云南省森林火險氣象等級區(qū)劃研究

魯韋坤，李湘，余凌翔，戴叢蕊，徐虹

(1.云南省氣候中心，云南昆明650034;2.云南省氣象臺，云南昆明650034)

0 引言

森林火險區(qū)劃是森林防火管理工作的主要依據(jù)(姚樹人和文定元，2002)，各國都非常注重森林火險區(qū)劃，根據(jù)各地的特點提出了不同的規(guī)劃方法。20世紀(jì)40年代前蘇聯(lián)在其歐洲部分按照火災(zāi)季節(jié)隨緯度的變化劃分為3個火災(zāi)帶。50年代，前蘇聯(lián)的科學(xué)家梅列藿夫?qū)⑹澜鐒澐譃?個火災(zāi)帶。70年代美國在其南方林區(qū)，以縣為單位，按火源出現(xiàn)等級劃分了7個等級(鄭煥能，1993)。80年代末，Emilio and Russel(1989)應(yīng)用遙感和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)等先進(jìn)技術(shù)手段，開辟了新的森林火險區(qū)劃的方法。我國的森林火險區(qū)工作始于50年代，前期主要是參照前蘇聯(lián)的方法。80年代以后，我國的學(xué)者對森林火險區(qū)劃方法開展了大量研究工作(孔繁良，1989;鄭煥能，1993;張景群，1994a)。國家林業(yè)部于1992年發(fā)布《全國森林火險區(qū)劃等級》(中華人民共和國林業(yè)部，1992)。張景群(l994b)研究發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)僅適應(yīng)于省級以上森林火險區(qū)劃。高兆蔚(1995)指出省級森林防火區(qū)劃應(yīng)主要依據(jù)緯度地帶性引起的水熱條件差異和經(jīng)度地帶性的地段類型組合引起干濕條件差異。隨著技術(shù)手段和林火區(qū)劃理論的發(fā)展，2000年后，RS和GIS等技術(shù)手段在我國的林火區(qū)劃中得到了廣泛應(yīng)用(唐季林，1996;張貴等，2003;尹海偉等，2005;劉祖軍等，2008)，區(qū)劃因子多從以下幾方面考慮:樹種燃燒類型、林木蓄積量、氣象因素、地形特點、人口密度、路網(wǎng)密度、林火頻次等。

云南省森林覆蓋率在全國名列前茅，同時也是林火多發(fā)的省份.由于云南氣候類型復(fù)雜多樣，垂直氣候明顯，不同地區(qū)在不同月份林火發(fā)生率差異顯著。本文側(cè)重氣象方面的森林火險等級區(qū)劃和分月格點化區(qū)劃方法。目的在于通過不同月份各地森林火險氣象區(qū)劃等級，給相關(guān)部門在林火管理和資源配置等方面給予指導(dǎo)，以減少林火發(fā)生率和在林火發(fā)生后能有效利用之前所配置的資源。

1 資料與方法

1.1 森林火險因子選擇

根據(jù)《全國森林火險區(qū)劃等級》標(biāo)準(zhǔn)(中華人民共和國林業(yè)部，1992)，與森林火險相關(guān)的因素有:樹種(組)燃燒類型、防火期平均降水量、平均氣溫、平均風(fēng)速、農(nóng)業(yè)人口密度和路網(wǎng)密度。在本研究中，由于農(nóng)業(yè)人口數(shù)據(jù)和路網(wǎng)密度數(shù)據(jù)難于獲取，考慮到本次區(qū)劃為森林火險的氣象等級區(qū)劃，本文選取防火期多年月平均的降水量、均氣溫、風(fēng)速、蒸發(fā)量和相對濕度，以及樹種(組)燃燒類型6個要素作為火險區(qū)劃因子，以林火頻次作為驗證因子。

1.2 火險因子標(biāo)準(zhǔn)化處理

1.2.1 防火期平均降水量、平均氣溫處理

推算方法為:利用1979—2000年的云南省126個地面站的觀測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計模型、殘差訂正和空間插值手段方法，對降水量、溫度與經(jīng)緯度，海拔高度進(jìn)行曲線擬合(Hutchinson，1995;Goovaerts，2000;林忠輝和莫興國，2002;Marquínez et al.，2003;楊昌軍等，2004;何紅艷等，2005;Lioyd，2005;馬軒龍等，2008)，該統(tǒng)計關(guān)系模型通過0.01或0.001信度的

顯著性檢驗，根據(jù)推算結(jié)果驗證，各月平均氣溫的絕對誤差小于0.5℃，各月降水量相對誤差小于12%。其中多年各月平均降水量的擬合公式為:

多年各月平均溫度的擬合公式為:

式中:R為防火期內(nèi)各月平均降水量;T為各月平均溫度;a、b、c、d、e為系數(shù)，不同月份參數(shù)各異;φ為緯度;λ為經(jīng)度;h為高度。在ARCGIS平臺下，計算全省防火期內(nèi)的降水量和溫度柵格，以4月為例，降雨量和溫度等級的分布情況如圖1所示，等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 降水量和溫度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Division standards of precipitation and temperature

1.2.2 防火期平均風(fēng)速，蒸發(fā)量，相對濕度處理

云南地形的復(fù)雜性和受多個系統(tǒng)影響，建立全省范圍內(nèi)的平均風(fēng)速、蒸發(fā)量和相對濕度的推算公式相當(dāng)困難，利用1979—2000年的云南省126個地面站的觀測數(shù)據(jù)，究通過插值誤差對比(李軍龍等，2006;曹雯和申雙和，2008)，選擇Spline作為插值方法，插值類型為Tension，獲取全省范圍內(nèi)的多年月平均風(fēng)速、蒸發(fā)量和相對濕度柵格圖，以4月為例，多年月平均蒸發(fā)量和相對濕度插值結(jié)果見圖2。多年月平均風(fēng)速、蒸發(fā)量和相對濕度等級劃分見表2。

表2 多年月平均風(fēng)速、蒸發(fā)量和相對濕度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Division standards of average wind speed，evaporation and relative humidity

1.2.3 樹種(組)燃燒類型和土地利用綜合處理

云南省樹種(組)類型復(fù)雜多樣，本文應(yīng)用《云南植被》(吳征鎰和朱彥丕，1987)的樹種(組)專題圖(圖3)和1:25萬土地利用專題圖，參考《全國森林火險區(qū)劃等級》(中華人民共和國林業(yè)部，1992)，按照每種樹種的組成和樹種的可燃性，將其劃分為5個等級(表3);然后再將土地利用圖中不同類型劃分為5個等級(表4);兩圖相乘后的值域范圍為1～25，以間隔5進(jìn)行分級，得到云南省樹種(組)分布圖和土地利用綜合圖(圖4)。

圖1 云南省4月降雨量(a)和溫度(b)火險等級分布Fig.1 Fire risk levels of(a)precipitation and(b)temperature in April in Yunnan

圖2 云南省4月蒸發(fā)量(a)和相對濕度(b)火險等級分布Fig.2 Fire levels of(a)evaporation and(b)relative humidity in April in Yunnan

1.3 森林火險氣象等級計算

6個火險因子中，各因子重要性有所不同，而且各因子之間相互制約，相互影響。利用ARCGIS的柵格計算功能，通過多次試驗并與多年云南防火期內(nèi)森林火險氣象等級預(yù)報結(jié)果進(jìn)行對比，最終確定各因子合適的權(quán)重值，各月的森林火險氣象等級計算公式如下:

圖3 云南省樹種(組)分布Fig.3 Forest species distribution in Yunnan

表3 云南省樹種(組)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Division standards of forest species in Yunnan

表4 云南省土地利用類型等級劃分Table 4 Division standards of land use in Yunnan

圖4 樹種和土地利用綜合等級分布Fig.4 Comprehensive ranked distribution of forest species and land use

森林火險氣象等級指數(shù)=［樹種(組)燃燒類型］×1.0+［平均降水量］×1.8+［平均氣溫］×1.6+［平均風(fēng)速］×1.4+［相對濕度］×1.3+［蒸發(fā)量］×1.3。

計算出的森林火險氣象等級指數(shù)范圍在10～40之間，結(jié)合以往云南各月森林火險氣象等級情況和《森林火險氣象等級》標(biāo)準(zhǔn)，將該指數(shù)做如下等級劃分(表5)。

表5 森林火險氣象等級指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Level division standard of meteorological forest fire index in Yunnan Province

2 結(jié)果分析

2.1 區(qū)劃結(jié)果概況

對照各月的森林火險氣象等級區(qū)劃(圖5)，云南省森林火險趨勢為3月＞4月＞2月＞1月＞5月＞12月。昭通北部經(jīng)常受冷空氣影響，怒江、迪慶北部有雙汛期;云南南部主要樹種為常綠闊葉林，因而這些地區(qū)的火險等級較其他地區(qū)偏低。麗江，大理，楚雄歷來都是云南的老旱區(qū)，防火期內(nèi)較其他地區(qū)都偏高。

12月—次年5月森林火險氣象等級的趨勢呈現(xiàn)較好的發(fā)展規(guī)律，4—5月森林火險氣象等級變化較大，是因為正常情況下，5月末全省除麗江，楚雄北部，大理東部外，其他地區(qū)已經(jīng)進(jìn)入雨季，降水的顯著增多導(dǎo)致森林火險氣象等級迅速下降。

2.2 各月區(qū)劃結(jié)果分析

12月為雨季剛剛結(jié)束，全省除迪慶、麗江、大理、楚雄和曲靖等部分地區(qū)為3級外，其他地區(qū)為1～2級。隨著雨季結(jié)束的推延，1月晴天增多，林下可然物水分降低，全省2～3級區(qū)域明顯擴(kuò)大，1級區(qū)明顯縮小，麗江中部地區(qū)出現(xiàn)4級。2月與1月相比，4級區(qū)域明顯擴(kuò)大。進(jìn)入3月，隨著天氣的回暖，降水稀少，火險等級持續(xù)升高，大部地區(qū)為3～4級，部分地區(qū)出現(xiàn)5級，4級和3級區(qū)域較3月明顯增加。4月全省仍以3～4級為主，5級和4級區(qū)域略有縮小。5月，雨季來的早的年份，云南大部分地區(qū)即進(jìn)入雨季，落葉樹種開始反青，全省大部分地區(qū)由3～4級降為2～3級，全省南部1級區(qū)域明顯擴(kuò)大，3～4級區(qū)域主要分布在大理、麗江和楚雄。

2.3 區(qū)劃結(jié)果可信度分析

根據(jù)1997—2006年云南省林業(yè)部門各縣統(tǒng)計的3 900多起較大林火，將各縣區(qū)林火發(fā)生次數(shù)柱狀圖(圖6)與各月區(qū)劃的結(jié)果進(jìn)行對比，大部分地區(qū)呈現(xiàn)出較好的對應(yīng)關(guān)系，但由于本研究側(cè)重的是森林火險氣象等級區(qū)劃，在所選的指標(biāo)中未考慮農(nóng)事用火、林火管理制度、路網(wǎng)密度等因素，導(dǎo)致部分地區(qū)出現(xiàn)差異較大的情況，如由于普洱南部在3—5月農(nóng)事用火(非氣象因子)偏多，致使該地區(qū)因農(nóng)事用火不慎引發(fā)林火偏多;楚雄中部、昆明中部和玉溪東部社會經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，道路交通設(shè)施和林火管理和防范制度較好，一些林火在發(fā)生初期就被撲滅，因此未進(jìn)入統(tǒng)計數(shù)據(jù)，導(dǎo)致這些地區(qū)的林火發(fā)生頻次偏低。因此在驗證區(qū)劃結(jié)果時可選擇衛(wèi)星熱點監(jiān)測結(jié)果則更為客觀。

3 結(jié)論與討論

采用的分月區(qū)劃方法，從時間上細(xì)化了區(qū)劃結(jié)果，在實際應(yīng)用中更具指導(dǎo)意義。在火險因子選擇上，充分利用歷史氣象觀測數(shù)據(jù)，新增蒸發(fā)量，相對濕度等火險因子，與常規(guī)森林火險區(qū)劃相比，該方法更突出氣象要素變化對火險等級的影響。

將降雨量、溫度、相對濕度、蒸發(fā)量通過統(tǒng)計模型、殘差訂正和空間插值的方法精確到每個網(wǎng)格，通過樹種(組)分布和土地利用綜合圖區(qū)分不同下墊面差異，從空間上細(xì)化了區(qū)劃結(jié)果，突破了以縣鄉(xiāng)為單位的分析方法。從區(qū)劃結(jié)果來看，通過對照歷史林火統(tǒng)計結(jié)果，該結(jié)果較準(zhǔn)確的反映了云南省在防火期不同月份的森林火險氣象等級分布規(guī)律，具有較高的實用價值。

圖6 1997—2006年各縣區(qū)12月至次年5月林火發(fā)生次數(shù)柱狀圖Fig.6 The number of forest fires in different counties from December to May from 1997—2006

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