《Science of The Total Environment》：Characteristics and trend of the wildfire activity in the Southern Hemisphere (2003–2022)
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全球野火活动因生物质燃烧过程中向大气注入大量颗粒物而对区域气候产生重大影响。尽管全球特定区域的野火演变已有广泛研究，但在大陆尺度上针对南半球的研究却相对匮乏。本研究旨在评估三大洲——南部非洲（Southern Africa, SAF）、南美洲（Southern
全球野火活动因生物质燃烧过程中向大气注入大量颗粒物而对区域气候产生重大影响。尽管全球特定区域的野火演变已有广泛研究，但在大陆尺度上针对南半球的研究却相对匮乏。本研究旨在评估三大洲——南部非洲（Southern Africa, SAF）、南美洲（Southern America, SAM）和大洋洲（Oceania, OCE）的野火活动，并利用MODIS活跃火点（Active Fire, AF）卫星数据量化2004–2024年间（原文摘要表述为2003–2022年，此处按原文摘要译为“过去二十年”）的趋势。本研究的首个关键发现是三大洲之间野火季节性的异质性。其中，大洋洲在研究时段内未表现出明显的季节性，提示该区域存在多种火情制度（fire regime）共存的现象。SAF和SAM大陆则表现出清晰的季节性模式：SAF的火活动持续期为5月至10月，共20周，年际变率较低；SAM的火活动持续期为7月至10月，共14周，年际变率较高。研究采用稳健的分段线性函数（Piecewise Linear Functions）方法确定趋势变化点，从而对各大洲的趋势进行不同时间段的划分。就火点数量（及火辐射功率（Fire Radiative Power, FRP）总和）的变化趋势而言，结果显示SAF在2010–2022年间每十年下降?13%（?21%），而SAM在2013–2022年间每十年上升+22%（+42%）。最严重火灾的数量（及FRP总和）在SAF呈现略强的下降趋势，而在SAM其趋势较全部火灾分别增至三倍（近两倍）。这一现象可能归因于SAM区域野火对气候条件及其近期变化的敏感性增强，以及区域土地利用实践和火灾管理策略的驱动作用。
南半球野火活动特征与趋势研究解读
一、研究背景与科学问题
大气气溶胶通过吸收和散射机制（直接效应）、影响大气稳定性进而改变云的形成与覆盖（半直接效应），以及作为云凝结核和冰核颗粒改变云属性（间接效应），在地球-大气辐射收支中扮演重要角色。在各类气溶胶中，生物质燃烧（Biomass Burning, BB）排放的烟雾颗粒因其显著的光吸收特性而备受关注。已有研究估算，北半球和南半球的生物质燃烧气溶胶年排放量分别约为930和1150 Tg。这些颗粒除有机气溶胶外，还包含黑碳（Black Carbon）和棕碳（Brown Carbon）两种主要吸光性含碳组分，其中黑碳产生的有效辐射强迫在全球范围内与其他类型气溶胶符号相反，且具有较大的不确定性和较低的置信水平。野火是生物质燃烧气溶胶及CO、CO?、CH?、NO?等大气痕量气体的主要来源。
野火在全球各地发生时间各异：中纬度地区火季多与夏季重合，热带地区则始于旱季末至首场降雨前。不同大陆间存在多样化的火情制度，这与土壤类型和气候条件的差异密切相关。热带稀树草原地区在旱季经历频繁但低强度的火灾，地中海型气候区域则出现具有显著季节性的极端和偶发性火险天气，温带地区火活动受气候条件和植被类型的多重因素影响，而北方（Boreal）地区火灾多由闪电引发且空间范围广阔。
近几十年来，星载遥感技术的发展显著提升了野火监测能力。目前广泛应用的三类方法包括过火面积估算、火排放估算和活跃火点探测。尽管这些方法在探测率上尚未达到地面观测水平，但它们提供了近乎完整的全球覆盖，并能在缺乏火情监测项目的地区持续可靠地生产标准化数据。然而，三类方法均受卫星观测条件的限制，包括对云覆盖等观测条件的敏感性、粗空间分辨率导致的小火探测困难，以及相对较低的时间采样频率。活跃火点数据产品还提供火灾强度的信息，这是过火面积产品所不具备的。
关于全球野火活动的长期演变趋势，已有研究普遍提示全球过火面积呈下降趋势，但大陆尺度上火险气候条件显著增加。西南印度洋（South West Indian Ocean, SWIO）是全球少数保持原始状态且每年周期性出现生物质燃烧气溶胶的区域之一。已有研究显示，留尼汪岛（21°S, 55°E）的气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth, AOD）在2007–2019年间每十年增加26%±13%，其中生物质燃烧排放被明确识别为主要贡献者，南部非洲和南美洲分别贡献21.7%±7.2%和19.5%±8.1%。然而，基于全球火排放数据库（Global Fire Emissions Database, GFED）的研究却发现南部非洲和南美洲的过火面积在2001–2020年间呈负趋势。针对活跃火点数量的研究同样存在结论分歧：2001–2016年间南半球呈负趋势，而2011–2020年间非洲、南美和澳大利亚的火点热点则大多呈上升趋势。这一矛盾引出了核心科学问题：SWIO上空AOD演变所暗示的南半球野火活动加剧是否真实存在？
二、研究内容与主要结论
本研究旨在采用新方法表征南半球野火季节性，并计算2003–2022年间20年的区域趋势。半球被划分为三个陆地区域：南美洲、南部非洲和大洋洲。火活动使用MODIS活跃火点数据表征。在聚合相邻热点后，最严重的事件与全体样本一并研究，以揭示季节性和演变方面的潜在差异。
研究的第一个关键成果是三大洲野火季节性的异质性。大洋洲在研究时段内未表现出清晰季节性，提示该区域多种火情制度共存。南部非洲和南美洲则表现出清晰的季节性模式：SAF火活动持续20周（5月至10月），年际变率较低；SAM火活动持续14周（7月至10月），年际变率较高。在趋势方面，SAF的火点数量（及FRP总和）在2010–2022年间每十年下降?13%（?21%），而SAM在2013–2022年间每十年上升+22%（+42%）。最严重火灾的数量（及FRP总和）在SAF呈略强的下降趋势，而在SAM其趋势较全部火灾增至三倍（近两倍）。研究将这一现象归因于SAM区域野火对气候条件及其近期变化的敏感性增强，以及区域土地利用实践和火灾管理策略的影响。
三、关键技术方法
研究人员使用了NASA火灾信息资源管理系统（Fire Information for Resource Management System, FIRMS）提供的MODIS活跃火点数据，该数据源自Terra和Aqua卫星搭载的中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS），采用MODIS 6.1版本集合的MOD14（Terra）和MYD14（Aqua）产品。数据处理算法利用3.96 μm、11.03 μm和12.02 μm波段的亮度温度，通过直接阈值和背景表征两种方法检测火点，并进行拒绝测试以排除太阳耀斑、沙漠边界和森林砍伐等光学异常引起的误报。火辐射功率（FRP）依据Wooster等人（2003）和Giglio等人（2016）的方法估算。趋势计算采用稳健的分段线性函数（Piecewise Linear Functions）方法确定趋势变化点，并使用自相关稳健的显著性指标进行趋势分析。
四、研究结果
4.1 季节性特征
三大洲的野火季节性呈现显著差异。南部非洲表现出清晰的季节性模式，火活动持续20周，从5月延续至10月，且年际变率较低。南美洲同样呈现清晰季节性，但火活动持续期较短，为14周（7月至10月），且年际变率较高。大洋洲则未表现出清晰季节性，提示该区域多种火情制度共存。
4.2 趋势变化点与长期趋势
采用稳健的分段线性函数方法确定趋势变化点后，各大洲呈现出不同的时间分段。在火点数量方面，SAF在2010–2022年间每十年下降?13%，SAM在2013–2022年间每十年上升+22%。在FRP总和方面，SAF每十年下降?21%，SAM每十年上升+42%。
4.3 最严重火灾的趋势
最严重火灾（聚合后的高强度事件）的数量及FRP总和在SAF呈现略强于全部火灾的下降趋势，而在SAM，其趋势较全部火灾分别增至三倍（数量）和近两倍（FRP总和）。这一结果表明SAM区域最严重火灾活动的加剧幅度远超整体火活动水平。
五、讨论与结论
研究人员将SAM区域野火活动的增强归因于该区域野火对气候条件及其近期变化的敏感性，以及区域土地利用实践和火灾管理策略的共同作用。SAF区域火活动的下降趋势则反映了该区域相对稳定的火情管理制度。研究结果强调了在大陆尺度上开展野火活动研究的必要性，以应对火情制度和演变趋势的多样性。该研究为理解南半球野火活动的时空演变提供了重要参考，对区域气候影响评估和火灾管理政策制定具有科学意义。研究发表于《Science of The Total Environment》。
