國外森林火險天氣預(yù)測預(yù)報方法探析

黃寶華，孫治軍，史淑一，馬玉強(qiáng)

(1.中科院煙臺海岸帶研究所;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué);3.煙臺市地理信息中心)

0 引言

森林是地球生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是人類賴以生存的基礎(chǔ)資源，起著保護(hù)水資源和調(diào)節(jié)生態(tài)平衡的重要作用.然而森林每年都會遭受到不同程度的火災(zāi)侵襲，森林火災(zāi)不僅會破壞林中植被覆蓋度和碳元素的儲備量，改變大氣成分，嚴(yán)重時還將導(dǎo)致林中植被結(jié)構(gòu)和生物物種的改變，對社會經(jīng)濟(jì)、人類的身體健康和生命安全會產(chǎn)生不良影響［］.因此對于如何預(yù)測、防治或減少森林火災(zāi)的危害，成為許多學(xué)科領(lǐng)域共同關(guān)注的科學(xué)任務(wù).

伴隨著以計算機(jī)為代表的高新技術(shù)迅猛發(fā)展，特別是3 s技術(shù)的發(fā)展，在世界范圍內(nèi)，火險等級的應(yīng)用已成為越來越多的有林國家林火管理的有力工具.國際上許多的林火研究工作者，從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場觀測做出了大量的工作.它們通過不同的途徑和方法，摸索到許多規(guī)律性的東西，獲得許多有實(shí)用價值的寶貴經(jīng)驗(yàn)，取得了可喜的成績，林火預(yù)報的研究和應(yīng)用在西方發(fā)達(dá)國家至少要比中國早30年.我國目前林火預(yù)報無論是從研究角度還是從應(yīng)用角度都與美國、加拿大等國有很大差距［2］.為了今后更好地開展我國的林火研究工作，特別是林火天氣預(yù)測預(yù)報，特總結(jié)和比較一下世界各主要國家森林火險天氣等級系統(tǒng)研究的方法和特點(diǎn).汲取精華，借鑒利用，在他們研究的基礎(chǔ)上建立和發(fā)展具有中國特色的林火天氣預(yù)報系統(tǒng).

1 林火預(yù)報預(yù)測

林火預(yù)報預(yù)測是綜合氣象要素、地形、可燃物的干濕程度、可燃物類型特點(diǎn)和火源等，對森林可燃物的燃燒危險性進(jìn)行分析預(yù)測，天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性直接影響林火預(yù)報的準(zhǔn)確性.林火預(yù)報預(yù)測一般分為3種:即火險天氣預(yù)報、林火發(fā)生預(yù)報和林火行為預(yù)報.林火預(yù)報還可分為短期預(yù)報(2 d以內(nèi))、中期(3～7 d)和長期(7 d以上)預(yù)報預(yù)測.森林火險等級預(yù)報，僅預(yù)測預(yù)報天氣條件能否引起火災(zāi)的可能性.林火發(fā)生預(yù)報則綜合考慮天氣變化、可燃物干濕度變化和可燃物類型及火源出現(xiàn)的危險等，來預(yù)測預(yù)報火災(zāi)發(fā)生的可能性.林火行為預(yù)報是火災(zāi)發(fā)生后，預(yù)測林火蔓延速度、能量釋放、火強(qiáng)度以及撲火難易程度.

森林火險，即森林火災(zāi)危險度，是對某林區(qū)起火的可能性大小、火災(zāi)的蔓延速度以及人類控制火災(zāi)的難易程度的總體評價.森林火險反映的是一種大范圍的、潛在的危險度，其量值的高低通常可用數(shù)值的方式，即森林火險指數(shù)直觀地表達(dá).在可能引起區(qū)域性火險高低的諸多因子中，氣象條件一直被認(rèn)為是最主要的因素之一.首先，氣象條件可對森林中可燃物的易燃特性產(chǎn)生很大影響，高溫、低濕、多風(fēng)的氣象條件會使森林中可燃物的含水率明顯降低、易燃性顯著增大.重大、特大森林火災(zāi)通常都發(fā)生在長期干旱的氣候背景下.其次，風(fēng)速和風(fēng)向直接決定了火災(zāi)的傳播方向、蔓延速度和撲滅的難易程度.

2 火險預(yù)報模型

2.1 Angstrom 指數(shù)

現(xiàn)應(yīng)用于斯堪的納維亞部分地區(qū)的瑞典火險等級系統(tǒng)稱為 Angstrom指標(biāo)［3］.Angstrom指數(shù)是一個非常簡單的火災(zāi)危險指數(shù)，它只用溫度和相對濕度來計算，公式如下:

其中:Ⅰ為火險指標(biāo);R為相對濕度(%);T為空氣溫度(℃).

表1中指標(biāo)小值表示的火險等級高，但該指標(biāo)忽視了降雨和風(fēng)的影響，沒有準(zhǔn)確的反映出相對濕度、溫度、可燃物含水量之間的相互關(guān)系，它的主要優(yōu)點(diǎn)是簡便.

表1 Angstrom火險等級劃分

2.2 FMI指數(shù)［4-5］

該模型結(jié)構(gòu)簡單，但研究顯示其和可燃物水分指標(biāo)有較好的關(guān)聯(lián)性，公式如下:

其中:R為相對空氣濕度，T為溫度.

像Angstrom指數(shù)一樣，值越小火險等級越高，值閾范圍是0-30，沒有火險等級劃分.

2.3 Nesterov指數(shù)

俄羅斯火險指數(shù)稱為Nesterov［6-8］指數(shù)，該指數(shù)是一個累積值，實(shí)際值累積增加到一定量的降雨量為置零值，再重新累加.見表2.

它考慮到溫度、相對濕度和降雨對細(xì)小可燃物的影響.該指標(biāo)以3 mm降雨量為置0值，但通常用4 mm的降水量來計算.干燥可燃物的估計與假設(shè)的干燥速率是相關(guān)的，因此需要考慮蒸汽飽和露點(diǎn)，但露點(diǎn)不能直接獲取，而是由兩個計算公式推導(dǎo)出.用飽和蒸氣壓來計算露點(diǎn)，通過由Murray公式計算飽和蒸氣壓:

由飽和蒸氣壓來計算露點(diǎn):

然后計算Nesterov指數(shù)

V為飽和蒸汽壓，D為露點(diǎn)，R為相對濕度，T為溫度，P為Nesterov指數(shù)，W為降雨天數(shù)＞4mm.

表2 Nesterov火險等級

2.4 WBKZ-M68［9］

該指標(biāo)用在德國北部，東部，它的建立是為了改進(jìn)純松林火險預(yù)報.該指數(shù)的基礎(chǔ)與Nesterov指標(biāo)非常相似，可以說是它的改進(jìn)版.它利用每天積累溫度和水汽飽和度計算火災(zāi)指標(biāo)，并用植被和降雨來修正.

V為蒸氣飽和度;T為溫度.

使用雨量和植被的物候期兩個因子進(jìn)行修正(見表3、表4).它的修正計算開始于2月15日，運(yùn)行結(jié)束時間為9月30日.奧地利地區(qū)通常用開始于3月結(jié)束于10月中旬長時間的雪覆蓋修正該公式.表5為火險等級.

表3 雨量修正

表4 植被物候期修正

表5 WBKZ-M68火險等級劃分

2.5 Thornthwaite指數(shù)

潛在蒸散量(PET)被定義為有足夠的水份那么就可以發(fā)生大量蒸發(fā).潛在意味著水赤字平衡，它是用主要為特征的地形和水情.作為日常火險預(yù)報不能使用，因?yàn)樗褂迷缕骄鶞囟群湍昕偨邓坑嬎?現(xiàn)在只計算火災(zāi)季節(jié)的每月的PET值［10-11］

只計算每月PET值如果每月平均溫度＞0.

Ep，mon為月潛在蒸發(fā)，Tmon為月平均氣溫，I為年熱指數(shù)，a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，CLat為緯度校正因子.

2.6 澳大利亞森林火險

1967年麥克阿瑟研制出森林火險尺，1973年修正后定型為現(xiàn)在澳大利亞普遍應(yīng)用的林火預(yù)報方法.森林火險預(yù)報通過森林火險尺實(shí)現(xiàn).用以計算火險指標(biāo)的因素有:雨后天數(shù)、降雨量、干旱因子、相對濕度、溫度、風(fēng)速、可燃物負(fù)荷量.

澳大利亞火險預(yù)報系統(tǒng)是經(jīng)過800多次野外點(diǎn)火試驗(yàn)建立起來的，因此有堅實(shí)的野外場試驗(yàn)基礎(chǔ)，但只適用于較單一的可燃物類型(桉樹林)該系統(tǒng)突出了火行為定量輸出預(yù)報，這是其他系統(tǒng)所不具備的.輸出的定量火行為參數(shù)有林火蔓延速度、火線強(qiáng)度、飛火距離和是否發(fā)生樹冠火.

火險指標(biāo)采用如下數(shù)學(xué)模型計算:

式中F為火險指標(biāo);T為空氣溫度(℃);H為空氣相對濕度(%).

式中:θ為坡度(°).

火焰長度H(m)為:

式中S為飛火距璃(km);W為可燃物負(fù)荷量(t/has).

干旱因子:

式中 D為干旱因子(無量綱);I為干旱指標(biāo)(mm);N為雨后天數(shù);P為降雨量.火險指標(biāo)F取值0-100.通常F值越大，越危險(見表6).

表6 澳大利亞火險等級劃分

2.7 加拿大火險等級系統(tǒng)(CFFDRS)

加拿大林務(wù)局于1968年提出以模型的形式研究國家級林火預(yù)報系統(tǒng).加拿大森林火險系統(tǒng)(CFFDRS)由四個子系統(tǒng)構(gòu)成(如圖1所示)，火險天氣指標(biāo)子系統(tǒng)(FWⅠ)，火行為子系統(tǒng)(FBP)，火發(fā)生子系統(tǒng)(FOP)和火災(zāi)負(fù)荷子系統(tǒng).

圖1 CFFDRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

加拿大火險天氣指標(biāo)系統(tǒng)［12-13］由六部分組成:三個基本碼，二個中間指標(biāo)和一個最終指標(biāo).其各部分組成的關(guān)系.三個初始組合(濕度碼)，反映三種不同變干濕度的可燃物的含水率大小，兩個中間組合分別反映蔓延速度和燃燒可能消耗的可燃物量.系統(tǒng)只需輸入每天中午空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速和前24h降水量的觀測值即可運(yùn)行.

(1)細(xì)小可燃物濕度碼(FFMC)反映的是林中細(xì)小可燃物和表層枯枝落葉含水率變化.其代表的可燃物為:枯枝落葉層1～2cm厚，負(fù)荷量為5t/ha左右.細(xì)小可燃物濕度碼對空氣濕度反映效果.其取值范圍為(0～99).

(2)干旱碼(DC)干旱碼反映深層可燃物含水率.這一層土壤10～20cm，結(jié)構(gòu)比較緊密，負(fù)荷量約為440t/ha.其水分變化最遲緩，往往隨季節(jié)變化.開始設(shè)計時以土壤中水分狀況來表示，通過研究得到:其水分損失按指數(shù)關(guān)系變化，所以也很適用于代表某些粗大可燃物，如倒木等.

(3)初始蔓延指標(biāo)(ⅠSⅠ)初始蔓延指標(biāo)(ⅠSⅠ)是加拿大火險天氣指標(biāo)系統(tǒng)的一個中間指標(biāo)，由細(xì)小可燃物濕度碼和風(fēng)速共同決定，能表示在可燃物數(shù)量不變情況下林火蔓延速度，它也是加拿大林火預(yù)報系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)中林火蔓延模型的最基本參數(shù).ⅠSⅠ的計算是由細(xì)小可燃物函數(shù)和風(fēng)函數(shù)的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的.

(4)調(diào)整后的枯落物下層濕度碼(ADMC)ADMC是枯落物下層濕度碼和干旱碼的結(jié)合.它即能提供DC一個有限的變化權(quán)重，又能保持DMC的作用.特別是當(dāng)DMC接近0時，DC不影響每天的火險狀況.

(5)火險天氣指標(biāo)(FWⅠ)火險天氣指標(biāo)(FWⅠ)是由初始蔓延指標(biāo)和調(diào)整后的枯落物下層濕度碼(ADMC)的結(jié)合而產(chǎn)生的，也是系統(tǒng)的最終指標(biāo).其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 FWⅠ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

加拿大森林火險系統(tǒng)(FWⅠ)以時滯—平衡含水率理論為基礎(chǔ)，將氣象條件和可燃物含水率有機(jī)地聯(lián)系起來，通過天氣條件的變化計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等級，是火行為幾個方面的一個好的指示器，而且是用于管理的評價一般火險的最好一種方法.FWⅠ系統(tǒng)的輸出結(jié)果還用來研究發(fā)展其他的模型，如火發(fā)生模型、火災(zāi)中林冠燒焦的高度和樹木的死亡率模型、森林地被物燃燒的厚度模型以及加拿大火災(zāi)發(fā)生時潛在的燃燒面積.澳大利亞火險等級指標(biāo)同加拿大系統(tǒng)做法相似，它包括對三種可燃物類型的三個水分含量的測定.

觀國際林火研究發(fā)展趨勢，可以看出，只局限于考慮天氣因子作為變量是不夠的，蘇，瑞，德都沒有考慮可燃物類型和地形對火的影響，這不能不說是一個很大的缺陷.而加拿大和澳大利亞都已從定性研究發(fā)展到定量研究，在試驗(yàn)方法上考慮的因子比較全面，能比較客觀地反映出實(shí)際情況，這是值得借鑒學(xué)習(xí)的.

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