野火烧不尽，___________

今天

是第63个“国际气象日”

今年气象日的主题是

“天气气候水 代代向未来”

在新时代的蓝天下

“低碳”“双碳”

已成为全球可持续发展的重要内在要求

但，你知道吗

影响全球气候变暖的重要因素

除了目前广受关注的人为活动和工业生产

还有另一个极易让人忽略的因素

那便是 野火

近日

清华大学深圳国际研究生院郑博团队

携手清华大学地球系统科学系张强团队

以及十余名海内外科研合作者

向世界揭示了这一“隐形杀手”的神秘面纱

研究成果发表在《科学》（Science）期刊

并被遴选为当期亮点研究 

“事”未必都在“人为”？

揭秘大自然中的“定时炸弹”！

野火（wildfires），即自然条件下发生的森林、草原火灾，是全球碳循环的重要组成部分，每年向大气中排放约2GtC（即20亿公吨/2万亿千克碳）。野火过后，植被重新生长，可以将其燃烧过程中释放的碳完全或部分吸收，形成循环。

“野火碳排放是全球碳循环的重要组成部分，每年全球野火碳排放约相当于人为源碳排放的20%。其中森林火灾尤为重要。”论文共同作者、清华大学碳中和研究院院长、深圳国际研究生院环境与生态研究院院长贺克斌院士说。如果野火侵入了泥炭地、森林等富含碳、具有较强碳汇功能的生态系统，不仅直接产生大量的碳排放，还导致泥炭地大火、毁林、森林退化等严重自然灾害，还使野火燃烧过程释放的碳难以被完全吸收，甚至会阻碍生态系统的迅速恢复与重建，削弱陆地生态系统的碳汇能力。极端野火不仅会破坏生态系统和生物多样性，还向大气中释放大量有害污染物和温室气体，将对全球气候与人类健康产生不利影响。

在全球气候变暖的趋势中，北极的变暖速率是相对最快的，是全球其他区域的两倍以上。气候的变暖，使植被茂盛生长，这也就相当于为自然储存了更多“燃料”。另一方面，气候变暖会加剧北方地区的干旱程度，土壤中的水分进一步减少，高温热浪等一系列问题将自然界中储存的“燃料”变得异常干燥，导致北半球中高纬地区的野火发生风险增加。同时，释放的二氧化碳排放则将进一步推动全球变暖，二者从而形成气候变暖-野火排放之间的正反馈，相关风险因素也将会进一步增多。

一览全貌，由果追因！

全方位实时量化追踪

为准确、及时地追踪全球野火排放，郑博团队创新性地提出一种监测方法——利用一氧化碳卫星遥感数据反演全球野火二氧化碳排放，基于一氧化碳排放反演数据重构野火燃烧效率的时空动态变化，实现了对野火二氧化碳排放的高精度动态监测。

卫星遥感可大范围观测地球，高效实时获取大气成分浓度资料，具有视点高、视域广、数据采集快、可重复及连续观测等特点。郑博介绍道，目前有关野火排放定量研究主要“通过卫星观察野火燃烧面积或辐射功率，结合生物量、排放因子等参数计算碳的释放量。”这套方法的局限性在于，有时可能无法精确监测到面积过小的火点或者闷燃等现象，以及生物量、排放因子等数据均存在不确定性。

因此，团队提出了一套新方法，即通过一氧化碳的卫星观测浓度进行反演。郑博表示，之所以要基于一氧化碳而非二氧化碳进行监测，是因为二氧化碳的大气背景浓度过高，“当今的全球气候变暖问题，是由过去数百年二氧化碳的排放积累的，这也就存在一个问题——目前的大气中累积了大量的二氧化碳，其背景浓度相对较高。野火燃烧排放的二氧化碳量与大气背景浓度相比较低，较难通过大气中二氧化碳浓度精准监测野火的碳排放情况。”于是，团队转换了一种思路：由于一氧化碳更具大气活性，在大气中的“寿命”相较于二氧化碳要短得多，因此大气背景浓度相对较低，野火排放烟羽能够更为清晰被卫星观测到。郑博表示，燃烧会同时释放一氧化碳和二氧化碳，团队可以通过捕捉观测燃烧后一氧化碳的排放量，由“果”推“因”反演野火燃烧效率水平，间接评估二氧化碳的排放量。

基于大气反演得到的北方野火排放年际和季节变化及与赤道地区野火排放的比较

“这一方法是对当前全球火灾排放清单数据的重要补充校验。”共同通讯作者张强表示，希望这一套新的方法能作为传统碳监测方法的补充，更好地进行二氧化碳排放的定量。郑博强调，不同研究方法的交叉比对，将有效降低碳排放定量数据的不确定性，基于更多方法的开发与综合比较，不断完善提高方法学精度。

在这一新方法的基础上，团队进一步自主研制了全球野火碳排放近实时量化追踪系统，减少野火碳排放监测的滞后性。“比如说，我们2022年初开展这项研究，当时尚未掌握2021全年的全球野火碳排放数据。如果没有一个动态的、实时更新的碳监测与反演系统，很难快速基于卫星数据开展野火排放监测研究。”基于此，团队研发了这一近实时量化追踪系统，反演量化了2000至2021年野火二氧化碳排放的时空格局，系统解析了北半球中高纬地区野火（以下简称“北方野火”）2021年创历史新高排放背后的驱动因素，揭示了气候变暖-野火排放之间的正反馈机制与潜在未来风险。

原本受火灾干扰较少的地带

受野火的影响程度却在“暴涨”？

郑博团队通过利用一氧化碳卫星遥感数据反演全球野火二氧化碳排放的新方法，发现自2000年以来，北方野火二氧化碳排放呈现上升态势，甚至在2021年突破了世纪新高，高达17.6亿吨——这相当于2021年全球野火碳排放总量的23%。郑博强调，这一比例比20年前高出一倍还多，“20年前这一比例通常仅为10%左右”。

郑博表示，以往有关森林野火的研究多侧重于赤道地区，比如亚马逊、非洲等地，因为其有丰富的热带雨林和生物多样性，更容易成为专家学者的研究重点。

然而，研究发现以往受到广泛关注的赤道地区，其野火燃烧及碳排放量却呈现出了下降趋势，年际振幅小于北方野火2021年排放异常高值，2021年排放量与多年平均水平相当。然而，在以往较少发生的高纬度寒带森林，研究团队却发现了野火活动开始“入侵”的明显迹象。“以往北方野火碳排放主要集中于北纬50°到60°之间，而近年来这一增长趋势却在北纬60°到70°的高纬地带更为迅猛。”郑博表示，相较于2000至2020年这20年间的平均值，该区域仅2021这一年的野火碳排放就增加了300%以上。北方野火碳排放的时空分布格局正在产生剧烈变化，北方森林碳汇面临严重威胁。

 相对于2000-2020年均值，2021年北纬50°以北区域大气中CO柱浓度、野火CO2排放及气象参数距平。

“2021年，我们研究发现北方森林火灾在7、8月仅仅两个月的时间里，释放的碳排放量已经与日本全年因人为活动产生的碳排放量相当。”然而，这一现象并非偶然。2021年夏季，加拿大北部森林、俄罗斯西伯利亚森林均“不约而同”地出现了气温偏高、降水偏低、土壤水分亏缺加剧、热浪指数偏高的现象，并且均达到了自2000年以来的极值。

为什么以往受火灾干扰较少的中高纬度地带，受野火的影响却增加了？

研究表明，北半球高纬度地区野火碳排放的增长，主要发生在森林覆盖率较高的地区。北方寒带森林土壤中富含有机碳，当野火发生时，地上的植被和有机土壤同时燃烧，碳释放量巨大。研究还指出，土壤水分亏缺加剧是北方野火燃烧增加的重要驱动力，野火向高纬度寒带森林的扩张与土壤水分亏缺程度的加剧密切相关，2021年的极端干旱与热浪共同助推了这一年的野火燃烧与碳排放打破历史纪录。“加拿大北部与俄罗斯西伯利亚两地同时出现了严重的土壤水分亏缺现象，特别是7至8月份，在大范围空间尺度上累计水分亏缺量均超过了20毫米，这可以说是在北半球中高纬度地带自2000年以来干旱程度最高的情况了。”

2021年北方野火异常碳排放及森林覆盖分布

在北极加速变暖的趋势下，未来北半球高纬度地区的高温热浪和干旱可能会更加频繁地发生。野火发生的频率和强度在未来可能持续增加，释放的二氧化碳则又将进一步推动全球变暖，由此形成气候变暖-野火排放之间的正反馈。

以往高纬度地带受火灾干扰较少，但是目前受野火的影响正在增加，严重威胁北方森林土壤的碳汇功能。团队表示，北极变暖趋势，增加了森林生物量并加剧了土壤水分亏缺程度，伴随着蒸散发增强、空气湿度增大与北极地区雷暴增多，极端野火发生的风险也在不断上升。“比方说，气候变暖导致海水蒸发、海冰减少，使得北极大气湿度升高，闪电雷暴现象会增加。”郑博说，气温的升高会导致高纬度地区的植被生长越来越茂盛，高温热浪又将“燃料”变得异常干燥。同时，降水的减少、土壤水分亏缺，也都不可避免地成为了大自然的“助燃物”。未来，随着全球进一步变暖，这些“助燃物”以及相关风险因素也会逐步增多。因此，通过及时准确追踪量化全球野火排放的时空变化特征，进一步增强各国家和地区应对气候变化能力、及时制定和落实相关政策，具有重要的意义。

环环相扣六年“修炼记”

逐步破解大自然一个个“关卡”

郑博团队今天的研究成果，并非一蹴而就，也不是某一时刻的灵光乍现。在此之前，团队经过六年的沉淀和积累，逐步研发基于卫星遥感的全球野火排放监测与反演技术方法，并不断改进和提升数据精度与准确性。

放眼世界，野火已然成为全球变化及相关环境影响研究的重要议题之一。2017年，郑博团队开展了非洲地区的野火排放研究，开启了团队关于区域性野火及其带来的气候变化问题研究的大门，也是有关野火研究发表的第一篇论文。

基于此，郑博也有了更深一层的思考，“近几年来，美国、澳大利亚以及欧洲等国家地区的极端森林野火现象屡见不鲜。森林野火作为当今重要的全球性气候环境相关议题，我们希望更加聚焦全球性的气候问题研究。”

2019年，研究进一步扩展到了全球范围，发表了第二篇论文分析了全球野火排放的时空格局变化。而在这项研究过程中，郑博团队发现了一个不寻常的现象。

“我们在2020年发现，虽然近年来全球野火的燃烧面积在大幅下降，但是燃烧的排放量却没有下降，这个现象有些违背我们原本的直觉。”郑博表示，野火燃烧的总面积虽在缩小，但每年通过卫星数据遥感监测发现，其燃烧后向大气释放的碳排放量却与过去基本持平，这一现象引起了团队的注意，并且通过构建基于一氧化碳卫星遥感反演野火二氧化碳排放的新技术方法，解析了2000-2019年全球野火二氧化碳排放时空变化趋势及驱动力，结合燃烧面积、土地利用、植被覆盖变化等多源卫星遥感数据，揭示出了这一问题的根源，并于2021年在《科学·进展》（Science Advances）发表了有关野火排放的第三篇论文。

基于卫星遥感反演的近20年全球野火一氧化碳与二氧化碳排放量

研究表明，全球野火燃烧面积的大幅下降现象，主要发生在以草为主导的陆地植被区域。然而，在以树为主导的陆地植被区域内，燃烧面积有增加趋势。虽然，由树主导的陆地植被区域仅占全球野火燃烧面积的5%，却“贡献”了野火二氧化碳排放的近20%。“简单来说，假设一平方公里的草原和一平方公里的树木同时燃烧，树在单位燃烧面积上的生物量和含碳量显然更高。因此，从整体而言，草原的燃烧面积大幅缩小减少的碳排放，与增加的森林野火燃烧排放相互抵消了，这也就使得近20年来全球野火二氧化碳排放量基本持平。”郑博说。与草原生态系统相比，森林生态系统在野火后恢复更慢，森林野火如进一步导致毁林与森林退化等问题，将会对生态系统、陆地生产力和碳汇产生长期不利影响。

北美及欧亚大陆北方森林区域野火CO2排放及与土壤水分亏缺的关联分析

这一研究进展，又带给了郑博团队新的启发和思考：“既然森林野火燃烧面积正在增加，那具体发生在哪里的森林？”这，也就成为了团队后来成功揭示北半球中高纬地区野火碳排放变化及驱动力的开端和“密钥”。“我们本来计划延续第三篇论文的相关工作，探究哪个地区的森林野火燃烧现象增长最快，恰巧碰到2021年夏季北半球中高纬度大气一氧化碳浓度创本世纪新高的异常现象，从而启发了现在的第四篇论文研究。”郑博笑着说。

探索前沿，全球视野

做更多有世界影响力的研究

《科学》期刊在2023年3月2日举行的美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science，AAAS）年会上举办了专题新闻发布会（News Briefings），邀请包括郑博在内的四名论文作者出席，向全球百余名新闻媒体记者介绍该项研究成果的科学意义和价值。

“随着气候变暖的进一步加剧，这颗‘定时炸弹’不知道什么时候可能会爆炸，它的严峻程度不可小觑，这项研究也算是给社会提前敲响警钟，让世界各国更早地采取措施进行风险预测、评估和控制。”团队表示，未来应当加大对北方森林野火发生风险及生态环境影响的关注，建立野火排放动态监测与生态环境影响评估系统，预报野火发生风险、预警野火污染危害、监测野火排放通量、评估火后生态恢复与重建，为制定科学有效的野火管理与调控政策提供支撑。

贺克斌表示，随着“碳中和”政策的实施，由人为因素造成的碳排放，在可预见的未来将得到有效控制，并呈现下降趋势。然而，森林火灾在全球气候变暖的趋势下仍将大量发生，在目前的管理体系下需要更多的关注。

郑博从本科到博士就读于清华大学环境学院，博士期间师从贺克斌院士，贺克斌院士课题组长期聚焦大气成分变化及其环境气候效应问题的研究。郑博说：“2016年到2020年期间，我在法国气候与环境科学实验室做博士后，开始研究一氧化碳的源汇反演，后来逐渐聚焦到野火研究。野火是全球广泛关注的环境问题，我希望从这里入手，进一步拓宽自己的全球视野，聚焦全球领域的环境研究。”

郑博在《科学》期刊举行的美国科学促进会（AAAS）年会专题新闻发布会上受邀介绍成果

郑博还表示，自己于2021年1月加入深圳国际研究生院任教，学院自由开放的学术氛围和对科研资源的大力支持也让他更加充满干劲。接下来，他和团队会继续聚焦基于卫星遥感的全球碳循环监测评估，逐渐向更具综合性、系统性、动态化的方向深入发展，综合评估野火碳循环及其对大气环境与全球气候的影响。

关注气候变化

推动绿色发展

促进人与自然和谐共生

是当今世界广泛关注的议题

也是全球共同的使命和愿景

郑博团队的这项发现

揭示了导致全球气候变暖的因素中

不仅仅“在人”

而也会“由天”

启发了人们在当前“碳中和”目标的实现

与气候政策的制定过程中

应对森林野火现象予以更多重视

这场新时代的蓝天“保卫战”

任何一个细节

都值得探索

任何一个角落

都不容忽视

相关论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0805
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh2646
https://essd.copernicus.org/articles/11/1411/2019/
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018GL079092

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来源 | 深圳国际研究生院

部分资料参考来源 | 中国科学报

文 | 叶思佳

图片 | 郑博

排版 | 常潇予

编辑 | 赵姝婧

审核 | 许亮

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