閩北林區(qū)森林火險(xiǎn)等級中期預(yù)測方法

邱泉成，曹李興，曹頂富，鄭清明

（1福建省順昌縣氣象局，福建 順昌 353200；2福建省建甌市氣象局，福建 建甌 353100）

順昌縣位于福建省閩北林區(qū)腹地，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 117°30′～118°14′, 北緯 26°39′～27°12′，屬于亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，雨量充沛，干季濕季分明，森林資源豐富，森林覆蓋率達(dá)73.4%，森林火災(zāi)每年都有發(fā)生。森林火災(zāi)是危害森林資源的大敵，被認(rèn)為是當(dāng)今世界最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，能夠在較短的時間內(nèi)使大片森林化為灰燼。森林火災(zāi)發(fā)生后森林更新周期長，其損失難以估量。閩北山區(qū)森林資源存在著火災(zāi)隱患的嚴(yán)重威脅，是危害森林資源的突出問題之一。森林火災(zāi)的發(fā)生和蔓延與氣象因子相關(guān)聯(lián)，這是森林火災(zāi)發(fā)生中的一個事實(shí)。但森林著火度與怎樣的氣象因子關(guān)系密切，氣象因子達(dá)到怎樣的指標(biāo)森林火險(xiǎn)天氣等級高，從而容易著火，是值得長期關(guān)注和研究的問題。從本質(zhì)上說，任何植物性的材料都是可燃的，但在實(shí)踐中由于天氣情況的差異，造成森林著火性和燃燒性有較大的區(qū)別。因此，研究森林火災(zāi)發(fā)生規(guī)律與氣象條件的關(guān)系，找出氣象因子對森林著火性的影響，建立山區(qū)森林火險(xiǎn)等級中期預(yù)測方法[1～5]，并對林區(qū)作出森林火險(xiǎn)等級中期預(yù)報(bào)，為林區(qū)農(nóng)業(yè)氣象防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)，有實(shí)際應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 資料

森林火災(zāi)資料，由順昌縣森林防火指揮部提供的1983-2009年的林火資料；氣象資料，順昌縣氣象局提供的1983-2009年逐日有關(guān)氣象監(jiān)測資料。

1.2 森林火災(zāi)分布特征

森林火災(zāi)發(fā)生與地表植被物的水分有密切關(guān)系，地表濕潤程度與年內(nèi)降水量的氣候分布有關(guān)，每年9月至翌年4月主要受西北干季風(fēng)的影響，空氣干燥，濕度小、蒸發(fā)大、降水少、月平均降水量84 mm，11月至翌年2月是冬干季明顯季節(jié)，月平均降水量45 mm，且分布不均，常常是整個月無降水，甚至更長時間，這一時期大部分植物停止生長，進(jìn)入休眠期，若遇連續(xù)干旱植物體內(nèi)含水率低，地表植被物干燥，容易發(fā)生森林火災(zāi)。通過1983-2009年順昌縣森林火災(zāi)資料統(tǒng)計(jì)分析，在此期間發(fā)生森林火災(zāi)的有262天，363起，其中1～4月和9～12月發(fā)生森林火災(zāi)的有242天，343起，分別占林火總天數(shù)和總次數(shù)的92.4%和94.5%。5～8月主要受西南暖濕氣流影響，月平均降水量213 mm，地表植被物濕潤，同時植物處在旺盛生長時期，植物體內(nèi)含水率高，不易引起森林火災(zāi)。1983-2009年5～8月僅發(fā)生森林火災(zāi)的有20天20起，分別占林火總天數(shù)和總次數(shù)的7.6%和5.5%，其中5月2天2起，6月未發(fā)生過森林火災(zāi)，7月6天6起，8月12次火災(zāi)中有3次是發(fā)生在2003年8月大干旱期間，另外有3次是雷擊火,2次是電線起火。因此，我們將每年9月到次年4月定為本縣森林防火期。在防火期內(nèi)大部分森林火災(zāi)又發(fā)生在11月到次年3月，1983-2009年1～3月和11～12月發(fā)生林火的有202天，301起，分別占森林防火期天數(shù)和次數(shù)的83.5%和86.9%。這主要與冬季植被干燥，農(nóng)業(yè)開墾種植，人類活動頻繁有密切關(guān)系。為此，將11月到翌年3月定為本縣重點(diǎn)森林防火期，這與本縣氣候區(qū)分中的秋冬干季相吻合。

1.3 森林火災(zāi)發(fā)生與氣象條件關(guān)系

通過楊美和等的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)的發(fā)生，與當(dāng)?shù)禺?dāng)日氣象因子呈非線性相關(guān)關(guān)系[6]。其中降水量、相對濕度與著火危險(xiǎn)度呈指數(shù)函數(shù)遞減。蒸發(fā)量、氣溫日較差與著火危險(xiǎn)度呈冪函數(shù)遞增。我們對1983-2008年1～4月和9～12月森林防火期內(nèi)森林火災(zāi)發(fā)生的數(shù)據(jù)，選取相對應(yīng)的相關(guān)較好的氣象因子降水量、相對濕度、氣溫日較差、蒸發(fā)量進(jìn)行平行分析，采用氣象資料6299天，森林火災(zāi)242天，343起的大樣本資料研究我縣森林火災(zāi)與氣象因子間的關(guān)系，結(jié)果表明森林火災(zāi)發(fā)生的頻率與連續(xù)無降水日數(shù)、14時相對濕度、日蒸發(fā)量、氣溫日較差關(guān)系密切。

風(fēng)向風(fēng)速與森林火災(zāi)的發(fā)生關(guān)系不十分密切，但對火災(zāi)的蔓延有著密切的關(guān)系。風(fēng)能加速可燃物的水分蒸發(fā)，使其干燥，又可使空氣流通加快，補(bǔ)充火場氧氣使火燒得更旺，對火勢蔓延速度加快，使地面火變?yōu)闃涔诨穑袝r還可使隱火復(fù)燃成明火。

1.4 森林火險(xiǎn)等級的計(jì)算

據(jù)李兆明等研制森林火險(xiǎn)天氣的數(shù)學(xué)模式[7]，對降水量級編碼、14時相對濕度、日蒸發(fā)量、氣溫日較差進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析（表1）。

從表1可知，我縣森林火災(zāi)的發(fā)生與降水量級編碼、14時相對濕度、氣溫日較差、日蒸發(fā)量有較好的相關(guān)關(guān)系,是影響我縣森林火險(xiǎn)天氣等級的主要因子。結(jié)合本站氣象因子變化特征對森林火險(xiǎn)天氣的數(shù)學(xué)模式進(jìn)行相關(guān)修正，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中：Y為森林火險(xiǎn)天氣等級指數(shù)，是森林火險(xiǎn)等級綜合指標(biāo)；RA為降水量等級編碼；U為14時相對濕度；L為日蒸發(fā)量；△T為溫度日較差。

RA降水量等級編碼規(guī)定：

式中：R（-1，0）為當(dāng)日降水量級R0（表2a）和前一日降水量級R-1的降水編碼組合參數(shù)（表2b）。A值為前期（-2～-7天）日雨量＜2.0 mm的連晴天氣參數(shù)（表2c）。

表1 森林火災(zāi)的發(fā)生與氣象因子相關(guān)關(guān)系

表2a 當(dāng)日降水量級參數(shù)

表2b 當(dāng)日與前一日降水編碼組合參數(shù)

表2c 前期（-2～-7天）日雨量＜2.0 mm的連晴天數(shù)編碼參數(shù)

1.5 森林火險(xiǎn)等級的確定

森林火險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算，按（1）式計(jì)算1983-2008年1～4月和9～12月逐日共6299個樣本數(shù)的森林火險(xiǎn)指數(shù)Y值，根據(jù)Y值按森林火災(zāi)發(fā)生情況劃分森林火險(xiǎn)天氣等級（表3）。

用本縣1983-2008年1～4月和9～12月逐日氣象資料計(jì)算的Y值，根據(jù)表3劃分的森林火險(xiǎn)天氣等級來確定每天的森林火險(xiǎn)天氣等級。在6299個樣本中，森林火險(xiǎn)等級1～2級共有2455天，發(fā)生林火2天，占林火總數(shù)0.9%，林火發(fā)生可能性0.1%；3～5級共有3874天，發(fā)生林火233天，占林火總數(shù)99.1%，林火發(fā)生可能6.1%，其中3級共有978天，發(fā)生林火7天，占林火總數(shù)3.0%，林火發(fā)生可能性0.7%，4級共有1041天，發(fā)生林火36天，占林火總數(shù)15.3%，林火發(fā)生可能性3.5%，5級共有1855天，發(fā)生林火190天，占林火總數(shù)80.9%，林火發(fā)生可能性10.2%。順昌縣絕大多數(shù)森林火災(zāi)都發(fā)生在森林火險(xiǎn)等級4～5級。2009年的森林火災(zāi)資料和氣象資料留著試報(bào)用。

1.6 森林火險(xiǎn)等級中期預(yù)報(bào)方法

運(yùn)用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，首先查看未來3～5天歐洲500百帕流場及風(fēng)場預(yù)報(bào)，9～10月查看未來3～5天有無強(qiáng)副高控制或東亞槽與臺風(fēng)活動型，11月到翌年4月查看未來3～5天有無東亞大槽活動?；旧夏軌蚨ㄐ缘亓私馕磥?～5天的森林火險(xiǎn)等級。

表3 Y值劃分森林火險(xiǎn)天氣等級

降水量等級編碼RA值用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品“天氣在線”未來3～5天晴雨預(yù)報(bào)結(jié)合順昌縣氣象站（以下簡稱本站）16時發(fā)布的未來3～5天降水量級預(yù)報(bào)及本站前期降水情況計(jì)算出RA值。

氣溫日較差△T值用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品“天氣在線”未來3～5天最高氣溫、最低氣溫預(yù)報(bào)算出氣溫日較差△T值，并加以修正，由數(shù)值預(yù)報(bào)的系統(tǒng)性誤差,用預(yù)報(bào)發(fā)布日最高氣溫、最低氣溫的誤差值修正到預(yù)報(bào)日的氣溫日較差。

相對濕度U值用南平市氣象局研制的《網(wǎng)上數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品Ncep資料下載與顯示》讀取未來3～5天14時相對濕度U值。

根據(jù)大樣本資料統(tǒng)計(jì)表明，日蒸發(fā)量與14時的溫度露點(diǎn)差有密切相關(guān)關(guān)系，它們的相關(guān)系數(shù)是0.821，按月份建立日蒸發(fā)量L與14時溫度露點(diǎn)差（T14-Td14）線性回歸方程式（表 4）。

日蒸發(fā)量L值用T639數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品讀取未來3～5天溫度露點(diǎn)差,根據(jù)不同月份讀取的溫度露點(diǎn)差值代入表4相應(yīng)月份的L方程得出預(yù)報(bào)日的蒸發(fā)量L。

表4 1～4月，9～12月各月求算L值的方程

綜合（1）式和表 4表明 Y 值取決于 RA（即 R（-1，0）和 A）、T、U、L，而 L值可以由 14時溫度露點(diǎn)差（T14-Td14）定出，于是只要預(yù)測出RA、△T、U和（T14-Td14），就可以計(jì)算確定Y值，根據(jù)Y值確定森林火險(xiǎn)等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林火災(zāi)發(fā)生日的氣象因子分析

通過對1983-2008年1～4月和9～12月26年235天森林火災(zāi)發(fā)生日14時相對濕度、日蒸發(fā)量、溫度日較差、降水量等級編碼等4項(xiàng)氣象因子和森林火險(xiǎn)綜合指數(shù)進(jìn)行分析。

（1）14時相對濕度。當(dāng)14時相對濕度U＞79%時沒有發(fā)生過森林火災(zāi)，有95.7%的林火天數(shù)發(fā)生在14時相對濕度U≤60%的天氣條件下,有89.8%的林火天數(shù)發(fā)生在14時相對濕度U≤55%的天氣條件下。

（2）日蒸發(fā)量。當(dāng)日蒸發(fā)量L＜1.0 mm時沒有發(fā)生過森林火災(zāi)，有97.9%的林火天數(shù)發(fā)生在日蒸發(fā)量L≥1.5 mm的天氣條件下，有90.6%的林火天數(shù)發(fā)生在日蒸發(fā)量L≥2.0 mm的天氣條件下。

（3）溫度日較差。當(dāng)溫度日較差△T＜3.5℃時沒有發(fā)生過森林火災(zāi)，有95.7%的林火天數(shù)發(fā)生在溫度日較差△T≥7.0℃的天氣條件下，有90.6%的林火天數(shù)發(fā)生在溫度日較差△T≥9.0℃的天氣條件下。

（4）降水量等級編碼。當(dāng)降水量等級編碼RA＞0時沒有發(fā)生過森林火災(zāi)，有96.6%的林火天數(shù)發(fā)生在降水量等級編碼RA≤-1的天氣條件下，有86.0%的林火天數(shù)發(fā)生在降水量等級編碼RA≤-3的天氣條件下。

（5）森林火險(xiǎn)等級綜合指標(biāo)。當(dāng)森林火險(xiǎn)等級綜合指標(biāo)值Y＜7.40時沒有發(fā)生過森林火災(zāi)，有99.1%的林火天數(shù)發(fā)生在森林火險(xiǎn)等級綜合指標(biāo)值Y≥8.00的天氣條件下，有96.2%的林火天數(shù)發(fā)生在森林火險(xiǎn)等級綜合指標(biāo)值Y≥10.00的天氣條件下。

2.2 2009年試報(bào)檢驗(yàn)

對2009年1～4月和9～12月逐日242個實(shí)例求取的未來第3天森林火險(xiǎn)等級試報(bào)與實(shí)況森林火險(xiǎn)天氣等級進(jìn)行檢驗(yàn)，其逐日森林火險(xiǎn)天氣等級試報(bào)與實(shí)況的二級誤差率為8.3%，各月二級誤差率見表5。

表5 2009年1～4月，9～12月各月預(yù)報(bào)與實(shí)況二級誤差率

2009年1～4月和9～12月森林火險(xiǎn)等級試報(bào)過程中，用本方法求算試報(bào)的森林火險(xiǎn)等級為3～5級的共有142天，發(fā)生林火7天，占林火總數(shù)100%，林火發(fā)生可能4.9%。其中3級共有41天，沒有發(fā)生林火，4級共有52天，發(fā)生林火1天，占林火總數(shù)14.3%，林火發(fā)生可能性1.9%；5級共有49天，發(fā)生林火6天，占林火總數(shù)85.7%，林火發(fā)生可能性12.2%?？梢姡?009年防火期內(nèi)發(fā)生林火7天，有1天發(fā)生在森林火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)值為4級，有6天發(fā)生在森林火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)值為5級的天氣情況下，試報(bào)效果較好。

2.3 2010年實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用檢驗(yàn)

對2010年1～4月和9～12月逐日242個實(shí)例求取的未來第3天森林火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)與實(shí)況森林火險(xiǎn)等級進(jìn)行檢驗(yàn)，其逐日森林火險(xiǎn)天氣等級預(yù)報(bào)與實(shí)況的二級誤差率為5.0%。各月二級誤差率見表6。

2010年1～4月和9～12月森林火險(xiǎn)等級中期預(yù)報(bào)在業(yè)務(wù)使用中，用本方法求算的火險(xiǎn)等級為3～5級的共有84天，其中3級的有30天，42010年森林火災(zāi)大大減少，減少率為80%。

2.4 森林火險(xiǎn)等級中期預(yù)報(bào)系統(tǒng)

每天做3～5天森林火險(xiǎn)等級中期預(yù)報(bào)，應(yīng)用（1）式和表4計(jì)算，還是比較麻煩，在實(shí)際業(yè)務(wù)中為了減少工作量，根據(jù)溫度、降水綜合預(yù)報(bào)結(jié)論，使用計(jì)算機(jī)編制森林火險(xiǎn)等級中期預(yù)報(bào)系統(tǒng)。本系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程操作簡單（圖1），使用簡便，只要在計(jì)算機(jī)上分別輸入 3～5 天的 TG、TD、A、R（-1，0）值，就可輸出打印Y值，森林火險(xiǎn)等級Q，得出森林火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)結(jié)果。級的有48天，5級的有37天。僅發(fā)生林火事件1天1起，出現(xiàn)在2010年3月23日，該日森林火險(xiǎn)等級中期預(yù)報(bào)和實(shí)況值均為5級，可見本預(yù)報(bào)方法做出的森林火險(xiǎn)等級中期預(yù)報(bào)，能給我縣的護(hù)林防火工作提供有實(shí)際意義的信息。森林防火工作部門，增加使用了森林火險(xiǎn)等級中期預(yù)報(bào)信息，有足夠的時間采取有效措施進(jìn)行防御，從而使

圖1 系統(tǒng)操作流程

表6 2010年1～4月，9～12月各月預(yù)報(bào)與實(shí)況二級誤差率

3 結(jié)語

（1）通過分析和檢驗(yàn)，順昌縣森林火災(zāi)的發(fā)生，其著火危險(xiǎn)度與相對濕度、蒸發(fā)量、溫度日較差和降水量有密切的關(guān)系。

（2）應(yīng)用本預(yù)報(bào)方法結(jié)合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品制作未來3～5天逐日森林火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)，可進(jìn)一步提高森林火險(xiǎn)中期預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。在防御中，與森林火險(xiǎn)短期預(yù)報(bào)相比有更充分的時間進(jìn)行預(yù)防，使防御工作更到位。在2009年試報(bào)和2010年業(yè)務(wù)應(yīng)用中取得較好的效果，其二級誤差率均低于10%。

（3）本預(yù)報(bào)方法有一定的推廣應(yīng)用價值，在閩北林區(qū)乃至南方林區(qū)只要找出各地氣象因子差異的相關(guān)系數(shù)，即可使用本預(yù)報(bào)方法。

（4）本項(xiàng)目的預(yù)報(bào)因子依托于中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品，顯然當(dāng)中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品產(chǎn)生系統(tǒng)性誤差時，則中期森林火險(xiǎn)等級預(yù)測也將產(chǎn)生誤差。

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