气候变暖下野火对北极积雪延迟形成的反馈机制研究

《Nature Climate Change》：Delayed formation of Arctic snow cover in response to wildland fires in a warming climate

本刊推荐：为揭示北极地区积雪动态对野火的响应机制，研究人员通过卫星观测与机器学习模型（XGBoost）开展多尺度分析，发现野火通过降低反照率（albedo）和升高地表温度（LST）使积雪形成延迟超5天，预测SSP5-8.5情景下至2100年燃烧面积（BA）将增2.6倍、积雪期缩短18天。该研究为理解冰冻圈-火灾反馈环路提供关键证据。

　　

北极地区如同地球的“白色空调”，其广袤的积雪层通过反射阳光（反照率效应）调节全球气候系统。然而，随着气候变暖加速，这片纯净的冰雪世界正面临双重威胁：一方面，升温直接导致积雪形成延迟、消融提前；另一方面，日益频繁的野火如同在白色画布上泼洒墨迹，进一步破坏积雪的稳定性。2023年加拿大创纪录的火灾季烧毁超过4500万英亩土地，相当于历史年均值的近10倍，而西伯利亚苔原的浓烟更是将北极笼罩在黑色阴霾中。这种火灾与积雪的相互作用，可能引发难以逆转的生态恶性循环。

为厘清野火如何干扰北极积雪周期，香港理工大学王硕团队联合加州大学欧文分校、哥伦比亚大学等机构，通过分析1982-2018年多源卫星数据，结合机器学习与因果推断模型，首次量化了野火对积雪形成的延迟效应。研究发现，北极燃烧面积（Burned Area, BA）在研究期间显著增长，而积雪持续时间（Snow Cover Duration）则缩短超过15天。尤其值得注意的是，重大野火事件可使积雪形成日期推迟5天以上，这种延迟效应与火灾后地表反照率下降、地表温度（Land Surface Temperature, LST）上升密切相关。相关成果于2025年发表于《Nature Climate Change》。

研究团队整合了三种卫星燃烧面积产品（FireCCILT11、FireCCI51、MCD64A1）及每日网格化雪水当量（Snow Water Equivalent, SWE）数据，采用XGBoost（极端梯度提升）机器学习算法，纳入反照率、地表温度、气温（T_a）、蒸汽压亏缺（Vapor Pressure Deficit, VPD）、短波辐射（SW）、长波辐射（LW）及气候水分亏缺（Deficit, Def）等多维度变量，同时考虑火灾发生前、中、后三个阶段的环境变化。通过结构方程模型（Structural Equation Modeling, SEM）和收敛交叉映射（Convergent Cross Mapping, CCM）因果分析，验证了“野火→反照率降低→地表升温→积雪延迟”的传导路径。

趋势分析揭示北极积雪与野火的时空演变

1982-2018年间，北极圈内年均燃烧面积呈现显著上升趋势（P<0.01），特别是2010-2018年期间火灾活动强度明显高于前十年。同期，受灾区域的积雪持续时间缩短超15天，积雪开始日期（Snow Start Date, SD）推迟、结束日期（Snow End Date, ED）提前，其中北极圈以南地区延迟形成现象更为突出。

机器学习识别火灾后热力效应为关键驱动

XGBoost模型（R2=0.82）显示，火灾后阶段的反照率、地表温度与气温是预测积雪延迟的最重要因子。SHAP（Shapley Additive Explanation）值分析表明，火灾规模（BA）越大，地表变暗与增温效应越显著。结构方程模型进一步揭示：夏季BA每增加1单位，可通过降低反照率（路径系数-0.21）和升高LST（路径系数0.19）间接导致气温上升（路径系数0.75），最终延迟积雪形成（R2=0.53）。

重大火灾事件引发积雪形成实质性延迟

通过叠加纪元分析（Superposed Epoch Analysis, SEA）发现，重大野火事件后第一年积雪开始日期平均延迟超过5天（P<0.05），且延迟程度与燃烧面积呈正相关（例如4百万公顷火灾较1百万公顷火灾延迟3天）。而积雪结束日期未发现显著变化，说明火灾主要通过推迟积雪形成而非提前消融缩短积雪期。

未来情景预测凸显气候-火灾-积雪反馈强化

基于CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）模型预测，在高排放情景（SSP5-8.5）下，2100年北极燃烧面积可能达到历史均值的2.6倍（6.4-13.9百万公顷），年均积雪期将缩短18天。这种“火灾加剧-积雪减少-地表吸热增强”的正反馈环路，可能使北极生态系统的实际变暖速度远超气候模型预估。

研究结论强调，野火通过改变地表能量平衡对北极积雪周期产生持续影响，这种非气候直接驱动的积雪损失机制在当前气候模型中尚未被充分考量。尤其值得注意的是，苔原火灾后地表炭化降低反照率，使晚秋至初冬地表难以达到积雪形成温度阈值。随着北极雷暴活动增加和植被可燃物积累，火灾与积雪的相互作用可能成为加速永冻土碳释放的关键推手。该研究呼吁将火灾-积雪反馈机制纳入下一代地球系统模型，为制定北极生态保护与碳管理策略提供科学依据。