近40 a大興安嶺漠河縣林火行為指標變化特征1)

楊 光 邸雪穎 舒立福

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040) (中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所)

林火行為研究起源于森林防火，在林火生態(tài)研究興起之前已得到充分重視［1］，隨著科學防火技術措施和手段的快速發(fā)展，林火行為研究已成為科學化林火管理的主要內容之一［2］。所謂林火行為是森林可燃物從被點燃開始到發(fā)生發(fā)展直至熄滅全過程中所表現的各種現象和特征［3-5］，其重要指標包括著火難易程度、火蔓延、能量釋放、火強度、火持續(xù)時間等，其中火蔓延速度、火強度和火焰高度是林火行為的3大定量指標［3，6］。林火行為主要受可燃物、火環(huán)境和火源條件的制約和控制［7-8］。近年來以變暖為主要特征的全球氣候變化［9］，通過直接改變可燃物性質，或者通過改變火環(huán)境間接改變可燃物性質［10-11］，已對全球林火行為產生了重要影響［12-15］，部分國家及地區(qū)林火發(fā)生頻率增加、林火強度增強、火持續(xù)時間增長，極端林火行為如飛火、火旋風等現象增多;在氣候持續(xù)變暖的背景下，未來林火行為形勢會更加嚴峻，但由于氣候變化的區(qū)域性差異，尤其長期以來缺乏可比性數據，有些地區(qū)的林火行為變化不明顯或缺少呈現某種趨勢的確定性結論。這種林火行為的不確定性對林火管理部門帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，因為不能判斷出下個火險高峰季節(jié)林火行為程度，預防不確定森林火災和控制利用林火的有益方面的管理已變得越來越復雜，成本也越來越高。由于林火行為對于林火管理和撲火指揮的重要作用［16］，有關林火行為及其動態(tài)變化研究已經成為國內外林火學家研究的熱點。經過幾十年的探索，基于不同尺度和不同研究目的，通過野外火燒試驗、室內實驗、模型模擬及遙感分析等方法，加之突變理論、迷宮算法、元胞自動機模型、模糊數據挖掘技術、波動傳播模型等新理論和思想的應用，林火行為研究取得了一定的研究成果［17-20］。例如，根據林火蔓延與可燃物性質、氣象條件和地形因子之間的定量關系建立了地表火蔓延模型，包括美國Rothermel模型(物理機理模型)，加拿大林火蔓延模型(半機理半統(tǒng)計模型)，澳大利亞McArthur模型(統(tǒng)計模型)，我國王正非林火蔓延模型(經驗模型)等;基于GIS技術模擬林火蔓延趨勢建立了林火行為預報系統(tǒng)，包括美國 BEHAVE火行為預報系統(tǒng)及FARSITE林火蔓延預報軟件［2］，加拿大國家森林火險等級預報系統(tǒng)(Canadian Forest Fire Danger Rating System，CFFDRS)［22］。受野外點燒試驗的束縛以及多種環(huán)境因子共同作用的復雜性［17-18］，我國林火行為的研究與發(fā)展較為緩慢。現存的有關林火行為的研究主要以特殊火行為發(fā)生條件與特征為主［18-20］，還不能滿足氣候變暖背景下新林火管理的需要，本文以我國重點林區(qū)為研究對象，選用1971—2010年氣象資料及同時期歷史火災數據，利用加拿大國家森林火險等級預報系統(tǒng)子系統(tǒng)加拿大火險天氣系統(tǒng)(Canadian Forest Fire Weather Index System，CFFWIS)來展示火行為，通過近40 a來的林火行為指標變化特征可為林火管理和森林資源保護提供有價值的參考和科學理論依據。

1 研究區(qū)域概況

漠河縣(52°10'～53°33'N，121°07'～124°20'E)是全國緯度最高的縣，也是全國氣溫最低的縣。全縣林業(yè)總經營面積76.8萬 hm2，有林地面積69.5萬hm2，森林覆蓋率為90.6%。全縣管轄4鎮(zhèn)(西林吉、圖強、勁濤、興安鎮(zhèn))，一鄉(xiāng)(漠河鄉(xiāng))，5個林場(古蓮、前哨、河東、河灣、金溝林場)。該縣屬于寒溫帶大陸性季風氣候，受大陸及海洋季風交替影響，小氣候變化多端，局部氣候差異顯著。冬季在極地大陸氣團控制下，氣候寒冷、干燥而漫長;夏季受副熱帶海洋氣團的影響，降水集中，雨量充沛，氣候濕熱，日照時間長;春季多大風，降水偏少，物燥干旱，易發(fā)生森林火災;秋季降溫急劇，常有早霜和凍害發(fā)生。植被為寒溫帶針葉混交林—明亮針葉林，容易發(fā)生火災，主要樹種有樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、落葉松(Larix gmelini)、白樺(Betula platyphylla)、楊樹(Populus davidiana)、紅皮云杉(Picea koraiensis)、魚鱗云杉(Picea jezoensis)等。

2 材料與方法

由于研究區(qū)詳細且連續(xù)的火災記錄始于1966年，故本研究選用的研究時段從1971年到2010年的整40 a。

森林火災數據來源于黑龍江省森林防火指揮部，數據包括林火發(fā)生時間、撲滅時間、起火地點、火點地理坐標、森林火災等級、過火面積、起火原因等。1987年“5·6”大火是漠河縣乃至我國森林過火面積最大的一次火災，為了全面分析該區(qū)林火動態(tài)，本研究剔除了“5·6”大火這一特大火災。

氣象數據來源于中國氣象局的中國氣象科學數據共享中心，氣象要素包括日最高氣溫，20～20 h降水量，日平均風速和日平均相對濕度。

2.1 林火行為指標

加拿大火險天氣系統(tǒng)以時滯—平衡含水率理論為基礎，將可燃物含水率與氣象因子有機結合［16］，以每日14：00時溫度、相對濕度、風速和24 h的降水量4個氣象要素為基本輸入變量，可輸出標準可燃物類型林地上發(fā)生林火后的初始蔓延指標(Initial Spread Index，ISI)，有效可燃物指標(Buildup Index，IBU)，火險天氣指標(Fire Weather Index，IFW)3個林火行為指標。

ISI是由細小可燃物濕度碼(Fine Fuel Moisture Code，CFFM)和風速共同決定，反映在可燃物數量不變的情況下林火蔓延的速度，與可燃物林火行為預報系統(tǒng)相結合，可預報不同類型蔓延速度。ISI的計算由細小可燃物函數和風函數的結合來實現。

式中：f(W)為ISI的風函數;W為風速，km/h;f(F)為ISI的細小可燃物函數;m為干旱狀態(tài)細小可燃物含水率。

IBU是有效可燃物指標是枯落物下層濕度碼(Duff Moisture Code，CDM)和干旱碼(Drought Code，CD)的組合，反映可燃物對燃燒蔓延的有效性，即移動火線燃燒的有效可燃物總量。

IFW是ISI和IBU的組合，反映火線強度和能量釋放程度，也是IFW系統(tǒng)的最終指標。

式中：B為火險天氣指標的中間形式，可由枯落物下層可燃物含水率函數求得。

IFW經過處理可獲得RDS(Daily Severity Rating)和RSS(Seasonal Severity Rating)，反映森林火災難控強度，其中RDS指火控制的相對困難程度或撲救所需工作量，反映某時段內一個氣象站平均火險或某區(qū)域一些氣象站觀測的平均森林火險。RSS指防火期平均控制火災的難易度［23］。

加拿大火險天氣系統(tǒng)是世界上發(fā)展最完善、應用最廣泛的火險等級預報系統(tǒng)之一，已經在許多國家和地區(qū)得到應用，包括新西蘭、墨西哥、美國阿拉斯加、佛羅里達等，并在許多國家和地區(qū)得到應用評估，包括克羅地亞、俄羅斯、智利、美國密歇根州等［24］。早在20世紀80年代中期，Stocks等人受加拿大國際開發(fā)署(Canadian International Development Agency，CIDA)項目基金的資助在研究區(qū)引入了該系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的適用性做了初步研究［25］，隨后，許多國內外的專家學者對統(tǒng)的適用性方面做了相關研究［26-28］，證明加拿大火險天氣系統(tǒng)可以在研究區(qū)可以直接應用。因此，基于前期研究基礎和后續(xù)研究理論的支持，本研究通過加拿大火險天氣系統(tǒng)的林火行為的4個重要指標來研究林火行為的變化特征，具體包括利用初始蔓延指標呈現林火蔓延速度、有效可燃物指標呈現林火能量釋放、火險天氣指標呈現林火強度、火災難控程度指標呈現林火持續(xù)時間。

2.2 數據處理

根據加拿大林務局1987年發(fā)布的CFFWIS模型［29］，利用Java語言編寫系統(tǒng)程序，由于研究區(qū)冬季有明顯積雪覆蓋，符合CFFWIS中冬季平均雪深超過10 cm和1、2月份積雪覆蓋日數超總日數的75%的規(guī)定，所以系統(tǒng)初始值采用CFFM=85，CDM=6，CD=15，通過批量輸入1971—2010年經過處理的日氣象數據，批量輸出每日初始蔓延指標、有效可燃物指標、火險天氣指標和控制火災難易度。CFFWIS輸入的數據為每日14：00時的氣象要素，但實際代表的是每日14：00—16：00時最高火險，因研究區(qū)每日14：00時的氣象要素獲取困難，鑒于每日14：00時氣象要素和日值氣象資料(最高氣溫、相對濕度、平均風速、24 h降水量)計算的火行為指標良好的線性相關性［30］，本研究選用日值氣象資料替代每日14：00氣象要素。

3 結果與分析

3.1 近40 a林火狀況變化特征

據統(tǒng)計，研究區(qū)森林火災發(fā)生次數少但過火有林地面積大，1971—2010年間研究區(qū)每年發(fā)生森林火災約5次，年均過火有林地面積381.2 hm2。以1987年“5·6”大火為界，1987年后林火次數和過火有林地面積呈顯著下降趨勢(圖1)，1988—2010年間研究區(qū)平均每年發(fā)生森林火災次數約4次，年均過火有林地面積68.4 hm2，分別比1971—1987年間平均值下降了26.8%和95.8%。1971—2010年間，研究區(qū)林火次數和過火有林地面積存在明顯的年代際波動，其中1971—2010年間林火次數呈現年代際振蕩，20世紀70年代是林火次數最高的10 a，平均每年發(fā)生火災7次，隨后80年代火災次數明顯下降，90年代降到約2次/a，進入21世紀林火次數有所回升，為6次/a;1971—2010年間過火有林地面積呈現年代際波動下降趨勢，20世紀70年代林火損失嚴重，過火有林地面積最高，為2 590.6 hm2/a，80年代過火有林地面積總體下降明顯，為185.9 hm2/a，這種下降的趨勢一直維持到了21世紀，年均過火面積最低的10 a也出現在這個時段，為4.1 hm2/a，是 70 年代的0.16%。

圖1 1971—2010年研究區(qū)森林火災年變化

研究區(qū)1 a中具有明顯的森林火災季節(jié)，根據火災發(fā)生、蔓延的時期特點，劃分為春季防火期、夏季防火期和秋季防火期。研究區(qū)春季防火期從每年3月15日開始到6月15日結束，持續(xù)時間長，約4個月，是研究區(qū)主要防火期，林火次數較多、過火有林地面積較大。據統(tǒng)計，1971—2010年間，研究區(qū)春季防火期共計發(fā)生森林火災95次，占總火災次數的44.8%，過火有林地面積 7 004.6 hm2，占總過火有林地面積的23.9%。1971—2010年間，春季防火期年均森林火災次數和過火有林地面積隨年代呈現持續(xù)下降趨勢(圖2)，20世紀70、80年代為火災高發(fā)期，火災次數分別為3.5次/a和4次/a，過火有林地面積為515.9 hm2/a和182.3 hm2/a，隨后火災次數逐步降低，幅度越來越大，90年代火災次數為1次/a，過火有林地面積為2.0 hm2/a，21世紀前10 a火災次數不足1次，過火有林地面積為0.3 hm2/a。研究區(qū)夏季防火期從每年6月16日開始到9月14日結束，期間是雨季期，還是植物生長期，可燃物含水率高，2000年以前只有干旱少雨的年份才發(fā)生森林火災，過火有林地面積也不大，但受氣候變化等多方面因素影響，進入21世紀夏季防火期火災頻發(fā)，2001—2010年間森林火災呈現嚴峻態(tài)勢，共計發(fā)生火災55次，占總火災次數的88.7%，過火有林地面積4 250.2 hm2，占總過火有林地面積的99.9%。研究區(qū)秋季防火期為9月15日開始到11月15日結束，持續(xù)約2個月，火災次數少，過火有林地面積也小，1971—2010年間，秋季防火期共計發(fā)生森林火災10次，占總火災次數的4.7%，過火有林地面積12 689 hm2，占總過火有林地面積的 43.4%。1971—2010年間，秋季防火期年均森林火災次數隨年代呈現穩(wěn)定趨勢(圖2)，均不足1次/a，過火有林地面積除20世紀70年代高居1 268.3 hm2/a外，其他年代際均維持在1 hm2/a以下。

圖2 1971—2010年研究區(qū)森林火災防火期變化

3.2 近40 a林火行為指標變化特征

3.2.1 初始蔓延指標變化特征

火蔓延是林火行為的一個重要指標，是撲火人員組織撲救隊伍的主要依據，超過一定蔓延速度，直接撲救有一定的困難，只能用建造防火線方法來抑制火的蔓延。初始蔓延指標結合具體覆蓋的林型或植被，可進一步決定實際蔓延速度，初始蔓延指標值越高，表示林火蔓延速度越快。近40 a(1971—2010年)研究區(qū)初始蔓延指標年均值曲線(圖3)，很明顯出現了兩次年代際尺度的高值期和兩次年代際的低值期。20世紀70年代是一個初始蔓延指標增加的峰值時期，21世紀前10 a是另外一個初始蔓延指標值明顯增加的時期;而20世紀80年代和90年代是初始蔓延指標值相對減少的時期。根據研究區(qū)10 a滑動初始蔓延指標平均值(消去10 a以下的波動)的曲線(圖3)，初始蔓延指標平均值呈現年代際變化特征，據統(tǒng)計，1971—1990年間以0.03/a的速率下降，1991—2010年間以0.01/a的速率上升。雖然各個防火期初始蔓延指標平均值年際變化較大，但仍存在一定的變化規(guī)律。春季防火期初始蔓延指標平均值最大，1971—2010年間初始蔓延指標平均值為3.0/a，是同時期夏季、秋季防火期的ISI平均值的1倍。夏季防火期1991—2010年20 a的ISI平均值與1971—1990年初始蔓延指標平均值相比增加趨勢明顯，其增高速率在0.04/a。秋季防火期1981—2010年30 a初始蔓延指標平均值波動較小，保持在(1.4～1.6)/a。

3.2.2 有效可燃物指標變化特征

能量釋放與可燃物數量密切相關，可燃物數量越多，釋放的能量也越多。有效可燃物指標是對干的足夠能參與燃燒的有效可燃物數量的評定，有效可燃物指標越高，表示參與燃燒的可燃物越多，釋放的能量也越多。近40 a(1971—2010年)研究區(qū)有效可燃物指標年均值曲線上(圖3)，相對于1991—2010年，1971—1990年平均有效可燃物指標值年際波動較大。20世紀70年代是一個有效可燃物指標增加的峰值時期，21世紀前10 a是另外一個有效可燃物指標值明顯增加的時期;而20世紀80年代和90年代是有效可燃物指標值相對減少的時期。根據研究區(qū)10 a滑動有效可燃物指標平均值(消去10 a以下的波動)的曲線(圖3)，有效可燃物指標平均值呈現年代際變化特征，據統(tǒng)計，1971—1990年間以0.54/a的速率下降，1991—2010年間以 0.20/a的速率上升。雖然各個防火期有效可燃物指標平均值年際變化較大，但仍存在一定的變化規(guī)律。春季防火期有效可燃物指標平均值最大，1971—2010年間有效可燃物指標平均值為29.3/a，是同時期秋季防火期的有效可燃物指標平均值的1倍，并且1991—2010年20年的有效可燃物指標平均值與1971—1990年有效可燃物指標平均值相比增加趨勢明顯，其增高速率在0.60/a。夏季和秋季防火期有效可燃物指標平均值年際波動較大，長期變化趨勢不明顯。

3.2.3 火險天氣指標變化特征

火強度指在火鋒處，單位長度、單位時間所釋放的能量。林火天氣指標是代表在一標準可燃物類型林地上發(fā)生林火后的火強度指標，林火天氣指標值越高，表示林火強度越大。近40 a(1971—2010年)研究區(qū)林火天氣指標年均值曲線上(圖3)，很明顯出現了兩次年代際尺度的高值期和兩次年代際的低值期。20世紀70年代是一個林火天氣指標增加的峰值時期，21世紀前10 a是另外一個林火天氣指標值明顯增加的時期;而20世紀80年代和90年代是林火天氣指標值相對減少的時期。根據研究區(qū)10 a滑動火險天氣指標平均值(消去10 a以下的波動)的曲線(圖3)，林火天氣指標平均值呈現年代際變化特征，據統(tǒng)計，1971—1990年間以0.10/a的速率下降，1991—2010年間以0.05/a的速率上升。雖然各個防火期林火天氣指標平均值年際變化較大，但仍存在一定的變化規(guī)律。春季防火期林火天氣指標平均值最大，1971—2010年間林火天氣指標平均值為4.6/a，是同時期夏季、秋季防火期的林火天氣指標平均值的1倍。春季和夏季防火期1991—2010年20 a的林火天氣指標平均值與1971—1990年林火天氣指標平均值相比增加趨勢明顯，其增高速率在0.12/a和 0.02/a，春季防火期 2001—2010年20 a的林火天氣指標平均值與1991—2010年林火天氣指標平均值相比增加趨勢明顯，其增高速率在0.18/a。秋季防火期林火天氣指標平均值波動較小。

圖3 1971—2010年研究區(qū)林火行為指標變化

3.2.4 火災難控程度指標變化特征

火燒持續(xù)時間的長短與火災難控程度密切相關，利用火災難控程度指標作為火燒持續(xù)時間的衡量標準，火災難控程度指標值越高，表示火燒持續(xù)時間越長。近40 a(1971—2010年)研究區(qū)火災難控程度指標年均值曲線上(圖3)，很明顯出現了兩次年代際尺度的高值期和兩次年代際的低值期。20世紀70年代是一個火災難控程度指標增加的峰值時期，21世紀前10 a是另外一個火災難控程度指標值明顯增加的時期;而20世紀80年代和90年代是火災難控程度指標值相對減少的時期。根據研究區(qū)10 a滑動火災難控程度指標平均值(消去10 a以下的波動)的曲線(圖3)，火災難控程度指標平均值呈現年代際變化特征，據統(tǒng)計，1971—1990年間以0.02/a的速率下降，1991—2010年間以0.01/a的速率上升。雖然各個防火期火災難控程度指標平均值年際變化較大，但仍存在一定的變化規(guī)律。春季防火期火災難控程度指標平均值最大，1971—2010年間火災難控程度指標平均值為1.2/a，是同時期夏季、秋季防火期的火災難控程度指標平均值的2～5倍。春季防火期1991—2010年20 a的火災難控程度指標平均值與1971—1990年火災難控程度指標平均值相比增加趨勢明顯，其增高速率在 0.03/a，2001—2010年20 a的火災難控程度指標平均值與1991—2010年火災難控程度指標平均值相比增加趨勢明顯，其增高速率在0.07/a。夏、秋季防火期沒有明顯的長期增減趨勢，但年代際波動較大。

4 討論

1971—2010 年間研究區(qū)的初始蔓延指標、有效可燃物指標、林火天氣指標和火災難控程度指標各個指標所分別代表的林火蔓延速度、林火釋放能量、林火強度和林火持續(xù)時間為相同的年代際變化特征，即20世紀70年代為林火行為的嚴峻期、80年代90年代出現了一次明顯的年代際轉型，伴隨著這次年代際的轉型，21世紀后的林火行為更加嚴峻，表現為林火蔓延速度增快、能量釋放增大、林火強度增強、火持續(xù)時間增長。春季防火期林火行為指標值據全年之首，仍是森林火災重點防控季節(jié)，21世紀后夏季和秋季防火期林火行為指標值年際波動較大，出現極端林火行為的幾率加大，應更加注重火險預防和火災撲救。1971—2010年間研究區(qū)林火行為指標的年代際變化與林火狀況的年代際變化具有相似的特征，可見1987年“5·6”大火后，我國加強了林火管理，但林火動態(tài)的變化主要受氣候等自然因素影響，人為可以降低火災的頻度和減輕火災的面積，但是對森林大火的防控仍沒有較好的辦法，無法逆轉火災的發(fā)生和火災的強度。

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