《Ecohydrology》：Vegetation and Topographic Controls on Post-Fire Snowpack: Evidence From the 2021 Caldor Fire
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近几十年来，由于长期火灾抑制政策以及愈发有利于火灾发生的气候因素，野地火（wildland fire）的发生频率不断增加，其发生海拔范围也随之扩大。在美国西部山地地区，这一变化使火灾对以积雪主导生态系统中景观尺度植被格局的影响持续增强，由火驱动的植被格局变化所
近几十年来，由于长期火灾抑制政策以及愈发有利于火灾发生的气候因素，野地火（wildland fire）的发生频率不断增加，其发生海拔范围也随之扩大。在美国西部山地地区，这一变化使火灾对以积雪主导生态系统中景观尺度植被格局的影响持续增强，由火驱动的植被格局变化所引发的水文效应也因此成为研究重点。在森林中，火灾会消耗地表可燃物和林下植被，降低树冠覆盖度，使树干表面变暗，并沉积黑碳（black carbon）。这些影响共同改变了过火区相较火前条件下的积雪累积与持续特征。本研究利用现场观测以及对雪况与火情的遥感资料，对2021年发生于加利福尼亚州内华达山脉中部、规模较大的Caldor野地火过火范围内的积雪过程开展分析。研究人员解释了积雪累积与持续性的空间变异，并将结果与Caldor火灾边界内及附近雪枕（snow pillow）和雪线样带（snow course）站点的观测结果进行比较。结果表明，在中高海拔北向坡面，火灾可促进积雪层累积，尤其在低烈度和中烈度燃烧区域中更为明显。其他海拔带、坡向以及火烧烈度等级则表现为积雪层减少。与既有积雪监测站点相比，这种火灾响应使过火区内部积雪层行为出现偏离。该研究表明，既有监测站点所在位置与周边流域在应对重大扰动时存在差异，这一认识有助于改进对火后景观中积雪观测结果的解释。
该论文发表于《Ecohydrology》，聚焦2021年美国加利福尼亚州Caldor火灾后南福克美国河流域（South Fork American River basin）积雪分布与消融过程的变化，讨论植被破坏、火烧烈度与地形条件如何共同塑造火后雪水文响应。研究背景在于，山地积雪是下游供水、生态系统维持与水资源调度的重要基础，而美国西部长期依赖雪枕（snow pillow）与雪线样带（snow course）站点对积雪水当量（snow water equivalent, SWE）和雪深进行连续或定期监测。这类站点通常设置在平坦、开阔且易到达的区域，难以充分代表高海拔、陡坡和森林覆盖区的空间异质性。在火灾频率、规模、烈度和海拔范围不断增加的背景下，森林结构和地表反照率（albedo）被显著改变，导致传统监测点与流域整体积雪响应之间的经验对应关系可能失效，因此有必要重新认识火后积雪空间分布及其控制机制。
论文指出，野火进入季节性积雪带后，会通过减少树冠截留、改变林冠遮阴、沉积黑碳（black carbon）并增加地表能量吸收等多重机制影响积雪累积和消融。既往研究虽已证实火灾可改变雪深、峰值SWE、融雪时间和雪盖持续期，但不同研究结论并不一致，其关键原因在于火灾影响具有显著的地形依赖性、尺度依赖性和烈度依赖性。特别是在山地流域中，坡向决定短波辐射输入，海拔影响气温与降雪分布，林冠开口尺度又调节遮阴、风速与能量交换，因此“火后积雪增多”或“火后积雪减少”并非单一规律，而是不同过程叠加后的空间异质结果。基于这一科学问题，研究人员选取Caldor火灾这一典型的大型山地火灾案例，对火后首个完整雪季附近的积雪响应开展综合分析，以回答火后积雪在何处增加、何处减少，已有雪监测站在火后条件下是否仍具代表性，以及火烧烈度与林冠破碎格局如何调控积雪过程。
在研究方法上，研究人员整合了多源观测资料。样本区域为Caldor火灾在南福克美国河流域内的过火范围。主要方法包括：利用26个布设于不同火烧烈度区域的延时相机站点和部分站点的温度/光照记录器获取2022–2023年冬季分布式雪深与融雪终止日期；利用MODIS分数积雪覆盖面积（fractional snow-covered area, fSCA）产品开展火前火后雪盖时空格局比较；利用Airborne Snow Observatories（ASO）机载激光雷达雪深数据分析不同海拔—坡向空间和不同火烧烈度下的雪深差异；结合MTBS火烧烈度指标RdNBR、LANDFIRE树冠覆盖度和FACTS森林经营记录，评估火后植被结构变化及其与积雪变化的关系；同时将现场观测与流域内既有雪枕、雪线样带站点进行对照，以检验传统监测站的代表性。
研究结果部分可按论文原有小标题概括如下。
3.1 In Situ, Distributed Snow Depth Time Series
研究人员基于延时摄影重建了过火流域多个点位从2022年11月至2023年6月的雪深时间序列，并与Caples Lake自动雪深传感器及月度雪线样带观测进行比较。结果显示，不同站点之间雪深存在明显差异，这种差异不能仅由海拔解释。相机站点与Caples Lake站整体上相关，但在季内某些时段出现明显偏离，尤其是2023年3月上旬的一次雪深损失事件仅在相机站中被捕捉，而未在Caples Lake传感器和月度人工调查中表现出来，说明过火区内雪层对短时消融或压实事件的响应更敏感且空间差异更大。对积雪消失日期的分析还表明，在去除海拔效应后，局地林冠状况仍可导致积雪消失时间相对MODIS像元平均状态提前或推迟，幅度可达约15天；冠层越稀疏的样地越倾向于更早融雪，冠层更完整的样地则更可能延后消融。
3.2 Aspect-Dependent Post-Fire Snow Impacts
研究人员利用2023年4次ASO雪深获取时相，对不同海拔—坡向组合下过火与未过火区域雪深进行直接比较。结果表明，火后积雪响应具有显著坡向依赖性：在1900–2600 m的东北向坡面，过火区雪深往往高于相似地形条件下的未过火区，且这一“积雪收益”在低烈度和中烈度区尤为明显，在高烈度区表现出更大幅度和更宽的坡向范围。相反，南向坡在所有日期和烈度等级下均表现为过火后雪深降低。随着季节推进，火后雪深减少的范围和强度不断扩大，到6月时，几乎所有海拔、坡向和烈度类别的过火区域雪深都低于未过火区域。由此可见，火灾对积雪的影响并非均一，而是受火烧烈度与地形共同调控：冷凉、遮阴较强的北向中高海拔坡面更可能因树冠减少而在积累期受益，而受辐射更强的坡面则更容易因反照率降低和遮阴丧失而加速消融。
3.3 Low-Canopy Cover Patch Size
研究人员进一步从火因之外抽象出“低树冠覆盖斑块”这一结构因子，比较小斑块（< 10 ha）和大斑块（> 400 ha）内的雪深差异。结果显示，在2400 m以下，整个积累期至消融期中，大面积低树冠覆盖斑块的雪深普遍低于同海拔、同坡向的小斑块；而在更高海拔，大斑块则表现出较高雪深。该阈值海拔在不同观测日期上基本稳定。这说明林冠开口尺度本身就是控制积雪保持能力的重要因素。较小开口更容易保留周围林木的遮阴效应，因此在相对暖的低海拔雪带更有利于积雪保存；而在更冷的高海拔地带，较大开口则可能因减少截留而更有利于积雪积累。该结果揭示了火后森林结构破碎化对积雪过程的细尺度调节作用。
3.4 Snow Course Representativeness
研究人员比较了整个研究区、传统雪线样带站点以及本研究布设的相机站在火前后树冠覆盖度和火烧烈度分布上的差异。结果表明，整个研究区的树冠覆盖中位数由2020年的45%降至2022年的25%，而雪线样带站点原本就位于更开阔区域，其树冠覆盖由10%降至0%，且火烧烈度整体偏低；相机站则覆盖了更高烈度的区域，火后树冠变化更剧烈。这意味着传统监测站并不能充分表征流域大部分过火区域的植被损伤程度。进一步按事件比较Caples Lake自动站和过火区相机站对雪深增减的响应发现，两者对变化方向的一致率超过90%，但过火区分布式站点对同一事件的归一化响应幅度平均约为Caples Lake站的3倍，说明传统站点虽然能反映季节演变方向，却低估了过火区雪层变化的敏感性和波动性。
3.5 Snow Cover Spatial Patterns
研究人员利用MODIS fSCA月合成产品，并通过标准正态变量（standardized normal variate, SNV）标准化处理，对2018–2020年火前与2022–2024年火后积雪覆盖空间格局进行比较。结果显示，火灾边界内大多数像元在火后均出现统计显著的标准化雪盖减少，而火区外大部分区域变化不显著。由于SNV方法控制了区域总雪盖量差异，这一结果表明，在相同区域背景降雪条件下，Caldor过火区火后相对于周边区域更不易维持原有水平的雪盖。尽管这一500 m尺度产品难以解析ASO所揭示的坡向依赖细节，但它从更长时间尺度和更大空间范围证明：火灾后雪盖时空格局已发生系统性偏移。
在讨论部分，论文强调，2022–2023年是异常丰雪年，这一背景一方面提高了记录的极端性，另一方面也说明即使在高雪年，火后积雪空间异质性仍然显著。研究人员认为，火后雪深差异来自多个共同作用的机制，包括树冠移除导致的截留减少与遮阴减弱，以及黑碳沉积导致的反照率降低；其中坡向和海拔通过控制短波辐射与气温，决定了这些机制的相对重要性。论文还指出，小尺度林冠开口在较暖雪带中比大尺度开口更能保护积雪，说明“开阔化”并非总是增加积雪保持。基于MODIS与现场观测的综合结果，研究人员认为火后积雪消融时间发生了显著改变，而传统雪监测站由于选址偏向开阔、平坦和低烈度区域，其对流域整体火后雪情的代表性受到限制。论文的重要意义在于，它不仅揭示了火后积雪响应受火烧烈度、地形和林冠斑块尺度共同控制，而且指出现有水资源监测体系在重大生态扰动后可能出现表征偏差，这对火后流域积雪解释、径流预报和水资源管理具有直接启示。
研究结论部分可译为：在未来气候、燃料条件和管理情景下，野地火向拥有重要雪水资源地区扩展的趋势可能进一步增强。这种扩展带来的影响涉及社会、生态与水文多个层面。本研究以一次规模大、烈度高的山地火灾为对象，探讨了野地火对积雪累积与持续时间的影响。通过将覆盖不同火烧烈度类别的大量原位观测点与高分辨率遥感产品相结合，研究人员表明，相较于简单区分过火与未过火，火烧烈度对积雪响应的影响更为关键。整个冬季中，高烈度区域在多数海拔与坡向上总体积雪少于未过火区域，这种差异在高海拔更为突出。相比之下，低烈度火烧区在高海拔保留了更多积雪，而在低海拔积雪略少。于积雪累积季，不同烈度类别之间差异较小；随着消融推进，这种差异被进一步放大，高烈度火烧区的融雪速度明显快于未过火区或低烈度区。总体而言，火后影响强烈依赖局地火烧烈度、地形条件及开阔林冠斑块尺度；低烈度火在大火情境下仍可能保留一定的水文收益，而高烈度区域则更可能导致积雪快速损失。
