气候变化下异质山地火险天气制度的长期时空分异：阿尔博兹山脉森林与非森林景观的FWI评估（1980—2025）

《Scientific Reports》：Climate-related shifts in fire-weather regimes across heterogeneous mountain ecosystems: long-term spatiotemporal assessment in the Alborz mountains

　　

气候变化正在全球范围内加剧火险天气活动，但生态系统结构在多大程度上调节复杂山地环境中的火险天气制度仍认识不足。研究人员在阿尔博兹山脉（1980—2025）研究森林与非森林景观对气候驱动火险天气的差异响应。利用高分辨率火险天气指数（Fire Weather Index，FWI）数据，结合非参数趋势分析（nonparametric trend analysis）、结构突变点检测（structural breakpoint detection）、空间热点分析（spatial hotspot analysis）以及补充性的基于机器学习的统计外推（statistical extrapolation），识别出不同土地覆盖类型间火险天气动态的显著分异。在高火险阈值（FWI ≥21.3）下，非森林区域高FWI日数的年平均频率最高约为森林区域的3倍，并伴随更强的历史上升趋势，而希尔卡尼亚森林（Hyrcanian forests）表现出相对平缓的响应。这些差异与阿尔博兹山脉土地覆盖环境以及主导气候和地形梯度的共同影响相一致，森林区域在当前环境背景下总体火险天气暴露较低。空间分析揭示持续且增强的热点集中于阿尔博兹西部，并呈现火险天气演变的显著西—东梯度。20世纪90年代中后期检测到的突变，尤其约1996年和1999年，指示区域火险天气制度的潜在转变，但其与大尺度气候变率的关系尚需进一步研究。作为补充分析，历史火险天气格局被统计外推至2026—2035年，表明非森林夏季景观频率相对较高。这些估计代表历史时间格局的统计延续，而非气候预估或未来野火发生的确定性预测。总体而言，结果突出不同土地覆盖环境间气候驱动火险天气条件的显著空间差异。这些格局反映土地覆盖分布、区域气候梯度和地形背景的共同影响，而非土地覆盖单独效应。

气候变化导致升温、降水格局改变和极端事件增多，野火频率、强度与持续时间在多类生物群区呈增加趋势；山地因复杂地形强化气候梯度，火险天气响应更复杂。火险天气指数（Fire Weather Index，FWI）是加拿大森林火险天气指数系统（CFFWIS）的核心指标，已被欧洲森林火险信息系统（EFFIS）和全球火险天气数据库（GFWED）等采用。现有问题在于：生态系统结构与土地覆盖异质性如何调节火险天气对气候变化的响应仍认识不足，尤其在同一复杂山系内森林与非森林景观差异响应的实证有限；阿尔博兹山脉生态与气候梯度显著，南坡为非森林半干旱景观，北坡为湿润的希尔卡尼亚森林（Hyrcanian forests），但该区野火动态及集成趋势、突变、热点和统计外推的研究不足。研究人员据此利用1980—2025年FWI数据比较森林与非森林区域火险天气制度，假设森林生态系统可能相对缓冲气候驱动的火险天气增加。研究结论表明，非森林区域高火险日频率约达森林区域的2—3倍，历史增加趋势更强；20世纪90年代中后期尤其是1996年和1999年存在突变；热点集中于西部并呈西—东梯度；2026—2035年统计外推延续非森林南部景观高频率格局。其意义在于揭示单一山系内对比性火险天气制度，为气候敏感和生物多样性丰富山区的火险天气监测与适应管理提供依据，并可服务于仙台减灾框架等相关框架。

关键技术方法（≤250字）：数据来自Copernicus Climate Change Service（C3S）和Copernicus Emergency Management Service（CEMS）的ERA5再分析日均FWI，空间分辨率0.25°×0.25°，研究区掩膜后127个格点；土地覆盖采用C3S Land Cover（基于ESA CCI Land Cover，300 m），以2020年为参考层，格点内森林覆盖>50%判为森林，共83个森林格点、44个非森林格点；设置FWI≥21.3、≥38.0、≥50.0三级阈值；采用Mann–Kendall检验和Theil–Sen斜率估计趋势，Pettitt与CUSUM检测突变点，Getis–Ord Gi与新兴热点分析（EHSA）识别空间聚类，随机森林回归（Random Forest Regressor，RFR）以年份为唯一预测因子进行2026—2035年统计外推，并用时间序列交叉验证、RMSE、MAE和R²评价。

结果部分：
森林与非森林区域火险天气频率时空分析：通过FWI阈值日数、季节和土地覆盖分层分析发现，FWI>21.3时区域年均90.75天，南部18%区域超过156天、6%超过208天；夏季最高（48天），冬季最低（1.41天）；森林年均52.2天，非森林163.46天，非森林夏、秋频率均超过森林两倍；阈值升高后频率下降，但非森林高频率、夏季主导和南北梯度持续存在。

不同FWI阈值下火险天气频率的年代际变化：通过年代际变化分析发现，FWI>21.3时区域年均增加6.31天/十年，森林5.35天/十年，非森林8.13天/十年；非森林春季增幅最大（3.93天/十年），高于其夏季（1.61天/十年）；阈值升至38和50后增幅和空间范围减小，但非森林和夏季仍为增强集中区。

森林与非森林区域FWI变化趋势及幅度分析：通过Mann–Kendall趋势检验和Sen’s斜率估计发现，FWI>21.3时区域>79%面积年趋势显著，森林72%、非森林91%显著；区域平均Sen’s斜率为0.6天/年，南部带最大2.23天/年；FWI>38和>50时显著面积比例下降，但非森林仍分别达95%和91%，森林趋于近稳定；夏季主导增强，东北部和南部带增幅最高。

基于Pettitt和CUSUM方法的FWI突变点分析：通过Pettitt和CUSUM突变检测发现，FWI>21.3时1996年最常检出（占21.26%，非森林40.91%），非森林1994年占36.36—38.64%，森林2005年占19.28—27.71%；FWI>38时仍以1996年为中心；FWI>50时非森林1999年最突出（31.82%）。两法共同指示20世纪90年代中后期尤其1996年和1999年为区域火险天气重要转变期，早期突变多在西部和中部，后期多在东部和东南部。

阿尔博兹山脉火险天气新兴热点格局分析：通过新兴热点分析（EHSA）发现，FWI>21.3时57.3%区域存在显著聚类，Hot Spot占33.6%、Cold Spot占23.9%，以增强型（17.3%）和零星型（16.3%）热点为主，Diminishing Cold Spot占18.9%；秋季最活跃，持续型和零星型热点合计超过26%；冬季84.4%为无格局；增强型和零星型热点集中于西部阿尔博兹，中东部以冷点和中性为主，阈值升高后无格局比例增加、极端火险聚类更局地化。

阿尔博兹山脉高FWI日数的时空统计预测：通过随机森林回归统计外推发现，2026—2035年FWI≥21.3时区域年均107.09天，森林33.14天、非森林108.88天；夏季区域53.78天，非森林54.46天；历史交叉验证RMSE为区域2.8天、森林1.5天、非森林3.1天；FWI≥38时区域59.98天，非森林61.34天；FWI≥50时森林接近零、非森林34.75天。结果延续历史空间格局，非森林和夏季频率高、南部带集中；作者强调其为历史时间格局的统计延续，并非气候预估或野火发生确定性预测。

讨论总结：作者强调森林与非森林差异不能解释为土地覆盖的独立因果效应，而应视为区域气候梯度、地形背景和土地覆盖分布共同作用的结果；森林多位于湿润北坡，非森林多在暖干南部和内部区域。火险天气集中于暖季，夏季约占高风险日的60—70%。热点分析显示西部持续增强、中东部相对稳定或减弱，呈西—东梯度；突变分析显示1996年和1999年等转变期与伊朗水文气候变率时期相近，但未定量评估ENSO、NAO或地中海大气变率等具体气候振荡。随机森林仅以年份为预测因子，未纳入未来排放情景或大气驱动，故仅为短期统计外推。局限包括：FWI反映气象火险而非实际野火；ERA5空间分辨率可能平滑山地微尺度差异；2020年静态土地覆盖可能不能完全反映历史土地覆盖变化；燃料湿度、冠层、叶面积指数（LAI）、蒸散和土壤湿度等生态机制未直接量化，植被缓冲应作为假设；格点数据存在空间依赖且多重检验可能增加I型错误。

结论翻译：本研究揭示阿尔博兹山脉火险天气制度显著时空差异，表明气象火险变化在异质山地环境中并非空间均一。北坡希尔卡尼亚森林与南坡以非森林为主景观在差异气候和地形背景下呈现不同火险天气特征：北坡湿润条件使火险暴露总体较低，南部非森林暖干条件对应高风险火险日频率显著更高。1980—2025年，非森林区域火险天气增幅更强、趋势更陡、高风险条件更频繁；依阈值不同，非森林高火险日频率约为森林的2—3倍，显示单一山系内出现对比性火险天气制度。季节分析表明差异主要在暖季尤其夏季表现。空间分析揭示持续地理差异，包括集中热点和明显西—东变化；结构突变分析识别20世纪90年代中后期尤其约1996年和1999年为区域火险天气重要转变期，其驱动仍需进一步研究。2026—2035年统计预测表明历史空间格局延续，高风险日较高频率仍集中于非森林南部景观；这些预测为历史FWI时间格局的统计延续，而非物理气候预估或野火发生预测。总体，本研究通过整合长期趋势、突变制度转变、空间聚类和短期统计预测，增进复杂山地环境火险天气变率理解，并为其他强环境梯度山区的气象火险时空变化评估提供可转移框架；结果强调气候知情和景观特异方法对改进火险天气监测和气象火险评估的重要性，同时强调需整合观测野火信息及生态和人为因素以更全面评估野火风险。