吉林省森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)劃分1)

王 超 邸雪穎 楊 光

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)始于20世紀(jì)20年代［1］，經(jīng)過近90 a的發(fā)展，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。一些林業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家形成了國(guó)家尺度的林火預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并不斷進(jìn)行完善，如美國(guó)、加拿大、澳大利亞;一些國(guó)家或地區(qū)引進(jìn)或移植發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)系統(tǒng)的模塊或研究思想，也形成了自己的林火預(yù)報(bào)系統(tǒng)，如墨西哥、新西蘭、美國(guó)佛羅里達(dá)。國(guó)內(nèi)林火預(yù)報(bào)研究始于1966年，起步較晚，但取得了一定的成績(jī)。全國(guó)累計(jì)研制了數(shù)十種火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)方法，一些省(自治區(qū))的林火預(yù)報(bào)系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行。然而遺憾的是，林火預(yù)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用還局限在小范圍區(qū)域內(nèi)，在全國(guó)范圍內(nèi)缺乏嘗試，況且目前使用的林火預(yù)報(bào)方法還停留在利用火災(zāi)發(fā)生的歷史數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)之間的單純統(tǒng)計(jì)關(guān)系，而不是基于林火行為的真正意義上的森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)。面對(duì)氣候變暖和嚴(yán)峻的防火形勢(shì)，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，建立國(guó)家尺度的森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)迫在眉睫。加拿大森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)(Canadian Forest Fire Danger Rating System，CFFDRS)中的林火天氣指標(biāo)(Forest Fire Weather Index，F(xiàn)WI)系統(tǒng)是目前世界上發(fā)展最完善，應(yīng)用最廣泛的火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)一方面考慮氣象因子，另一方面考慮森林可燃物狀態(tài)，將氣象因子和可燃物含水率有機(jī)地聯(lián)系，通過天氣條件的變化計(jì)算可燃物含水率的變化，然后再根據(jù)不同大小或位置的可燃物含水率確定潛在火險(xiǎn)等級(jí)［2－3］。早在20世紀(jì)80年代中期，加拿大學(xué)者通過研究認(rèn)為，F(xiàn)WI系統(tǒng)在我國(guó)大興安嶺地區(qū)適用［2］。隨后，許多學(xué)者也研究證明只要對(duì)系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)和技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行一些相應(yīng)的本地修正，F(xiàn)WI系統(tǒng)可以完全在我國(guó)適用［4－5］。因此，筆者借鑒FWI系統(tǒng)，以吉林省為例，對(duì)FWI系統(tǒng)的火險(xiǎn)等級(jí)劃分進(jìn)行研究，以期獲得等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)適用的技術(shù)參數(shù)，為全國(guó)火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)保證和支持。

1 研究區(qū)概況

吉林省是全國(guó)重點(diǎn)林業(yè)省份之一，地處E121°38～131°19、N40°52 ～ 46°18。全省林業(yè)用地面積 928.8 萬 hm2，有林地面積為820.2萬hm2，森林覆蓋率為43.4%，活立木總蓄積8.9億m3［6］。全省具有顯著的溫帶大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)，四季分明，雨熱同季。有明顯的四季更替，春季干燥風(fēng)大，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷漫長(zhǎng)。大部分地區(qū)年平均氣溫為2～6℃，年活動(dòng)積溫在2700～3200℃，全省年降水量一般在400～900 mm，自東部向西部有明顯的濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)和半干旱的差異。全省中部以西無霜期150 d左右，東部山區(qū)130 d左右。每年3—6月份、9—11月份，植物干枯、氣候干燥、風(fēng)速大，是森林火災(zāi)極易發(fā)生的季節(jié)，但近年來吉林省森林資源保護(hù)管理水平不斷提高，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)29 a無重大森林火災(zāi)。森林植物種類十分豐富，針葉林以紅松(Pinus koraiensis Sieb.)、云杉(Picea asperata Mast.)、冷杉(Abies)、黃花松(Larix olgensis Henry)為主，闊葉林以水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)、胡桃楸(Juglans mandshurica Maxim.)、黃波羅(Phellodendron amurense Rupr.)等為最多。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(http://cdc.cma.gov.cn/)。選用吉林省28個(gè)氣象臺(tái)站，其在省內(nèi)分布情況如圖1所示。數(shù)據(jù)包括1996—2008年每日數(shù)據(jù)(日最高氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日降水量)。由于有一些臺(tái)站因降等為一般臺(tái)站等原因?qū)е聰?shù)據(jù)缺失，剔除8個(gè)臺(tái)站，最后采用了20個(gè)臺(tái)站。林火歷史數(shù)據(jù)來自于吉林省森林防火指揮部，主要指標(biāo)包括1996—2008年累計(jì)發(fā)生的702次森林火災(zāi)的發(fā)生時(shí)間、撲滅時(shí)間、著火點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)、過火面積、受害森林面積等。森林火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)的分布如圖2所示。

圖1 吉林省各氣象臺(tái)站站點(diǎn)分布

圖2 1996—2008年上半年吉林省森林火災(zāi)分布

2.2 數(shù)據(jù)處理

利用收集到的吉林省每日氣象數(shù)據(jù)中的日最高氣溫、日相對(duì)濕度、日降水量、日平均風(fēng)速，根據(jù)Van Wagner的FWI系統(tǒng)模型公式［7］編程計(jì)算得出 12 a 來每日的 CFFM、CDM、CD、IIS、IBU、IFW值。FWI系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖3所示。各臺(tái)站初始值設(shè)定為CFFM=85，CDM=15，CD=6。模型的具體計(jì)算方法參見文獻(xiàn)［7］、［8］。計(jì)算系統(tǒng)分級(jí)范圍，將吉林省內(nèi)20個(gè)氣象臺(tái)站1996—2008年火險(xiǎn)期內(nèi)每一天的林火天氣指標(biāo)劃分火險(xiǎn)等級(jí)，并統(tǒng)計(jì)各等級(jí)的頻率。

圖3 FWI系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

對(duì)已收集到的林火歷史數(shù)據(jù)，要通過與其經(jīng)緯度坐標(biāo)最近的氣象臺(tái)站建立聯(lián)系，得到每一次火災(zāi)發(fā)生當(dāng)日的林火天氣指標(biāo)。利用吉林省區(qū)內(nèi)5個(gè)國(guó)際氣象臺(tái)站的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算出1996—2008年每一天的林火天氣指標(biāo)，求出每個(gè)指標(biāo)在每個(gè)月的平均值，計(jì)算各指標(biāo)與林火發(fā)生次數(shù)的相關(guān)系數(shù)。對(duì)應(yīng)林火發(fā)生日的火險(xiǎn)等級(jí)，分析火災(zāi)發(fā)生次數(shù)以及火災(zāi)發(fā)生條件概率和火險(xiǎn)等級(jí)的關(guān)系。

2.3 火險(xiǎn)等級(jí)的劃分方法

在應(yīng)用加拿大林火天氣指標(biāo)系統(tǒng)過程中，計(jì)算IFW值的方法都是相同的，即根據(jù)Van Wagner的FWI系統(tǒng)模型公式計(jì)算得出，但火險(xiǎn)天氣的范圍在不同地區(qū)有所差異，不能在任何地方都沿用加拿大森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)(CFFDRS)，所以給IFW值限定范圍以適合當(dāng)?shù)氐幕痣U(xiǎn)天氣就是FWI系統(tǒng)本地化處理的首要任務(wù)。

這個(gè)火險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)范圍并不是隨便設(shè)定的，太平洋林業(yè)研究中心根據(jù)FWI系統(tǒng)本身的特點(diǎn)制訂了一個(gè)分級(jí)方法，經(jīng)過多年的驗(yàn)證，該分級(jí)方法是最合理可行的。本研究即采用此方法根據(jù)林業(yè)行業(yè)《全國(guó)森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)，合理地將吉林省森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)分為5級(jí)，具體步驟如下:①收集多年的IFW歷史樣本;②根據(jù)當(dāng)?shù)亓只饠?shù)據(jù)，確定每個(gè)季節(jié)極高火險(xiǎn)等級(jí)平均天數(shù)，并設(shè)定一個(gè)極高等級(jí)的最低值;③依照I－等級(jí)的幾何級(jí)數(shù)計(jì)算其它等級(jí)(見公式1)，并用一個(gè)固定比率逐級(jí)賦值。④將I－等級(jí)轉(zhuǎn)換成S－等級(jí)下的IFW值(見公式2)。例如，假設(shè)IFW=30被選定為極高等級(jí)的最低值，用方程1算出I－等級(jí)等于2309，這樣每級(jí)之間的固定比率將是2309的五次方根4.706，如此便得到其它幾級(jí)I－等級(jí)的最低限，再通過公式2轉(zhuǎn)化成S－等級(jí)下的IFW值，從而得出各級(jí)值域［9－10］。為了后面可以利用所有氣象臺(tái)站得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，選用吉林省內(nèi)分布比較均勻的5個(gè)國(guó)際氣象臺(tái)站(包括長(zhǎng)春、臨江、前郭爾羅斯、四平和延吉)的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算出1996—2008年每一天的林火天氣指標(biāo)，將結(jié)果按照IFW值的大小降序排列，取前3%處作為極高火險(xiǎn)等級(jí)的最低值，繼而計(jì)算出各個(gè)等級(jí)分界處的IFW值，獲得吉林省的FWI火險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)范圍。

式中:S表示S－等級(jí)下的IFW值;I表示I－等級(jí)值。

3 結(jié)果分析與驗(yàn)證

3.1 FWI指標(biāo)與林火發(fā)生次數(shù)的關(guān)系

吉林省規(guī)定3—6月份是春防期，9—11月份是秋防期，中間的7、8月份由于降水較多，不易發(fā)生森林火災(zāi)。對(duì)1996—2008年吉林省發(fā)生的林火進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，也能很明顯地反應(yīng)出4、5、10月份是吉林省的火災(zāi)高發(fā)期。表1就是利用5個(gè)國(guó)際臺(tái)站氣象數(shù)據(jù)計(jì)算出1996—2008年每一天的林火天氣指標(biāo)，得到每個(gè)指標(biāo)在每個(gè)月的平均值。計(jì)算得出IFW、CFFM、CDM、IIS和IBU的月平均值與每月林火實(shí)際發(fā)生次數(shù)的相關(guān)系數(shù)在0.05水平上分別是0.73、0.72、0.60、0.87和0.38。雖然達(dá)不到顯著相關(guān)，但I(xiàn)FW、CFFM和IIS這3個(gè)主要指標(biāo)與之相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.7以上，也說明具有較大的相關(guān)性，可見FWI系統(tǒng)中的各項(xiàng)指標(biāo)能夠比較好地反映吉林省火災(zāi)發(fā)生情況。

表1 1996—2008年每月發(fā)生林火次數(shù)及CFFM、IIS、IFW平均值

3.2 FWI分級(jí)范圍

按照研究方法所述計(jì)算得出吉林省林火天氣指標(biāo)的分級(jí)范圍(表2)，將所有吉林省內(nèi)氣象臺(tái)站1996—2008年火險(xiǎn)期內(nèi)每一天林火天氣指標(biāo)分別按照計(jì)算得出的分級(jí)范圍和加拿大森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)(CFFDRS)中的分級(jí)范圍劃分火險(xiǎn)等級(jí)，并統(tǒng)計(jì)各等級(jí)的頻率。兩者相比較，在計(jì)算出的吉林省值域中，低等級(jí)火險(xiǎn)天數(shù)占54.03%，普通等級(jí)天數(shù)占19.24%，高、很高、極高等級(jí)火險(xiǎn)分別占火險(xiǎn)期天數(shù)的14.64%、8.25%、3.83%，比按照CFFDRS值域得出的結(jié)果更符合火險(xiǎn)等級(jí)的一般分布情況，說明按本研究方法得到的分級(jí)范圍應(yīng)用在吉林省更加合理。

表2 FWI各等級(jí)值域及吉林省1996—2008年各等級(jí)頻率

3.3 FWI火險(xiǎn)等級(jí)與林火發(fā)生次數(shù)的關(guān)系

將1996—2008年吉林省林火歷史資料中的日期和地點(diǎn)與氣象數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，得到每次林火發(fā)生當(dāng)日的FWI火險(xiǎn)等級(jí)，按兩種等級(jí)劃分方法對(duì)各等級(jí)發(fā)生林火次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3?？芍幢狙芯糠椒▌澐只痣U(xiǎn)等級(jí)，63.4%的林火是在火險(xiǎn)等級(jí)高以上情況下發(fā)生的，14.1%的林火發(fā)生在火險(xiǎn)等級(jí)低的時(shí)候。按CFFDRS的分級(jí)方法劃分的話，則是56.69%的林火在火險(xiǎn)等級(jí)高以上情況下發(fā)生，18.09%的林火發(fā)生在火險(xiǎn)等級(jí)低的時(shí)候。正常情況下，火險(xiǎn)等級(jí)越高，發(fā)生林火的可能性也就越高，所以兩者相對(duì)比，顯然是研究所得的火險(xiǎn)等級(jí)范圍更加合理。再根據(jù)各等級(jí)林火發(fā)生次數(shù)和實(shí)際各等級(jí)天數(shù)，算出各等級(jí)下發(fā)生林火的條件概率。由表)4可見隨著火險(xiǎn)等級(jí)的升高，發(fā)生林火的概率也隨之增高。以吉林省為一個(gè)整體，如果當(dāng)天全省平均火險(xiǎn)等級(jí)為極高，則在全省的某個(gè)地區(qū)發(fā)生林火的概率高達(dá)50.85%。因此也從另外一個(gè)角度驗(yàn)證了研究得出的火險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)方法是合理可行的。

表3 2種等級(jí)劃分法對(duì)各等級(jí)發(fā)生林火情況統(tǒng)計(jì)

表4 林火發(fā)生條件概率

4 結(jié)論與討論

通過過往實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到IFW值，與林火歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，說明FWI系統(tǒng)能夠比較好地反映出吉林省的林火發(fā)生情況。按研究方法所述得到吉林省火險(xiǎn)天氣等級(jí)分級(jí)范圍，即以 IFW值4.1、8.4、15.2、25.9 為界，將火險(xiǎn)天氣等級(jí)劃分為低、普通、高、很高和極高5個(gè)等級(jí)。通過林火歷史資料的驗(yàn)證和與原系統(tǒng)分級(jí)范圍比較后，用該方法劃分出的火險(xiǎn)等級(jí)能夠更加準(zhǔn)確地描述當(dāng)日林火發(fā)生可能性，此分級(jí)方法在其他地區(qū)應(yīng)用FWI系統(tǒng)時(shí)可推廣采用。

在本研究中也有一些問題值得討論，例如經(jīng)統(tǒng)計(jì)有99次林火發(fā)生在低火險(xiǎn)日，但并不能因此就說這個(gè)分級(jí)方法不準(zhǔn)確。首先，任何火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)都不可能絕對(duì)精確，F(xiàn)WI系統(tǒng)只是通過計(jì)算氣象因子來估計(jì)林火在當(dāng)日發(fā)生的概率。在低火險(xiǎn)日，如果人為失誤或者縱火也可能誘發(fā)森林火災(zāi)，畢竟接近一半的林火是人為因素引起的;而在高火險(xiǎn)日，由于防火工作的重視，反倒不容易發(fā)生。其次，大多數(shù)林火發(fā)生在下午或其他不同時(shí)間，而計(jì)算IFW所用的則是每日中午所測(cè)氣象要素，這也可能導(dǎo)致最終結(jié)果出現(xiàn)小小的誤差。最后，諸如氣象臺(tái)站密度過低而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不夠精確等因素也會(huì)影響到火險(xiǎn)等級(jí)劃分的結(jié)果。因此，在此分級(jí)方法下將系統(tǒng)試運(yùn)行一段時(shí)間，并做一些更加細(xì)致和深入的研究，將FWI的其他指標(biāo)和火險(xiǎn)形勢(shì)、火行為指標(biāo)建立聯(lián)系，將會(huì)使該系統(tǒng)更加適用于吉林省乃至全國(guó)各地的防火工作。

［1］趙鳳君，舒立福，田曉瑞，等.森林火險(xiǎn)中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究進(jìn)展［J］.世界林業(yè)研究，2007，20(2):55－58.

［2］田曉瑞，McRae D J，張有慧.森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)評(píng)述［J］.世界林業(yè)研究，2006，19(2):41－46.

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［6］吉林省林業(yè)廳.吉林省林業(yè)概況(新)［Z/OL］.http://lyt.jl.gov.cn/lygk/200907/t20090731_612063.html.

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