Các nhà khoa học phát triển phương pháp dự báo theo mùa về cháy rừng ở miền Tây Hoa Kỳ – Có thể cải thiện được điều đó?
HT / Willis
Một bài báo mới được xuất bản trên tạp chí Environmental Research Letters sử dụng điều kiện khí hậu trước mùa cháy.
THƯ VIỆN • MỞ TRUY CẬP
Khí hậu mùa đông và mùa xuân giải thích một phần lớn sự thay đổi hàng năm và xu hướng ở khu vực cháy mùa hè miền tây Hoa Kỳ
Ronnie Abolafia-Rosenzweig2,1Cenlin He1 và Fei Chen1
Xuất bản ngày 29 tháng 4 năm 2022 • © 2022 (Các) tác giả. Được xuất bản bởi IOP Publishing Ltd
Thư Nghiên cứu Môi trường, Tập 17, Số 5
Trích dẫn Ronnie Abolafia-Rosenzweig et al 2022 Môi trường. Res. Lett. 17 054030
trừu tượng
Nghiên cứu này dự đoán khu vực bị cháy mùa hè (tháng 6 – tháng 9) trên khắp miền Tây Hoa Kỳ (Hoa Kỳ) từ năm 1984 đến năm 2020 bằng cách sử dụng tập hợp các mô hình thống kê được đào tạo với điều kiện khí hậu trước mùa cháy. Chỉ riêng điều kiện khí hậu mùa đông và mùa xuân đã giải thích tới 53% sự thay đổi hàng năm và 58% xu hướng ngày càng tăng của khu vực bị cháy mùa hè được quan sát, điều này cho thấy rằng điều kiện khí hậu trong các mùa trước là động lực quan trọng dẫn đến những thay đổi trên diện rộng trong hoạt động cháy mùa hè ở miền Tây Hoa Kỳ trong bốn thập kỷ gần đây. Mối quan hệ giữa các điều kiện khí hậu trước đây với khu vực bị đốt cháy vào mùa hè được cho là mạnh nhất so với các khu vực không có rừng và độ cao từ trung bình đến cao (1100–3300 m). Các mô hình thống kê dự đoán khu vực bị cháy mùa hè sử dụng cả điều kiện khí hậu trước và mùa cháy đã cải thiện hiệu suất, giải thích 69% sự thay đổi hàng năm và 83% xu hướng ngày càng tăng của khu vực bị cháy được quan sát. Trong số các yếu tố dự báo khí hậu trước đây, sự thiếu hụt áp suất hơi tính trung bình trong mùa đông và mùa xuân đóng vai trò quan trọng nhất trong việc dự đoán khu vực cháy mùa hè. Khu vực hạn hán tuyết mùa xuân được coi là một yếu tố dự báo tiền đề quan trọng cho khu vực bị cháy mùa hè trên các vùng phụ thuộc vào tuyết trong khung mô hình thống kê phi tuyến tính được sử dụng trong phân tích này. Cụ thể, ký ức về hạn hán tuyết mùa xuân được nhận ra thông qua các dị thường khô hạn trong đất (đất và nhiên liệu) và độ ẩm khí quyển trong mùa hè, tạo điều kiện cho hoạt động của lửa. Nghiên cứu này nhấn mạnh vai trò quan trọng của hạn hán tuyết trong các dự báo theo mùa về khu vực bị cháy mùa hè so với các khu vực có tuyết.
Xuất trích dẫn và tóm tắt BibTeX RIS
Nội dung gốc từ tác phẩm này có thể được sử dụng theo các điều khoản của Giấy phép Creative Commons Attribution 4.0. Bất kỳ sự phân phối nào nữa của tác phẩm này phải duy trì sự ghi nhận tác giả và tên tác phẩm, trích dẫn tạp chí và DOI.
1. Giới thiệu
Kể từ đầu thế kỷ 21, Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu đã dự báo nguy cơ cháy rừng mùa hè ở Bắc Mỹ tăng lên liên quan đến việc giảm lượng băng tuyết và gia tăng khô hạn vào mùa hè do sự nóng lên toàn cầu do con người gây ra. [1, 2]. Dự báo này đúng ở một mức độ lớn ở miền Tây Hoa Kỳ (Hoa Kỳ) vì các quan sát đã cho thấy các xu hướng gia tăng liên tục về nhiệt độ, sự khô cằn và khu vực cháy rừng kể từ giữa những năm 1980 [3–8]. Rõ ràng rằng sự gia tăng hoạt động cháy nổ được quan sát thấy ở miền Tây Hoa Kỳ chủ yếu được giải thích là do các mùa xuân và mùa hè ấm hơn và khô hơn do những thay đổi khí hậu tự nhiên và con người gây ra. [3, 8–11]. Điều này phù hợp với các phân tích về các hồ sơ khí hậu và hỏa hoạn trên toàn cầu cho thấy sự nóng lên nhanh chóng về mặt lịch sử đã đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh hoạt động cháy trên diện rộng trong hai thiên niên kỷ qua. [12, 13]. Các mô phỏng khí hậu xem xét một loạt quỹ đạo nồng độ khí nhà kính đã dự đoán rằng những thay đổi khí hậu đột ngột do con người gây ra có thể sẽ góp phần làm gia tăng thêm nguy cơ hỏa hoạn trong thế kỷ tới ở Mỹ [14, 15]. Dự báo này gây ra những hậu quả nghiêm trọng về mặt xã hội và môi trường vì hỏa hoạn gây ra hàng nghìn ca tử vong do khói thuốc mỗi năm, dự kiến sẽ gia tăng trong suốt thế kỷ này [15, 16]tăng tỷ lệ tử vong do COVID-19 [17]những thay đổi vĩnh viễn đối với hệ sinh thái [18]những thay đổi liên tục đối với luồng phát [19]và các khoản chi tiêu cho đàn áp hàng tỷ đô la (www.nifc.gov/fire-information/stosystem/suppression-costs). Hiểu biết rõ ràng về các mối quan hệ giữa hoạt động cháy và các điều kiện khí hậu dễ bị thay đổi có thể cho phép chuẩn bị tốt hơn cho những hậu quả này thông qua việc thực hiện chính sách và quản lý nhằm giải quyết các mối quan hệ này cũng như các mô hình dự đoán chính xác hơn hoạt động cháy để thông báo cho việc phân bổ nguồn lực.
Kể từ đầu những năm 2000, một bộ phân tích thống kê đã định lượng mối quan hệ giữa hoạt động cháy mùa hè và các điều kiện khí hậu khác nhau ở miền Tây Hoa Kỳ. [3, 5, 9–11, 20–22]. Nhiều mối quan hệ trong số này đã được Littell xem xét et al [23, 24]. Các mô hình thống kê này chủ yếu khác nhau dựa trên các độ phân giải và lĩnh vực không gian và thời gian, độ phức tạp của mô hình và các yếu tố dự báo khí hậu. Tuy nhiên, họ từng ủng hộ rằng hoạt động hỏa hoạn quy mô rộng trên khắp miền Tây nước Mỹ chủ yếu được giải thích là do sự biến động của điều kiện khí hậu trước và mùa cháy kể từ giữa những năm 1980. Ví dụ, Westerling et al [3] kết luận rằng hoạt động cháy rừng ở miền Tây Hoa Kỳ đã tạo ra sự chuyển đổi đột ngột vào giữa những năm 1980 từ những đám cháy rừng không thường xuyên và cháy ngắn sang những đám cháy lâu hơn thường xuyên hơn do các suối nước ấm bất thường và mùa hè dài hơn và khô hơn. Một loạt các nghiên cứu tiếp theo đã chỉ ra rằng sau quá trình chuyển đổi này, phần lớn sự thay đổi hàng năm trong khu vực bị cháy có thể được giải thích bởi điều kiện khí hậu [5, 9, 11].
Phần nội dung trên cung cấp những hiểu biết có giá trị về mối quan hệ giữa biến đổi khí hậu và hỏa hoạn. Tuy nhiên, họ không cung cấp các phân tích chuyên sâu mà chỉ liên quan đến điều kiện khí hậu trước đám cháy với hoạt động cháy mùa hè, rất cần thiết cho các dự báo cháy theo thời gian (ví dụ: theo mùa) [25]. Các nghiên cứu trước đây đã so sánh các điều kiện khí hậu trước đây với khu vực bị cháy trong mùa cháy đã báo cáo mối quan hệ đáng kể giữa khí hậu trước đám cháy và hoạt động cháy, nhưng chưa khám phá toàn diện mức độ thay đổi hoặc xu hướng hàng năm của khu vực bị cháy trong mùa cháy có thể được giải thích bằng cách giải thích trước khí hậu mùa cháy một mình [9, 10, 26–30]. Nhiều nghiên cứu trong số này đã báo cáo những tác động của điều kiện độ ẩm của đất trước đây. Cụ thể, điều kiện ẩm ướt hơn 1-3 năm trước mùa cháy ở các vùng hạn chế nhiên liệu tương ứng với hoạt động cháy lớn hơn và điều kiện trước đó khô hơn trong những tháng trước mùa cháy có xu hướng tạo điều kiện cho các hoạt động cháy nhiều hơn [26–28]. Một nghiên cứu gần đây khám phá mối quan hệ giữa khí hậu trước đây và hoạt động của mùa cháy trong một phân tích đa biến cho thấy các mô hình học máy dự đoán khu vực bị cháy sử dụng cả điều kiện trước đám cháy và mùa cháy tốt hơn các mô hình chỉ sử dụng các điều kiện mùa cháy [20]. Mặc dù nghiên cứu trước đây nhấn mạnh rằng các điều kiện tiền sử chứa thông tin duy nhất để tăng cường khả năng dự đoán hoạt động cháy, nó vẫn chưa thiết lập được mối quan hệ định lượng toàn diện giữa mức độ nghiêm trọng của mùa cháy và khí hậu trước khi cháy. Hơn nữa, những thay đổi hàng năm trong mùa đông và mùa xuân băng tuyết có mối quan hệ quan trọng với hỏa hoạn [3, 10]thúc đẩy giả thuyết của chúng tôi rằng một phần lớn sự thay đổi và xu hướng của khu vực bị cháy vào mùa hè có thể được giải thích bởi điều kiện khí hậu trước khi cháy, với sự đóng góp quan trọng từ điều kiện băng tuyết trước khi cháy ở các khu vực tuyết rơi ở miền tây Hoa Kỳ.
Thật vậy, sự sụt giảm đáng kể do nhiệt độ trong băng tuyết trên khắp miền Tây Hoa Kỳ [31] được coi là mối liên hệ quan trọng giữa xu hướng khí hậu và nguy cơ hỏa hoạn ngày càng tăng [3, 10]. Cụ thể, việc giảm lượng băng tuyết vào mùa đông và mùa xuân (đặc biệt là trong thời gian khô hạn do tuyết) làm tan chảy mùa xuân sớm hơn, tăng nhiệt độ bề mặt và bốc hơi do phản hồi của lớp tuyết và nhanh chóng làm cạn kiệt độ ẩm của thảm thực vật và đất, dẫn đến mùa hè dài hơn và khô hơn [32]. Xu hướng giảm băng tuyết được quan sát trong lịch sử được dự báo sẽ tiếp tục trong phần còn lại của thế kỷ này [33, 34]. Do đó, việc tìm hiểu mối quan hệ giữa hạn hán tuyết và hỏa hoạn đối với các cảnh quan đương đại là cấp thiết để dự đoán những thay đổi của băng tuyết trong tương lai sẽ tác động như thế nào đến hoạt động hỏa hoạn, đặc biệt là ở miền Tây Hoa Kỳ. và điều kiện khí hậu mùa xuân trong việc dự đoán hoạt động cháy mùa hè vẫn chưa được hiểu và đánh giá đầy đủ.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng tập hợp các mô hình thống kê phi tuyến tính để dự đoán khu vực bị cháy vào mùa hè trên khắp miền Tây Hoa Kỳ dựa trên khí hậu trước đám cháy (mùa đông và mùa xuân) bao gồm các điều kiện khô hạn do tuyết. Điểm mới độc đáo của nghiên cứu này là chúng tôi khám phá khả năng dự đoán của khu vực bị cháy với sự kết hợp của các điều kiện khí hậu trước đám cháy và vai trò của tương tác tuyết-hạn hán-hỏa hoạn trong việc điều chỉnh nguy cơ cháy mùa hè. Mục tiêu của nghiên cứu này là trả lời ba câu hỏi khoa học sau đây. (i) Có thể giải thích phần trăm sự thay đổi và xu hướng trong năm của khu vực bị cháy mùa hè chỉ bằng các điều kiện khí hậu trước khi cháy? (ii) Thông tin dự báo nào được chứa trong điều kiện khí hậu mùa hè mà điều kiện khí hậu mùa đông và mùa xuân không được cung cấp? (iii) Việc bao gồm hạn hán tuyết có thể nâng cao khả năng dự đoán của hoạt động cháy mùa hè so với các công cụ dự báo khí hậu truyền thống khác được sử dụng ở mức độ nào? Các mục tiêu bao quát của nghiên cứu này là nâng cao hiểu biết về các mối quan hệ giữa khí hậu và cháy theo mùa, khám phá một phương pháp luận có khả năng dự đoán khu vực cháy trên diện rộng trên khắp miền Tây Hoa Kỳ, và do đó cung cấp thông tin tốt hơn về chính sách và phân bổ nguồn lực.
2. Phương pháp
2.1. Phạm vi nghiên cứu
Miền không gian được xem xét trong nghiên cứu này bao gồm tất cả các khu vực được phân loại bởi các quan sát vệ tinh MODIS [35] như rừng, đồng cỏ hoặc xavan ở miền Tây Hoa Kỳ (phía bắc vĩ độ 32 ° và phía tây kinh độ -104 °) bên dưới các hàng cây điển hình (<3300 m) [36] đã có đủ tuyết rơi vào mùa đông và mùa xuân (lượng tuyết tương đương đỉnh cao (SWE)> 100 mm) (hình 1(một)). Ngưỡng SWE cao nhất được áp dụng để giới hạn phạm vi nghiên cứu đối với các khu vực có khả năng bị ảnh hưởng bởi hạn hán tuyết sau Livneh và Badger [33] hỗ trợ đánh giá tầm quan trọng của hạn hán tuyết mùa xuân như là một yếu tố dự báo hoạt động cháy mùa hè. Các kết quả và kết luận chính được trình bày ở đây là không nhạy cảm về mặt định tính đối với việc lựa chọn ngưỡng SWE đỉnh này (xem phân tích độ nhạy trong các hình S1 – S3 có sẵn trực tuyến tại stacks.iop.org/ERL/17/054030/mmedia). Việc kiểm tra độ cao và thảm thực vật trước đó được thực hiện để giới hạn miền trong các khu vực dễ bị cháy, giúp giảm 8% diện tích miền trong khi vẫn giữ lại 99% diện tích bị cháy so với tất cả các khu vực đáp ứng ngưỡng SWE cao nhất. Sau khi áp dụng sàng lọc không gian nói trên, vùng nghiên cứu có 43% diện tích đất và 61% diện tích bị đốt cháy trong giai đoạn 1984–2020 so với toàn bộ miền tây Hoa Kỳ (hình 1(một)). Sự biến thiên theo năm tháng của khu vực bị cháy đối với miền nghiên cứu là đại diện cho khu vực bị cháy trên toàn bộ miền Tây Hoa Kỳ, được chỉ ra bởi một mối tương quan rất cao (r = 0,97) giữa khu vực bị cháy do hỏa hoạn trên toàn bộ miền nghiên cứu và toàn bộ miền tây Hoa Kỳ (hình 1(c)). Chúng tôi chọn các tháng mùa hè (tháng 6 – tháng 9) làm mùa cháy trong phân tích này, chiếm 94% tổng diện tích bị cháy trong phạm vi nghiên cứu (hình 1(b)). Hình S10 cho thấy việc bao gồm tháng 5 trong các tháng mùa hè (tức là tháng 5 – tháng 9) không ảnh hưởng đến các mối quan hệ định tính giữa khí hậu trước mùa hè và khu vực bị cháy mùa hè được trình bày ở đây. Lưu ý rằng miền đã trải qua xu hướng ngày càng tăng về diện tích bị đốt cháy hàng năm từ năm 1984 đến năm 2020 cho mỗi tháng dương lịch (hình S4 và bảng S1).
Hình 1. Nghiên cứu chi tiết miền. (a) Các vùng bóng mờ màu trắng đại diện cho vùng ảnh hưởng của tuyết được sử dụng để phân tích. Độ phân giải 500 m được quan sát thấy các phân đoạn bị đốt cháy từ năm 1984 đến năm 2020 (có sắc thái từ vàng đến đỏ) là quá mức. (b) Biểu đồ hình hộp và râu ria của diện tích bị cháy theo tháng cho thấy rằng 94% diện tích bị cháy từ năm 1984 đến năm 2020 đã xảy ra trong các tháng mùa hè. Sự thay đổi trong các ô hộp là do sự lan rộng của khu vực bị đốt cháy trong các năm khác nhau và chiều dài râu tương đương với phạm vi giữa các phần. Các giá trị ngoại lai được vẽ bằng dấu ‘+’ màu đỏ. (c) Biểu đồ phân tán của khu vực bị cháy mùa hè cho miền nghiên cứu được thể hiện trong (a) (trục hoành) và toàn bộ miền Tây Hoa Kỳ (trục tung) trong giai đoạn 1984–2020 cho thấy rằng sự biến thiên theo năm tháng của khu vực bị cháy mùa hè trong miền nghiên cứu là đại diện cho toàn bộ miền tây Hoa Kỳ
Tải xuống hình:
Bạn có thể đọc toàn bộ bài báo truy cập mở tại đây.
Có liên quan
