10種國內(nèi)森林火險計算方法的相似性研究

孫 萍，李大偉

（1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江省 哈爾濱 150040；2.武警森林指揮部機動支隊，北京100000）

10種國內(nèi)森林火險計算方法的相似性研究

孫 萍1，李大偉2

（1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江省 哈爾濱 150040；2.武警森林指揮部機動支隊，北京100000）

為研究不同火險預(yù)報方法之間的相似性，選取了我國南北方和東西部不同地區(qū)10種火險預(yù)報方法，根據(jù)2009～2010年10個地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，分別用所選用的10種方法進行火險指標(biāo)計算并計算不同地區(qū)和方法的指標(biāo)相關(guān)性，進而進行相似性分析。結(jié)果表明：這些方法間存在著很大的相似現(xiàn)象，每種方法至少與其它6種方法中度以上相似，2種方法與其它9種方法全部中度以上相似，只有2種方法不相似；方法間為相似度較高的原因有二，一個是各種方法選用的氣象因子基本相同，另一個是每種方法中的主要火險因子相同。這對建立更普適的全國性火險天氣預(yù)報方法提供了借鑒。

森林火險預(yù)報；氣象因子；相似性研究

林火預(yù)測預(yù)報研究從二十世紀(jì) 20 年代迄今，已有 90 余年的歷史, 在世界各國發(fā)展很快。我國研究林火預(yù)報研究工作雖起步比較晚，但發(fā)展較迅速，各地紛紛研究了適合本地區(qū)的方法。這些方法所采用的預(yù)報因子集中在溫度、濕度、風(fēng)速等氣象因子上，計算方法雖有不同，但都屬于森林火險天氣預(yù)報，因此，這些方法間可能會存在一定的相似性。如果相似性較高，則建立統(tǒng)一的火險天氣預(yù)報是可行的，這對于構(gòu)建更準(zhǔn)確的國家尺度的森林火險預(yù)報具有重要的意義。目前關(guān)于不同預(yù)報方法之間的相似性研究還很少。本研究以不同地區(qū)的10個森林火險預(yù)測方法為例，研究了它們之間的相似性，以便更好地理解不同地區(qū)的火險空間差異，為建設(shè)高精度森林火險預(yù)報提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究方法

為使研究具有代表性，選取我國南北方和東西部不同地區(qū)10種火險預(yù)報方法，它們是：內(nèi)蒙古森林火險預(yù)測預(yù)報方法[1]、延安市火險預(yù)測預(yù)報方法[2]、寧夏森林火險預(yù)測預(yù)報方法[3]、煙臺地區(qū)火險指數(shù)預(yù)測方法[4]、浙江余姚市火險預(yù)測方法[5]、福建省火險預(yù)測預(yù)報方法[6]、廣州市火險預(yù)測方法[7]、滇中地區(qū)火險預(yù)測預(yù)報方法[8]、貴州威寧市森林火險預(yù)測預(yù)報方法[9]、黔東南森林火險預(yù)測預(yù)報方法[10]。這些方法均是單獨根據(jù)氣象要素進行火險計算，具體計算方法介紹如下：

（1）浙江余姚市火險預(yù)測方法

此方法采用前4 d加權(quán)空氣相對濕度、日溫差和日最高氣溫作為氣象影響因子，將三者建立線性關(guān)系Y=-9.5389+0.8466X1-0.1135X2-0.256X3，從而計算出當(dāng)日野外枯落葉的含水率（6～10月算出的含水率加2%作為最后的結(jié)果），通過含水率預(yù)測當(dāng)日的火險指數(shù)。

（2）廣州市火險預(yù)測方法

此方法將日最高氣溫、日最小相對濕度、連續(xù)無雨日數(shù)、日最大風(fēng)力和物候季節(jié)5個氣象因子作為火險因子，按照一定的規(guī)律將各個火險因子賦予火險指數(shù)，得到各個指數(shù)后將其按公式HTZ=A+B+C+D-E進行火險指數(shù)運算。式中：HTZ為森林火險天氣總指數(shù)；A為最高氣溫指數(shù)值；B為最小相對濕度指數(shù)值；C為連續(xù)無雨日數(shù)指數(shù)值；D為最大風(fēng)力指數(shù)值；E為物候季節(jié)指數(shù)值。

（3）煙臺地區(qū)火險指數(shù)預(yù)測方法

該方法選取日最高溫度、日最小相對濕度、日降水量和日平均風(fēng)速作為火險因子，同樣也是賦予各個火險因子一定的火險指數(shù)，再將得到的各個火險指數(shù)代入公式 D=D1+D2+D3+D4中算出當(dāng)日的火險指數(shù)。式中D為森林火險指數(shù)；D1為日最高溫度指數(shù)；D2為日最小相對濕度指數(shù)；D3為降水量指數(shù)；D4為平均風(fēng)力等級指數(shù)。

（4）延安市火險預(yù)測預(yù)報方法

本方法將日最高氣溫、日最小相對濕度和連續(xù)無降水日數(shù)作為火險因子，同上2種方法相同的是此方法也是將火險因子按照一定的規(guī)律賦予火險指數(shù)，再根據(jù)公式Z= R+r+T算出火險指數(shù)，作為火險天氣的判斷條件。式中：Z為火險分值；T為日最高氣溫指數(shù)；r為日最小相對濕度指數(shù)；R為連續(xù)無降水日數(shù)指數(shù)。

（5）滇中地區(qū)火險預(yù)測預(yù)報方法

該方法選取日最高氣溫、日最小相對濕度、日最大風(fēng)力、日降水量或連旱天數(shù)和物候火險訂正值為火險因子，其中日最大風(fēng)力和日降水量的火險指數(shù)按照給定的標(biāo)準(zhǔn)查得；物候指數(shù)按照12月1日至12月31日用公式-16+0.5*該天的日期，5月1日至5月31日用公式-1.5*該天的日期，其他時期0來計算；日最高氣溫的火險指數(shù)按照公式15R0=15*（0.075t-0.5）計算，其中t為當(dāng)日的最高溫度；日最小相對濕度的火險指數(shù)按照公式20R0=20*（-0.03r+2.05）來計算，其中r為日最小相對濕度。最后將5個火險因子的火險指數(shù)相加得到最終的火險指數(shù)。

（6）威寧市森林火險預(yù)測預(yù)報方法

此方法選取日照時數(shù)、日平均氣溫、日平均風(fēng)速、日平均相對濕度和日降水量為火險因子，氣候干燥度（Qhgcd）按照公式Qhgcd=（t+T+F）/（r+R）來計算，最后得出火險指數(shù)。其中日平均相對濕度的值按百分?jǐn)?shù)的值代入，比如20%就代入20。

（7）內(nèi)蒙古森林火險預(yù)測預(yù)報方法

日最小相對濕度、日最高氣溫、日最大風(fēng)速和晴雨日數(shù)是該方法的火險因子，此方法分5種情況運算：①當(dāng)R≥10時，48 h內(nèi)無火險；②當(dāng)5≤R＜10時，24 h內(nèi)無火險；③當(dāng)2≤R＜5時，預(yù)報方程A=B+C+D+E-4；④當(dāng)0.5≤R＜2時，預(yù)報方程A=B+C+D+E-2；⑤當(dāng)R＜0.5時，預(yù)報方程A=B+C+D+E。其中：R為日降水量1 mm；A為火險指數(shù)；B為最小相對濕度火險權(quán)重指數(shù)；C為最高氣溫火險權(quán)重指數(shù)；D為最大風(fēng)速火險權(quán)重指數(shù)；E為晴雨日數(shù)火險權(quán)重指數(shù)。

（8）黔東南森林火險預(yù)測預(yù)報方法

此方法選取14:00氣溫（T14）、14:00相對濕度（U14）、14:00風(fēng)速（F14）和連續(xù)無雨日數(shù)（Σd）為火險因子，按照公式H=[（T14+ F14+Σd）/ U14]*100進行火險指數(shù)的運算。其中氣溫、相對濕度、風(fēng)速均取2位整數(shù)，如80%取80；Σd連續(xù)無雨日數(shù)指降水量小于0.1 mm。

（9）寧夏森林火險預(yù)測預(yù)報方法[3]

該方法將火險因子日最高氣溫（T）、14:00相對濕度（H14）、連續(xù)無雨日（N）、日最大風(fēng)速（W）和日降水量（Y）各個因子賦予火險權(quán)重指數(shù)，再通過公式 Fe=(Tmax+H14+Nrain+W14-Yrain)*Mi進行火險指數(shù)運算，其中M代表綜合因子，每個月份都有一個固定的綜合因子。

（10）福建省火險預(yù)測預(yù)報方法

該方法有2個火險因子：最小相對濕度（X1） 和 日 較 差（X2）， 按 照 公 式 Y=29.39-29.26X1+1.76X2進行火險指數(shù)運算，最小相對濕度是按照小數(shù)代入公式而不是按照百分?jǐn)?shù)代入。

各個方法中的火險因子的火險指數(shù)具體如何賦值見表1～17。

表1 最高氣溫的森林火險天氣指數(shù)A值查對表Table 1 A values checklist of fire weather index values of daily maximum temperature

表2 最小相對濕度的森林火險天氣指數(shù)B值查對表Table 2 B values checklist of fire weather index values of daily minimum humidity

表3 降水量及其后的連續(xù)無雨日數(shù)的森林火險天氣指數(shù)C值查對表Table 3 C values checklist of fire weather index values of precipitation and days since last rainfall

表4 最大風(fēng)力等級的森林火險指數(shù)D值查對表Table 4 D values checklist of fire weather index values of daily maximum wind velocity

表5 生物及人為活動影響的訂正指數(shù)E值查對表Table 5 E values checklist of adjust values of biological factor and human activity

表6 日最高氣溫指數(shù)Table 6 Daily maximum temperature index

表7 平均風(fēng)力等級指教Table 7 Mean wind velocity index

表8 最小相對濕度指數(shù)Table 8 Minimum humidity index

表9 降水量指數(shù)Table 9 Precipitation index

表10 延安市著火指標(biāo)百分?jǐn)?shù)變量Table 10 Ignition index percentile variable of Yanan city

表11 日最大風(fēng)力等級的火險指數(shù)Table 11 Fire danger index for daily maximum wind velocity

表12 降雨日及其后的連旱天數(shù)的火險指數(shù)Table 12 Fire danger index for precipitation and days since last rain

表13 火險預(yù)報因子及權(quán)重指數(shù)Table 13 Fire weather forecast variables and weights

表14 相對濕度的火險指數(shù)Table 14 Fire danger index for relative humidity

表15 無雨日數(shù)的火險指數(shù)Table 15 Fire danger index for days since last rain

表16 風(fēng)力等級的火險指數(shù)Table 16 Fire danger index for wind class

表17 降水量的火險指數(shù)Table 17 Fire danger index for precipitation

日氣象數(shù)據(jù)（平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、最小相對濕度、最大風(fēng)速、平均風(fēng)速、日照時數(shù)和降水量）從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)(http://edc.cma.gov.cn./)上獲取，時間范圍為2009年1月1日到2010年12月31日。對于每個地區(qū)，分別對同期的氣象數(shù)據(jù)采用上面10種火險計算方法計算火險指標(biāo)，然后根據(jù)10種方法火險指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣，根據(jù)相關(guān)系數(shù)r確定其相關(guān)性。根據(jù)文獻[11]，|r|＜0.4為低度相關(guān)，0.4≤|r|＜0.7為中度相關(guān)，|r|≥0.7為高度相關(guān)。再根據(jù)相關(guān)程度確定相似級，即：（1）不相似（N）：兩方法間有一個是相關(guān)性不顯著（無相關(guān)）。（2）低度相似（L）：兩方法間相互的相關(guān)性都是低度相關(guān)或者一個是低度相關(guān)一個是中度相關(guān)。（3）中度相似（M）：兩方法間相互的相關(guān)性都是中度相關(guān)或者一個是高度相關(guān)一個是低度相關(guān)。（4）高度相似（H）：兩方法間相互的相關(guān)性都是高度相關(guān)或者一個是高度相關(guān)一個是中度相關(guān)。對10種方法的相似性進行歸納、分級、評判。

2 結(jié)果與分析

2.1 各種方法間的相關(guān)系數(shù)

表18給出了不同地方采用不同數(shù)據(jù)計算的火險指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)，表中第n行第m列處的數(shù)值是用第n行的地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)和第n行的地區(qū)的火險方法計算的火險值與用n行的地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)和第m列的地區(qū)的火險預(yù)報方法計算的火險值之間的相關(guān)系數(shù)。因此，行中的相關(guān)系數(shù)是采用相同氣象數(shù)據(jù)不同火險計算方法計算所得的火險值的相關(guān)系數(shù)，反映的是當(dāng)?shù)貧庀髼l件對不同火險預(yù)測方法的包容性。而列的相關(guān)系數(shù)是對于不同地區(qū)，采用該地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，用該列方法和當(dāng)?shù)胤椒ㄓ嬎愕幕痣U之間的相關(guān)系數(shù)，反映的是該方法在各地的普適性。因此，一般地，Rmn＜＞Rnm。

表18 各種方法間的相關(guān)系數(shù)（按照顯著水平α=0.001計算相關(guān)系數(shù)的臨界值R0.001=0.121 544，表中全部相關(guān)系數(shù)都顯著）Table 18 Correlation matrix of fire danger index computed by 10 methods (All the coefficients in the table are significant at 0.001 level)

2.2 各種方法間的相似性

表19給出了10種方法之間的相似等級及每種方法與其它方法不同相似度的數(shù)量。其中，有2種方法（余姚和滇中）與其它7種方法高度相似，1種方法（煙臺）與其它6種方法高度相似，2種方法（廣州和延安）與其它5種方法高度相似。因此，在10種方法中，有5種方法與其它至少5種方法高度相似。如果把中度相似一并計算，則10種方法中，每種方法至少與其它6種方法中度以上相似，有2種方法（余姚和煙臺）與其它9種方法全部中度以上相似，只有滇中和威寧的方法不相似。

表19 各種方法間的相似等級（N不相似，L低度相似，M中度相似，H高度相似）?Table 19 Similarity of ten methods (N: no similarity; L:low similarity; M: moderate similarity; H: high similarity)

限于篇幅，下面以廣州市方法為例，對高相似性的具體原因進行分析。

與廣州方法為高度相似的方法有煙臺市方法、延安市方法、滇中地區(qū)方法、內(nèi)蒙古方法和寧夏方法。從附錄所列火險計算方法看，這些方法選取的氣象因子基本相同，均含有日最高氣溫、日最小相對濕度、日降水量、風(fēng)速等，同時計算方法均為簡單的算術(shù)運算。廣州市方法中日最高氣溫、日最小相對濕度、日最大風(fēng)速、日降水量和物候指數(shù)與火險指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)依次是0.03、0.60、0.00、0.95和-0.04；煙臺市方法中日最高氣溫、日最小相對濕度、日降水量和平均風(fēng)力與火險指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)依次是0.09、0.82、0.90和0.18；延安市方法中日最高氣溫、日最小相對濕度和日降水量與火險指數(shù)的相關(guān)系數(shù)依次是0.41、0.66和0.91；滇中地區(qū)方法中日最高氣溫、日最小相對濕度、最大風(fēng)力、日降水量和物候指數(shù)與火險指數(shù)的相關(guān)系數(shù)依次是0.34、0.75、0.09、0.75和0.43；內(nèi)蒙古方法中日最高氣溫、日最小相對濕度、日最大風(fēng)力、日降水量、無雨日數(shù)與火險指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)依次是0.13、0.78、-0.07、0.73和-0.42；寧夏方法中日最高氣溫、日最小相對濕度、日最大風(fēng)速、日降水量和無雨日數(shù)與火險指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)依次是0.49、0.56、-0.04.-0.78和0.84。這表明，這些火險指數(shù)都與其共用的日最小相對濕度和日降水量的相關(guān)性較大，而與風(fēng)速的相關(guān)性較小，從而造成了方法間的高度相似。

3 結(jié)論與討論

所選用的10種方法存在著很大的相似現(xiàn)象。每種方法至少與其它6種方法中度以上相似，2種方法（余姚和煙臺）與其它9種方法全部中度以上相似，只有2種方法不相似。

各種方法間為相似度較高的原因有二，一個是各種方法選用的氣象因子基本相同，另一個是每種方法中的主要火險因子相同。每種方法的主要火險因子都是日降水量和日最小相對濕度，其它氣象因子與火險指數(shù)間的相關(guān)性都非常小，尤其是風(fēng)速，無論是平均風(fēng)速還是最大風(fēng)速，相關(guān)性都很小，有的方法中甚至出現(xiàn)火險指數(shù)與風(fēng)速不相關(guān)的狀況。

在本研究中，相似性的評價方法十分重要。相關(guān)系數(shù)(r)是評價相關(guān)程度的指標(biāo)，但是怎樣用r反映兩現(xiàn)象間的相關(guān)程度，并沒有明確結(jié)論[12]。目前國內(nèi)外一些學(xué)者對r能否評價相關(guān)程度問題亦有截然不同的兩種看法，一種是樣本相關(guān)系數(shù)可以評價現(xiàn)象間的相關(guān)程度[13]并將r的絕對值0～1區(qū)間內(nèi)劃分三等分，|r|＜0.4為低度相關(guān)，0.4≤|r|＜0.7為中度相關(guān)，|r|≥0.7為高度相關(guān)，以此表示相關(guān)程度；另外一種意見是r不能劃分等級，認(rèn)為這樣劃分“非但沒有意義，反而造成誤解”[14]。文獻[15]綜合這兩種意見，提出條件，即限定在大樣本情況下(n＞100)可以根據(jù)r的大小來評價相關(guān)程度。由于本研究采用的是大樣本（730個樣本），所以用r來衡量相關(guān)性是可行的。

在上述研究中，只采用了兩年的氣象數(shù)據(jù)，樣本數(shù)很大，作為衡量相似性具有較強的可靠性，但對于一個地區(qū)而言，兩年的數(shù)據(jù)未必能夠完全反應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件的變化情況，因此，更深入地研究應(yīng)采取更長時間跨度的氣象數(shù)據(jù)進行比較分析，以便將更能反映方法的穩(wěn)定和相似性。此外，森林火險對于森林火災(zāi)撲救決策具有重要的意義[17]，火災(zāi)撲救中的火險信息的空間尺度更小，往往需要進行空間插值[18]，本研究所揭示的不同方法間的相似度在這種小尺度上是否依然存在，也需進一步研究。

盡管如此，本研究的結(jié)果表明，對于基于純氣象要素的簡單火險天氣預(yù)報方法，不同地區(qū)的相似性很大，采用某些方法完全可以適應(yīng)于我國的不同地區(qū)。本研究將為建立更普適的全國性火險天氣預(yù)報方法提供借鑒。

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Study on similarity of calculation methods
of 10 Chinese forests fi re danger rating

SUN Ping1, LI Da-wei2
(1. College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China;2. Mobile Regiment, Armed Forest Police Headquarter, Beijing 100000, China)

Ten Chinese forest fi re danger forecast methods from regions all around China were chosen to explore their similarity. The forest fi re danger indexes were computed by taking the weather data in 2009～2010 and were compared by using correlation coeff i cient method to depict their similarity. The results indicate that the high similarity existed among these 10 methods. Each method had moderate similarity to high similarity with at least 6 other methods. Two of the methods were moderately or highly similar to all the rest 9 methods. There were only two methods which were not similar to each other. The reason for such high similarity is that these methods used similar weather variables and similar major fi re danger factors. The results also provide a basis for developing forest fi re danger rating systems with more national-wide adaptability.

forest fi re danger forecast; weather variable; similarity study

S762.2

A

1673-923X(2013)05-0016-06

2012-12-10

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201204508）

孫 萍（1983-），女，黑龍江哈爾濱人，助教，碩士，主要從事森林防火等研究工作

[本文編校：謝榮秀]