PNAS最新研究揭示野火破坏性增强的双重驱动机制！暴露增长叠加建筑损毁率上升！

2025-12-30

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基本信息

标题

Rising rates of wildfire building destruction in the conterminous United States
美国本土连续体中野火建筑损毁率的上升

发表时间

2025-12-15

作者

Amanda R. Carlsona,1 , Todd J. Hawbakera , Miranda H. Mockrinb, Volker C. Radeloffc , Lucas S. Baird , Michael D. Caggianoe, James R. Meldrumf , Patricia M. Alexandreg , H. Anu Kramerc , Paul F. Stebleinh

作者机构

a 美国地质调查局地球科学与环境变化科学中心，科罗拉多州丹佛市 80225
b 美国农业部林务局北方研究站，马里兰州巴尔的摩市 21228
c 威斯康星大学麦迪逊分校森林与野生动物生态学系，威斯康星州麦迪逊市 53706
d 美国地质调查局西南生物科学中心，亚利桑那州弗拉格斯塔夫市 86001
e 美国农业部林务局落基山地区，科罗拉多州柯林斯堡 80526
f 美国地质调查局柯林斯堡科学中心，科罗拉多州柯林斯堡 80526
g 威斯康星州戴恩县土地与水资源部土地保护处，威斯康星州麦迪逊市 53718
h 美国地质调查局生态系统任务处，弗吉尼亚州雷斯顿 20192

期刊

PNAS

DOI

10.1073/pnas.2505886122

摘要

全球许多地区高度破坏性的野火发生频率日益增加，这由已充分记录的过火面积扩大以及野生—城市交界带（WUI）住房增长所驱动，后者使更多住宅暴露于火灾之中。然而，尚不清楚野火是否也因野火行为变化或暴露社区开发模式变化而变得更具破坏性。本文评估了2002至2022年间美国本土连续体中野火建筑暴露与损毁率的趋势。我们绘制了所有损毁10座及以上建筑的野火（n = 362）周边100米内损毁及幸存建筑的位置，并依据主要生态区和植被类型评估趋势。我们采用逻辑回归分析损毁率与景观因子之间的关系。我们发现，2002–2012年间暴露建筑中约10%被损毁，而该比例在2013–2022年间升至32%。这一增长主要源于美国西北部常绿林中建筑暴露量的增加，在该区域，暴露建筑被损毁的可能性是草原与灌木林中暴露建筑的3.4倍以上。然而，其他各类植被类型中的年度损毁率亦显著上升，并与开发类型、天气及火烧烈度相关。这些结果表明，美国野火破坏力的增强不仅源于暴露量增加，更源于建筑损毁率的上升，可能反映出野火行为愈发极端。这一发现凸显出亟需深入理解燃料管理、社区规划及建筑加固等措施如何降低脆弱性。

导读

该研究分析2002—2022年美国野火建筑破坏趋势，发现破坏率从10%升至32%，不仅因暴露建筑增多，更因火灾行为加剧。森林地区破坏率显著更高，但草地与灌木地破坏率亦明显上升，受植被类型、天气与开发模式影响，提示需差异化风险管理。

引言

研究背景

全球多地高频发生高破坏性野火，造成巨大经济损失、保险危机、社区瓦解及长期公共健康影响；美国本土自2010–2023年已有超5.9万栋建筑被毁，2015年以来全球野火致损达1360亿美元。这一趋势由过火面积扩大与野生—城市交界带（WUI）住宅持续增长共同驱动，使更多房屋暴露于火灾威胁之下。

科学问题与动机

尽管已知野火暴露量上升，但尚不清楚野火本身是否正变得更具破坏性——即在相同暴露条件下，建筑物被摧毁的比例是否升高；该问题关乎灾害成因判断：究竟是火行为加剧（如蔓延加速、强度提升）、扑救效能下降，还是暴露社区脆弱性变化所致。

现有研究不足

现有研究多聚焦于野火发生概率或WUI中易损房屋数量的增加，而对“单位暴露建筑的摧毁率”这一关键指标的长期趋势及其驱动机制缺乏系统评估；尤其缺乏跨植被类型、跨生态区、整合景观因子（如植被覆盖、开发模式、气象、火烧烈度）的定量归因分析。

研究目标与创新

本研究旨在量化2002–2022年美国本土建筑暴露率与摧毁率的时空变化，并识别其主导驱动因素。 创新点在于：首次揭示摧毁率整体增长三倍（10.1%→31.9%），证实破坏性增强不仅源于暴露增加，更反映野火行为趋强；发现摧毁率上升具有生态异质性——虽主因是针叶林暴露增加，但在草原/灌丛等非森林生态系统中摧毁率亦显著上升，表明需差异化管理策略；通过多因子逻辑回归建模，量化了植被类型、火险气象（ERC）、WUI类型等关键变量的独立贡献，为精准风险治理提供实证依据。

方法

数据来源与类型

本研究基于2002–2022年美国本土362起破坏性野火事件（≥10栋建筑被毁），通过高分辨率航空和卫星影像手动识别每栋建筑的损毁状态。数据包括73,534栋被毁建筑和170万栋幸存建筑，均位于野火边界100米内或2.4公里范围内（考虑飞火传播距离）。建筑位置来自多源影像，植被类型采用NLCD年度产品分类，WUI类型依据USDA森林服务局定义，空间分析使用30米DEM和MTBS燃烧严重度图。

核心方法或技术

采用逻辑回归模型评估建筑损毁率与景观因子的关系，响应变量为建筑集群（≤1 km）的损毁概率，权重为暴露建筑数量。关键预测变量包括：植被覆盖比例（森林、灌木草地等）、能量释放成分（ERC，衡量燃料湿度）、WUI类型、最大风速、建筑密度、高严重度燃烧区距离及火灾规模。模型在测试集上表现良好（伪R²=0.67），并引入生态区作为斜率交互项以捕捉区域差异。

研究过程或实验步骤

首先筛选出≥10栋建筑损毁的野火事件，人工标注建筑损毁状态；其次定义“直接暴露”建筑为火线内或100米缓冲区内，确保一致性；然后基于空间自相关分析（>1 km后相关性<0.05）将建筑聚类为≤1 km的单元；接着提取各簇的植被、WUI、气象、地形等特征；最后构建加权逻辑回归模型，逐个加入变量进行逐步前向选择，最终保留解释80%偏差的最优模型，并通过留一法验证趋势稳健性。

方法创新点或亮点

提出一种基于建筑集群的损毁率建模框架，结合空间聚类与加权逻辑回归，有效处理了建筑损毁的空间结构特性（如邻里效应），同时控制了多尺度变量（植被、气候、开发模式）。该方法首次系统量化了不同植被类型下建筑损毁率的动态变化，揭示了除暴露增加外，损毁率本身上升是火灾破坏加剧的关键因素，为风险管理提供新视角。

结果

全美野火建筑损毁率翻三倍

2002–2012年间，暴露于破坏性野火（单次损毁≥10栋建筑）的建筑中，平均10.1%被损毁；2013–2022年间该比例升至31.9%，增幅超三倍。同期年均损毁建筑数从905栋增至6,239栋（±6,974），年均暴露建筑数虽呈弱上升趋势（517栋/年，P=0.085），但年均损毁建筑数显著增加（208栋/年，P=0.009），表明损毁率提升并非仅由暴露量增长驱动，而是单位暴露建筑的实际损毁概率系统性升高。

针叶林暴露量激增主导全国损毁率上升

2002–2022年，西部森林生态区建筑暴露量年均增长25.1%（P=0.025），远高于其他区域；该区损毁率（45.7%）亦为全美最高。针叶林植被类型下建筑损毁率达33.6%±15.4%，是草原/灌木林（16.6%±9.2%）的3.4倍；2013–2022年暴露建筑中针叶林占比从11.3%跃升至33.2%，损毁建筑中针叶林占比亦从29.3%升至50.1%，成为全国损毁率上升的主要结构性动因。

草原与灌木林等非森林植被损毁率同步显著上升

尽管草原/灌木林损毁率（16.6%）最低，但其年损毁率趋势显著上升（优势比1.010–1.013/年）；落叶/混交林损毁率趋势上升更明显（1.022–1.036/年）。在地中海加州、西部沙漠及大平原生态区，损毁率均呈显著上升趋势（P<0.05），且该上升独立于针叶林暴露量变化，与能量释放组分（ERC）升高、界面型城乡交界带（interface WUI）占比下降等因子相关。

结论

野火建筑损毁率上升反映极端野火行为加剧

美国本土连续二十年数据显示，暴露于野火的建筑物中被损毁的比例从2002–2012年的10.1%升至2013–2022年的31.9%，增幅超三倍。该趋势不仅源于建筑暴露量增加，更关键的是单位暴露建筑的损毁概率显著升高，尤其在非森林植被类型中亦同步上升，表明野火本身正表现出更强的破坏性行为，如更快蔓延速度、更高强度及更多飞火产生，这与气候驱动的燃料干燥度上升（ERC增高）和极端天气频发密切相关，凸显野火风险已超越单纯空间暴露问题。

森林暴露增长是损毁率上升的主因，但风险格局正多元化扩展

西北部常绿森林建筑暴露量年均增长25.1%，且其损毁概率达草原灌丛的3.4倍，构成全国损毁率上升的主要驱动力。然而，草原灌丛仍占全部暴露建筑的六成以上，且其损毁率呈现显著上升趋势；落叶混交林与湿地等其他植被类型损毁率亦持续增长。这表明风险正从传统高危森林区向更广域、更多样化的生态系统扩散，单一依赖森林燃料管理的策略难以覆盖全域风险演化特征。

社区形态与开发类型深刻影响损毁概率，需差异化韧性建设路径

研究发现界面型城乡交错带（interface WUI）比例下降与损毁率上升显著相关，而低密度荒野区暴露增加则推高风险，反映出低密度社区因可达性差、扑救优先级低及可燃物缓冲空间更大，更易遭受高损毁。同时，高密度社区在强风与人为引火叠加下亦面临“住宅间蔓延”式灾难风险。因此，减灾不能仅靠燃料处理，还需结合住宅加固、可燃物清理、电力设施改造及新建选址管控等多维度社区韧性建设。