间序列扩展到1997 年（Giglio et al., 2013）。MODIS C6 过火面积数据由Terra 和Aqua 卫星传感器的500 m 日表面反射率、MOD14A1和MYD14A1 1 km 日火点观测产品和MCD12Q1 500 m 年土地覆盖产品制成。与MODIS C5.1 MCD64A1过火面积产品相比，MODIS C6 产品对小火检测更显著、燃烧日期不确定性略有降低、未映射区域的范围也大大减少（Giglio et al., 2018）。FireCCI51过火面积产品基于MODIS C6 250 m 日表面反射率和MCD14ML 1 km 日火点产品，过火面积算法采用了两阶段的混合方法，即首先根据火点检测出具有高概率被烧毁的像素，然后应用上下阶段的增长检测出火区（Chuvieco et al., 2018）。

由于MODIS C6 和FireCCI51 目前尚未提供相应的陆表燃烧类型产品，本研究仅采用GFED4.1s提供的陆表燃烧类型产品①陈阳, 通讯交流, 2020 年。（Randerson et al., 2012）分析不同陆表类型过火面积的时空变化特征。为了简化分析，我们参考前人工作（Randerson et al., 2012;Giglio et al., 2013），将除水体以外的16 种陆表类型分为6 类：森林（包括常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林），灌木（包括郁闭灌木丛和开放灌木丛），稀树草原（包括多树草原和稀树草原），草地，农田（农田和农田/自然植被的镶嵌体）和其他（永久湿地、城市和建筑区、雪和冰、裸地或低植被覆盖地）。

2.3 方法

本文聚焦于泛北极地区过火面积的时空变化特征，故全文从空间分布和时间变化两个方面进行探究。在本文中，不同数据之间的标准偏差代表不确定性。由于本文所采用数据的时间仅16 年（2001～2016 年），因此，我们将时间变化简单分为趋势和年际变化两部分，其中年际变化部分为原始时间序列减去趋势的剩余部分。我们也计算了剩余部分的功率谱，发现其显著信号为2～6 年的年际变化，而年代际信号很弱（图略），这说明本文中通过去趋势得到年际变化分量的方法是合理的。趋势的计算采用了Theil-Sen 估算（Theil, 1950; Sen, 1968），趋势的显著性检验采用了Mann-Kendall 非参数检验（Mann, 1945; Kendall, 1955）。本文采用标准差表征年际变化强度。区域过火面积为指定区域内过火面积的总和，也可以通过指定区域内过火面积百分比乘以格点面积权重得到格点过火面积，再求和得到。另外，在判断3 套过火面积产品的相关程度时，采用了描述两个随机变量之间相关程度的皮尔森相关系数（Wilks, 2019）。

3 结果分析

3.1 泛北极地区过火面积的空间分布

多年平均的年过火面积空间分布显示泛北极地区的燃烧大值中心位于阿拉斯加、加拿大中部、西伯利亚南部和中东部，其年过火面积百分比最大值在1.5%以上（图1）。并且，3 套数据产品（GFED4.1s、MODIS C6 和FireCCI51）空间分布基本一致，不同产品之间的空间相关系数为0.86～0.95，均通过0.001 的显著性水平检验。全球平均而言，2001～2016 年泛北极地区每年过火面积为7.47±0.72 Mha/a，其中泛北极北美地区为2.31±0.20 Mha/a，泛北极欧洲地区为0.13±0.01 Mha/a，泛北极亚洲地区为5.03±0.81 Mha/a。

3.2 泛北极地区过火面积的时间变化

3.2.1 季节变化

泛北极地区火灾主要发生在春季和夏季。图2展示了GFED4.1s 产品1～12 月过火面积百分比气候态的空间分布。MODIS C6 和FireCCI51 产品的空间分布结果与GFED4.1s 产品基本一致，故此处图略。冬季的11～2 月，泛北极地区过火面积百分比基本为0，很少有燃烧活动发生（图2k-2l，图2a-2b）。火灾从3 月开始发生，首先发生在西伯利亚南部（图2c）；4～5 月，火灾向北发展（图2d-2e）。进入6 月后，火灾活动覆盖了泛北极地区的大部分区域，包括阿拉斯加、加拿大中部以及西伯利亚南部（图2f）。7 月，火灾达到最盛，覆盖了几乎整个泛北极地区（图2g）。8 月，整个泛北极地区依然有广泛的火灾，但过火面积百分比稍有减小（图2h）。进入秋季后，9 月火灾覆盖区域迅速减小并南撤，直至10 月，几乎很少有火发生（图2i-2j）。

图2 2001～2016 年气候平均GFED4.1s 数据逐月的过火面积百分比空间分布Fig. 2 Spatial distribution of climatological monthly burned area fraction during 2001-2016 based on the GFED4.1s fire products

为了更清楚地展现过火面积的季节变化特征，一方面，我们给出了泛北极地区过火面积最大值对应月份的空间分布（图3a-3c）。结果显示，泛北极地区的火灾基本发生在夏季，即6～8 月。另外，在泛北极地区南部的部分区域，火灾主要发生在春季，即3～5 月。另一方面，泛北极地区的过火面积季节变化时间序列（图3d）显示该地区过火面积季节变化有两个峰值，其中一个在春季，另一个则在夏季的7 月。对于各子区域而言，结果稍有不同。在泛北极北美地区，过火面积变化只有夏季一个峰值，该地区春季火灾较少（图3e）。在泛北极欧洲、亚洲地区，火灾明显发生在春、夏两个季节。值得注意的是，泛北极欧洲地区春季、夏季过火面积的量级几乎一致（图3f），而在泛北极亚洲地区，夏季的过火面积大于春季的过火面积（图3g）。

图3 2001～2016 年（a）GFED4.1s、（b）MODIS C6 和（c）FireCCI51 数据月过火面积最大值对应月份的空间分布；2001～2016 年气候平均GFED4.1s、MODIS C6 和FireCCI51 数据（d）泛北极地区、（e）泛北极北美地区、（f）泛北极欧洲地区和（g）泛北极亚洲地区区域月过火面积年循环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 年际变化与极端高值年

泛北极地区过火面积具有强的年际变化。图4是去趋势后的年过火面积百分比标准差的空间分布。在泛北极多年平均燃烧高值区的阿拉斯加、加拿大中部、西伯利亚南部和中东部，年过火面积百分比的年际变化标准差大于1.5%，接近甚至超过多年平均燃烧面积（图1）。

图4 2001～2016 年（a）GFED4.1s、（b）MODIS C6 和（c）FireCCI51 数据去趋势后的年过火面积百分比年际变化（用标准偏差量化）空间分布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

我们进一步分析了泛北极地区以及3 个子区域平均年过火面积的时间变化（图5），其标准偏差分别为2.9±0.5 Mha/a（泛北极地区）、1.3±0.1 Mha/a（泛北极北美地区）、0.13±0.02 Mha/a（泛北极欧洲地区）和3.0±0.5 Mha/a（泛北极亚洲地区）。我们还注意到不同年份过火面积差别明显，极端年份，例如2003 年，泛北极地区年平均的过火面积大于12 Mha/a，超过多年平均的1.6 个标准偏差，是火灾偏少年份（2001 年和2004 年，约为4 Mha/a）的3 倍；这些极端年份的过火面积主要来自泛北极亚洲和北美地区的贡献。此外，在2002 年、2004 年、2013 年、2014、2015 年，北美地区也发生过极端大火，年平均过火面积3～4 Mha/a。泛北极欧洲地区虽然年平均过火面积较小，但在2006 年、2010 年过火面积也出现极大值（＞0.3 Mha/a），是多年平均（0.13 Mha/a）的2～3 倍。

图5 2001～2016 年GFED4.1s、MODIS C6 和FireCCI51 数据（a）泛北极地区、（b）泛北极北美地区、（c）泛北极欧洲地区和（d）泛北极亚洲地区区域年过火面积时间变化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 趋势变化

泛北极地区过火面积整体呈逐年增大趋势（图6），在2001～2016 年区域总年过火面积的趋势为0.07～0.165 Mha/a，但该趋势在统计上不显著（表1）。增大的趋势主要来自于泛北极亚洲地区（0.126～0.143 Mha/a），其次是泛北极北美地区（0.001～0.024 Mha/a）。而泛北极欧洲地区的过火面积呈现出减小趋势，减小的幅度为0.003～0.005 Mha/a。从空间分布来看，泛北极亚洲地区过火面积增大趋势主要发生在西伯利亚中部地区，而泛北极北美地区增大趋势主要出现在加拿大中部，通过0.1 的显著性水平检验。不同数据产品得到的空间分布基本一致，但幅度上存在差异（图6 和表1）。与北美和亚洲地区不同，泛北极欧洲地区的过火面积呈减小趋势，尤其在南部区域减小趋势更为明显（图6）；过火面积减小区域的面积占泛北极欧洲地区总过火面积的61%～70%。

表1 2001～2016 年泛北极区域年过火面积的变化趋势Table 1 Trend of annual burned area across the Arctic-boreal zone during 2001-2016

图6 2001～2016 年（a）GFED4.1s、（b）MODIS C6 和（c）FireCCI51 数据年过火面积百分比变化趋势空间分布。图中打点表示通过0.1显著性水平检验的区域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

过火面积的趋势在不同月份不同。泛北极地区2001～2016 年期间春季、夏季过火面积增大，秋季过火面积减小（图7a）；3 套数据产品得到的结论基本一致。泛北极地区春季过火面积增大主要发生在5 月，夏季过火面积增大主要发生在6～7 月，增大趋势来自泛北极北美和亚洲地区过火面积增大的贡献（图7b，图7d）；秋季过火面积的减小主要发生在9 月，3 个子区域的过火面积皆在减小。另外，在泛北极欧洲地区，过火面积在春、夏、秋季均呈现减小趋势（图7c）。由于在泛北极地区燃烧主要发生在春、夏两季，因此春夏季节泛北极北美和亚洲地区过火面积增大导致这两个区域年总的过火面积呈现增大趋势，而在欧洲地区，春、夏、秋3 个季节过火面积的减小导致该地区年过火面积减小，这些结论和前述年过火面积趋势分析结果一致。

图7 2001～2016 年GFED4.1s、MODIS C6 和FireCCI51 数据（a）泛北极地区、（b）泛北极北美地区、（c）泛北极欧洲地区和（d）泛北极亚洲地区逐月的区域过火面积变化趋势。带星号的柱状代表趋势通过0.1 显著性水平检验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 不同陆表类型的过火面积时空变化特征

3.3.1 空间分布

泛北极地区不同陆表类型的燃烧分布具有较大的空间差异。图8 给出GFED4.1s 产品2001～2016 年平均的不同陆表类型过火面积百分比的空间分布。由于MODIS C6 和FireCCI51 尚未提供不同陆表燃烧类型数据，本节中所有分析均是基于GFED4.1s 产品得到。森林燃烧是泛北极地区陆表燃烧的最主要类型，森林过火面积占总过火面积的38.9%（图8a）。森林燃烧主要分布于泛北极地区的南部和中部区域（50°N～60°N），最大值出现在加拿大中部以及西伯利亚南部。其余陆表类型的过火面积大小依次是稀树草原燃烧（24.9%）、灌木燃烧（19.5%）、农田燃烧（8.8%）、草地燃烧（6.6%）。其中，稀树草原燃烧主要分布在泛北极北美地区中部区域（55°N～65°N）以及泛北极亚洲地区的大部分区域，其中心位置相较于森林燃烧而言更偏北（图8c）。灌木燃烧则分布于泛北极北美和亚洲地区偏北的区域（60°N～70°N）以及泛北极亚洲地区的东南部（图8b）。农田燃烧则集中分布在泛北极北美、欧洲和亚洲地区的南部（图8e）。草地燃烧在整个泛北极地区皆有分布，但燃烧值相对较小，最大值位于亚洲地区的贝加尔湖附近陆地（图8d）。

图8 2001～2016 年气候平均GFED4.1s 数据不同陆表类型过火面积百分比气候态空间分布（括号内数字为该陆表类型过火面积对总过火面积的占比）：（a）森林；（b）灌木；（c）稀树草原；（d）草地；（e）农田；（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 季节变化

泛北极地区不同区域过火面积逐月变化的主要陆表类型不同（图9a-9d）。年过火面积主要来自于春、夏季的森林、灌木和稀树草原燃烧贡献（图9a）。其中，在泛北极北美地区，夏季稀树草原和森林过火面积分别占夏季泛北极地区总过火面积的20%和15%（图9b）；在泛北极亚洲地区，夏季森林、灌木和稀树草原过火面积分别占夏季泛北极地区总过火面积的24%、18%和10%（图9d）。在春季，燃烧主要由森林、农田和草地燃烧贡献（图9a）。其中，森林、农田和草地过火面积分别占春季泛北极地区总过火面积的28%、27%和18%（图9d）。另外值得一提的是，在泛北极欧洲地区，夏季燃烧主要由森林燃烧贡献，占夏季泛北极欧洲地区总过火面积的60%，春季燃烧主要由农田燃烧贡献，占春季泛北极欧洲地区总过火面积的81%（图9c）。

图9 2001～2016 年不同陆表类型的（a-d）区域月过火面积气候态的逐月变化和（e-h）区域年过火面积逐年变化：（a、e）泛北极地区；（b、f）泛北极北美地区；（c、g）泛北极欧洲地区；（d、h）泛北极亚洲地区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 年际变化

泛北极地区不同区域过火面积逐年变化的主要陆表类型不同（图9e-9h）。对于整个泛北极地区而言，森林燃烧占主导（图9e）。在3 个子区域，泛北极北美地区是稀树草原和森林燃烧为主（图9f），泛北极欧洲地区是农田和森林燃烧为主（图9g），泛北极亚洲地区则是森林和灌木燃烧为主（图9h）。我们进一步计算了不同陆表类型过火面积的标准差（表2）。对于整个泛北极地区来说，森林燃烧的年际变化最大，其年际变化主要来自泛北极亚洲地区的贡献。其次是稀树草原和灌木燃烧，年际变化分别主要来自北美地区和亚洲地区的贡献。而农田和草地燃烧的年际变化相对较小，主要来自亚洲地区的燃烧贡献。

表2 2001～2016 年泛北极不同陆表类型的区域年过火面积标准差。数据已去趋势Table 2 Standard deviation of detrended annual burned area for different land cover types across the Arctic-boreal zone during 2001-2016

同时，从逐年变化来看，泛北极不同区域极端大火对应的主要陆表类型燃烧不同。在泛北极北美地区，2002 年、2004 年、2013 年、2014 年的极端大火主要是稀树草原燃烧，其次是森林燃烧；而在2015 年，森林燃烧更多。在泛北极欧洲地区，2006 年的极端大火是农田燃烧引起的，2010 年则是森林燃烧引起的。在泛北极亚洲地区，2003 年的极端大火主要是森林燃烧，其次是灌木燃烧。

3.3.4 趋势变化

2001～2016 年期间，泛北极地区不同陆表类型的年过火面积趋势变化也具有明显差异。大部分地区森林燃烧在逐年增大，尤其在泛北极亚洲地区南部增大趋势显著（p＜0.1）（图10a）。具体而言，泛北极地区森林燃烧以每年0.16 Mha 的过火面积在显著增大，其中，泛北极北美地区每年增大0.04 Mha，泛北极亚洲地区每年增大0.08 Mha（表3）。相反地，其他陆表类型燃烧略有减小，灌木、稀树草原、草地和农田的减小趋势值分别是0.02、0.02、0.01、0.01Mha/a。从空间分布来看，灌木燃烧在加拿大中部、泛北极亚洲地区西部是增大的，在泛北极亚洲地区东部是减小的（图10b）；稀树草原燃烧在加拿大中部、泛北极亚洲地区西部是增大的，在阿拉斯加东部、泛北极亚洲地区南部和东部是减小的（图10c）；草地燃烧在泛北极亚洲地区西部有明显的增大趋势，东部有明显的减小趋势（图10d）。对于农田燃烧，泛北极北美和亚洲南部地区过火面积变化趋势并不明显，但在泛北极欧洲地区则是一致的减小趋势（图10e）。尽管泛北极欧洲地区过火面积的量级较小，但几乎所有陆表类型的过火面积都在减小（表3），导致泛北极欧洲地区年过火面积减小。

表3 2001～2016 年泛北极不同陆表类型的区域年过火面积变化趋势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

图10 2001～2016 年不同陆表类型年过火面积百分比变化趋势空间分布（图中打点表示通过0.1 显著性水平检验的区域）：（a）森林；（b）灌木；（c）稀树草原；（d）草地；（e）农田；（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

进一步，我们分析了不同陆表类型过火面积趋势的季节演变。泛北极地区5～8 月森林燃烧在增大，尤其7 月过火面积显著增大（p＜0.1）（图11a），增大趋势主要来自于泛北极北美和亚洲地区的森林燃烧贡献（图11b、11d）。另外，灌木燃烧在6月显著增大，同样是泛北极北美和亚洲的灌木燃烧增大引起的。在泛北极欧洲地区，4～7 月稀树草原燃烧显著减小，8、9 月农田燃烧显著减小，4～5 月农田燃烧大量减小（图11c）。总体来说，泛北极地区夏季过火面积增大主要来自泛北极北美、亚洲地区的森林、灌木燃烧增大，而泛北极欧洲地区大多数陆表类型过火面积在春、夏季减小。

图11 2001～2016 年（a）泛北极地区、（b）泛北极北美地区、（c）泛北极欧洲地区和（d）泛北极亚洲地区不同陆表类型的逐月区域过火面积变化趋势。带星号的柱状代表趋势通过0.1 显著性水平检验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 结论与讨论

本研究分析2001～2016 年泛北极地区过火面积的空间分布、时间变化特征，得到以下结论：

（1）泛北极地区的主要燃烧区有阿拉斯加、加拿大中部、西伯利亚南部和中东部，年过火面积百分比最大值超过1.5%/a。

（2）泛北极地区燃烧主要发生在夏季和春季。具体来说，泛北极北美地区的燃烧主要发生在夏季，以稀树草原和森林燃烧为主；泛北极欧洲地区的燃烧主要发生在春季（农田燃烧为主），其次是夏季

（森林燃烧为主）；泛北极亚洲的燃烧主要发生在夏季（主要为森林、灌木和稀树草原燃烧），其次是春季（主要为森林、农田和草地燃烧）。

（3）泛北极地区年过火面积显著增大趋势主要发生在加拿大中部和西伯利亚中部。对于不同陆表类型来说，泛北极和泛北极北美地区森林过火面积呈现显著增大趋势；而泛北极欧洲地区则主要呈现为农田燃烧显著减小的趋势。

（4）泛北极不同地区过火面积极端大值年份对应的主要陆表类型不同。在泛北极北美地区，极端大火多发生在稀树草原和森林；在泛北极欧洲地区，极端大火主要发生在农田和森林；在泛北极亚洲地区，极端大火多发生在森林以及灌木区。

Stocks et al.（2002）采用1959～1997 年加拿大大火数据库（Large Fire Database，LFDB）分析了加拿大火灾的季节变化，指出加拿大森林火灾通常从4 月的南部地区开始，一直持续到10 月中旬。我们基于卫星遥感产品得到的结果与其一致：2001～2016 年平均而言，加拿大火灾同样在4 月出现，主要分布在加拿大南部，而后更盛的火灾向北发展，直到9 月转弱，10 月在南部地区有零星火灾活动发生（图5）。Soja et al.（2004）使用甚高分辨率辐射计（AVHRR）数据制作得到1999 年和2000 年的主动火产品，指出在西伯利亚火灾从3 月下旬开始在40°N 左右发生，随后逐渐向北发展，7 月达到最大。Kim et al.（2020）研究了1997～2016 年西伯利亚的火灾季节变化，指出55°N 以北的西伯利亚中部、东部的火灾活动分别在6、7 月达到最大。这和我们的工作指出的西伯利亚的火灾于3 月在贝加尔湖东部发生，随后向北发展，7 月达到最盛的结果是一致的。Drobyshev et al.（2012）基于瑞典火灾数据分析，指出1996～2008 年瑞典过火面积的峰值则分别是春季（南部）和8 月（北部）。我们基于卫星反演火产品也显示泛北极欧洲地区南部火灾大多发生在春季，往北则更多发生在夏季（图6）。这说明在区域尺度上，基于卫星遥感反演的全球火产品与观测火灾数据得到的过火面积的季节演变特征有很好的一致性。

本研究显示在泛北极地区，加拿大中部和西伯利亚中部年过火面积呈显著增大趋势（图6），这和以往基于观测数据研究得到的的结论一致（Hanes et al., 2019; Bowman et al., 2020; Talucci et al., 2022），但我们的研究也进一步揭示了泛北极地区南部边缘过火面积减小主要来自农田和稀树草原过火面积减小的贡献（ 图10）。 此外，Drobyshev et al.（2012）分析瑞典火灾数据，指出自19 世纪以来瑞典的森林火灾活动有所减少。而我们的研究发现在近20 年来，整个泛北极欧洲地区（包括瑞典），除了人类活动影响较大的农田燃烧在显著减小，稀树草原、灌木、草地燃烧也都在显著减小；这说明除了人类活动影响以外，气候可能对泛北极欧洲地区的过火面积减小也有正贡献。另外，值得注意的是，本研究所使用的数据由于时间序列较短，对于整个泛北极地区的过火面积来说，趋势并不显著。后面的工作中可考虑采用更长时间的区域过火面积数据或者模式，进一步分析泛北极过火面积的长期趋势变化。

泛北极过火面积的增大趋势和气候变化密切相关。一方面，气候变暖有利于热对流、雷暴、闪电形成的大气条件更频繁地出现，点火数增多，加剧火灾活动；另一方面，气候变暖引起融雪提前，导致随后的燃料干燥增强和火灾季节提前，燃料点火的可能性增强、火蔓延范围扩大；两方面共同作用导致北美森林过火面积显著增大（Veraverbeke et al., 2017）。在加拿大，近年来过火面积增大的原因之一是大火事件增加（Stocks et al., 2002）。而大火数量增加的原因可能是更热和更干燥的火灾天气、更长的火灾季节（Albert-Green et al., 2013;Mann et al., 2017; Hanes et al., 2019）。此外，Kim et al.（2020）在研究西伯利亚东南地区火灾活动时，指出大气环流异常导致的晚冬温度升高会促进较早的融雪和较干燥的空气条件，使得春季火灾活动增加。

除了气候因素，局地人类活动也是影响泛北极过火面积趋势变化的重要原因。Kirillina et al.（2020）分析俄罗斯萨哈共和国的过火面积变化，发现1996～2018 年萨哈共和国的过火面积显著增大的可能原因是强烈的变暖趋势以及人为影响：从2000 年开始，由于该地区工业化速度加快，人为火灾的比例有所增加，特别是在工业、农业发达的地区。同样地，近年来北欧的森林火灾活动减少也和人类活动有关，比如大规模的木材开采和有效的火灾管理措施：建立密集的森林道路以缩短消防员的救灾距离等，以有效控制火灾蔓延和过火面积（Granström and Niklasson, 2008; Drobyshev et al.,2012）。

致 谢感谢陈阳老师为本文提供陆表燃烧类型产品数据，感谢国家重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟装置”提供支持。