王艷霞 周汝良 丁 琨
(西南林業(yè)大學(xué),昆明,650224)
森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào),主要根據(jù)能反應(yīng)天氣干濕程度的氣象因子來(lái)預(yù)報(bào)天氣條件能否引起森林火災(zāi)的可能性。這種林火預(yù)報(bào)對(duì)實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的排兵布陣、撲救資源調(diào)度、火源檢查與巡護(hù)、火情監(jiān)測(cè)與瞭望等,對(duì)全社會(huì)涉林人員杜絕林區(qū)火源、警惕并預(yù)防林火發(fā)生,都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。作為影響森林火災(zāi)的主要因素之一,降水可增加可燃物的含水量從而降低火險(xiǎn)系數(shù),是各國(guó)火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)的必要因子[2]。因此,較為準(zhǔn)確地描述地表實(shí)際水分狀態(tài),特別是復(fù)雜多變的山地區(qū)域,對(duì)進(jìn)一步提高中長(zhǎng)期火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要作用。
《全國(guó)森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)》根據(jù)最高空氣溫度、最小相對(duì)濕度、前期或當(dāng)日的降水量及其后的連續(xù)無(wú)降水日數(shù)、最大風(fēng)力等級(jí)、物候等因子預(yù)報(bào)森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)?,F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)以每日為時(shí)間單位進(jìn)行短期火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)。當(dāng)森林防火工作需中長(zhǎng)期(如以旬、月為時(shí)間單位)火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)時(shí),氣溫、濕度、風(fēng)力、物候等預(yù)報(bào)因子可根據(jù)氣象站(臺(tái))觀測(cè)的資料獲取,而降水量及其連旱天數(shù)所代表的降水火險(xiǎn)指標(biāo),難以直接用于森林火險(xiǎn)的預(yù)報(bào)工作。一方面,現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為降水過(guò)后如果連續(xù)無(wú)降水日數(shù)越多,火災(zāi)發(fā)生的危險(xiǎn)性越大,這種方式難以表達(dá)出一段時(shí)間內(nèi)的可燃物水分散失情況,從而不適合開展中長(zhǎng)期森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)。另一方面,現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)計(jì)算的本質(zhì)是分段函數(shù)模型,存在嚴(yán)重的階躍問(wèn)題,往往微小差異數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的火險(xiǎn)等級(jí)差異較大,存在較大的預(yù)報(bào)誤差。
目前,許多研究者提出了森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)的方法,但針對(duì)中長(zhǎng)期火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)的文獻(xiàn)較少見(jiàn)。張學(xué)藝[3]參考國(guó)內(nèi)外火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)方法研究的思路及森林火險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)寧夏的實(shí)際情況,對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行逐月調(diào)整,運(yùn)用多個(gè)氣象因子和綜合因子之間相關(guān)關(guān)系,來(lái)確定森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。馮家沛等[4]通過(guò)對(duì)連云港市1987—1993年大小不同的111 次林火查找原因并進(jìn)行天氣分析,指出原全國(guó)森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)方法的不合理部分,并加以改進(jìn),增加了實(shí)效雨量、積雪深度等預(yù)報(bào)因子。高仲亮[5]選取1950—2010年云南省各地州的降水量、平均相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、溫度和風(fēng)速數(shù)據(jù),建立了蒸發(fā)量的線性回歸模型,計(jì)算降水量和蒸發(fā)量之間的差值作為有效保水量,預(yù)報(bào)云南森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)。王艷霞等[6-9]使用1950—1980年云南氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),采用高橋公式計(jì)算了蒸發(fā)量,通過(guò)累積求和計(jì)算有效保水量,提出了預(yù)報(bào)云南森林火險(xiǎn)等級(jí)方法。以上預(yù)報(bào)方法,對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的不準(zhǔn)確問(wèn)題做了改進(jìn),但改進(jìn)模型的普遍適應(yīng)性、可行性存在一定不足或不全面。例如:降水在下墊面作用下的徑流分配與土壤滲透、無(wú)積雪區(qū)域預(yù)報(bào)、降水在連續(xù)干旱條件下的蒸發(fā)與再吸水、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)回歸模型的跨區(qū)域?qū)嵱眯浴㈩A(yù)報(bào)因子的計(jì)算精度等問(wèn)題,都有待進(jìn)一步研究解決。
云南地處中國(guó)西南邊陲,位于北緯21°8'32″ ~29°15'8″,東經(jīng)97°31'39″ ~106°11'47″,東西橫跨864.9 km,南北縱距990 km,總面積3.94 ×105km2。北回歸線橫貫云南省南部,其山地區(qū)域地形復(fù)雜,高差起伏大,山地微氣候特征突出?!笆锊煌?、一山分四季”,是云南山地微氣候時(shí)空分布格局的真實(shí)寫照。同時(shí),由于云南干濕季分明,冬春季節(jié)幾乎無(wú)降水,造成了森林火災(zāi)高發(fā)、頻發(fā)的自然格局。云南山地地形復(fù)雜多樣,森林可燃物類型多樣,載量變化快,山區(qū)林農(nóng)交錯(cuò)分布,火源多而復(fù)雜。
收集云南119 個(gè)常規(guī)氣象站1993—2007年的觀測(cè)數(shù)據(jù),主要包括1—12月月均降水量、溫度、濕度等指標(biāo)。收集山地環(huán)境梯度數(shù)據(jù),主要有:高程數(shù)據(jù)(DEM)、緯度、坡度、坡向、溝谷指數(shù)、緯度、坡向指數(shù)等。
研究區(qū)地形及山地微氣候復(fù)雜,氣象觀測(cè)站稀少,分布不均勻。為了盡可能反映山區(qū)地形對(duì)氣象要素分布的影響,本研究使用1∶ 250 000 比例尺的DEM,其數(shù)據(jù)空間分辨率重采樣為100 m。利用地理信息系統(tǒng)中的空間模擬方法(如關(guān)聯(lián)函數(shù)法、克里金法)對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速等氣象因子進(jìn)行空間連續(xù)化模擬,收集除降水火險(xiǎn)因子之外的其他因子的空間分布數(shù)據(jù)。
陸面蒸發(fā)量的計(jì)算:由于蒸發(fā)量觀測(cè)的準(zhǔn)確資料很少,蒸發(fā)量的計(jì)算依賴于間接計(jì)算。根據(jù)譚冠日等[10]的檢驗(yàn),認(rèn)為傅抱璞[11]蒸發(fā)量計(jì)算公式誤差較小,且公式較嚴(yán)密,具有普遍意義,傅抱璞根據(jù)水熱平衡原理提出的陸面蒸發(fā)量計(jì)算公式為:
式中:E 為陸面蒸發(fā)量;E0為蒸發(fā)力;R 為降水量;m為下墊面參數(shù)。
使用對(duì)高橋公式進(jìn)行修正并增加了海拔高度訂正項(xiàng)后E0模型[10]:
式中:ta為溫度;R 為降水量;h 為海拔;A、B 為訂正系數(shù),A=1.2 ×10-3,B=8 ×10-5。
下墊面參數(shù)的空間模擬:地表徑流越大,森林土壤的含水率越少,降水對(duì)降低火險(xiǎn)的作用越小。傅抱璞[11]認(rèn)為下墊面的透水性好壞決定了地表植被、地表徑流的情況,故將下墊面參數(shù)(m)引入到陸面蒸發(fā)計(jì)算模型中。當(dāng)m 取極小值1 時(shí),表示下墊面透水性最差,植被最少,地面坡度最大,地表徑流最強(qiáng),陸面蒸發(fā)為0,即降水量全部以地表徑流形式流走,未參加地面蒸發(fā)過(guò)程。反之,下墊面透水性好,其覆蓋的植被多,地形平坦,地面徑流就小,m 值就越大,表示全部降水都參加了地面蒸發(fā)過(guò)程。
譚冠日等[10]以云南為研究對(duì)象,指出下墊面參數(shù)與地形起伏度有較好的關(guān)系,提出了m 的計(jì)算公式:
其中:m 為下墊面參數(shù);U 為地形起伏度;Ct為研究區(qū)域經(jīng)緯線與等高線的交點(diǎn)總數(shù);Lm為經(jīng)緯線總長(zhǎng)度;ΔH 為等高線間距;Km為地圖比例尺。
利用ArcInfo 的柵格運(yùn)算功能,采用DEM 的窗口分析法,在GRID 模塊下基于DEM 提取地形起伏度,其計(jì)算理論為一定區(qū)域內(nèi)最大高程和最小高程的差[12],即:U =Hmax-Hmin。其中,Hmax為分析窗口中的最大高程值;Hmin為分析窗口中的最小高程值。用1∶ 250 000 的DEM 作地形起伏度計(jì)算時(shí),最佳分析窗口取21 ×21 大?。?3]。
地表有效保水量計(jì)算模型:將地表有效保水量估算為地表降水量與同時(shí)期陸面蒸發(fā)量差值的動(dòng)態(tài)累加值,即:Rx=其中,Rx為地表有效保水量;Ri為降水量;Ei為陸面蒸發(fā)量。
云南11月至次年4月為旱季,在此期間,地面蒸發(fā)量很大,在當(dāng)年的雨季所保有的水分大部分在旱季結(jié)束前蒸發(fā)。本研究視旱季結(jié)束,雨季到來(lái)之前,即前一年4月結(jié)束時(shí),森林火災(zāi)常發(fā)地區(qū)的地表有效保水量達(dá)最小值,從5月份開始,以0 值開始重新計(jì)算地表有效保有水分。
地表有效降水火險(xiǎn)天氣指標(biāo)模型的建立:由于森林火險(xiǎn)指數(shù)的確定主觀因素比較大,沒(méi)有客觀定量的評(píng)述標(biāo)準(zhǔn),因此將降水火險(xiǎn)指標(biāo)按照[0,50]的取值范圍,按研究區(qū)多年月平均保水量的總體情況,定義有效保水量(Rx)的區(qū)間取值,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定其打分值,得到森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)(F),結(jié)果如表1所示。
表1 有效保水量對(duì)應(yīng)的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)打分表
采用表1地表有效保水量各區(qū)間的中間值和其對(duì)應(yīng)森林火險(xiǎn)指數(shù)建立樣本點(diǎn)集合:{(117,45),(243,40),(369,35),(495,30),(621,25),(687,20)}。由于火險(xiǎn)有最高和最低限制,本研究采用S形曲線形狀的Logistic 生長(zhǎng)曲線模型[14](函數(shù)形式為:Y=(1/u+b0bx1)-1,其中u 為上限值),則u =50。將表1所反映的分段打分函數(shù)改為連續(xù)函數(shù)形式,得到有效保水量的森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)計(jì)算模型:F=50/(1 +50 ×0.002 ×1.004Rx)。其中,F(xiàn) 為有效保水量的森林火險(xiǎn)指數(shù);Rx為地表有效保水量。
氣象因子的空間連續(xù)化模擬:預(yù)報(bào)因子的空間連續(xù)化是實(shí)現(xiàn)森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)精細(xì)化的重要步驟。周汝良等[15]提出“對(duì)于許多宏觀生態(tài)學(xué)、氣象學(xué)、地表過(guò)程中一些物理指標(biāo)的連續(xù)化模擬,如果只有少量稀疏樣本數(shù)據(jù),關(guān)聯(lián)函數(shù)法應(yīng)該是最好的內(nèi)插方法”。因此,基于前人研究基礎(chǔ),使用關(guān)聯(lián)函數(shù)法,對(duì)降水量、溫度、濕度、風(fēng)速等預(yù)報(bào)因子進(jìn)行空間模擬,通用函數(shù)表達(dá)式如下:y =β0+β1x1+… +βpxp+ε 其中,y 為因變量,指降水量、溫度、濕度等氣象因子;x1、x2…xp為自變量,指海拔、經(jīng)度、緯度等地理要素;p 為自變量的個(gè)數(shù);β0為常數(shù),β1、β2…βp為系數(shù);ε 為誤差。
使用SPSS 軟件,將氣象站點(diǎn)觀測(cè)的降水量數(shù)據(jù)及其環(huán)境梯度因子數(shù)據(jù)構(gòu)成的樣本集,使用逐步回歸方法建立降水量關(guān)聯(lián)函數(shù)內(nèi)插模型,以4月月均降水量為例,公式為:R =1692.276-58.729A +2.342Cuv+9.896Slp。其中:R 為降水量(單位:0.1 mm);A 為緯度;Cuv為溝谷指數(shù);Slp為坡度。該方程和系數(shù)均通過(guò)顯著性和有效性檢驗(yàn)。將緯度、溝谷指數(shù)、坡度柵格數(shù)據(jù)代入上述模型,使用ArcGIS 軟件的柵格計(jì)算功能,計(jì)算得出連續(xù)化的降水量空間分布,如圖1所示。
圖1 連續(xù)化降水量空間分布圖
下墊面參數(shù)空間模擬:云南省下墊面參數(shù)結(jié)果如圖2所示,滇西、滇北的地形坡度大,下墊面透水性差,地表徑流強(qiáng),下墊面參數(shù)小,集中在1.1 ~2.5的范圍內(nèi)。滇東地形比滇西北平坦,植被覆蓋多,下墊面透水性較好,m 值大,集中在3 以上。特別地區(qū)的m 值在圖中顯示為NODATA,表示U 值為0,m 值為無(wú)窮大,這表明地形平坦的地方,地表徑流影響很小。
圖2 云南省下墊面參數(shù)分布圖
蒸發(fā)量計(jì)算:當(dāng)下墊面參數(shù)m 為無(wú)窮大,在蒸發(fā)力空間分布(如圖3)上以NODATA 值顯示時(shí),表明降水參加地表徑流的部分很少,可視為沒(méi)有。這種情況下,如果這些區(qū)域蒸發(fā)力值E0大于降水量R,則E=R;如果這些區(qū)域的蒸發(fā)力E0小于等于降水量R 時(shí),則E=E0。
在旱季時(shí),即使降水為0 時(shí),云南省陸面蒸發(fā)量能達(dá)到5 ~15 mm。因此本文在計(jì)算蒸發(fā)量時(shí)若遇到降水量為零或計(jì)算的蒸發(fā)量不足15 mm 的月份時(shí),默認(rèn)此月的蒸發(fā)量為15 mm。將降水量、下墊面參數(shù)、蒸發(fā)力代入蒸發(fā)量計(jì)算的模型得到蒸發(fā)量的空間連續(xù)化分布圖,如圖4所示。從圖中可以看出,緯度愈低,氣溫愈高,蒸發(fā)能力越強(qiáng),蒸發(fā)量也就越大。總體上滇北溫度、降水低于滇南,蒸發(fā)力小于滇南,其蒸發(fā)量也相對(duì)小。
圖3 蒸發(fā)力分布示意圖
圖4 蒸發(fā)量分布示意圖
地表有效保水量計(jì)算:從圖5看出,某些地方保水量值為負(fù)值,僅僅表示截止4月份的蒸發(fā)量值大于降水量,該地區(qū)比較干旱。當(dāng)雨季到來(lái),大規(guī)模的降水便會(huì)為這些地區(qū)補(bǔ)充水分。另外,林內(nèi)植物夜間反吸水作用也緩解了蒸發(fā)對(duì)干旱的貢獻(xiàn)。保水量為負(fù)值的地區(qū)的天氣條件與保水量為正值的地區(qū)比較起來(lái),干旱較嚴(yán)重,火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)較高。從圖中可以看出,保水量分布總體上南部多北部少,西部多東部少,這與云南旱季降水量分布趨勢(shì)大體一致。
云南4月月均保水量火險(xiǎn)天氣指數(shù),見(jiàn)圖6。從圖中可以看出,該火險(xiǎn)天氣指數(shù)呈現(xiàn)空間連續(xù)變化的特點(diǎn),不存在因一個(gè)縣只有一個(gè)氣象站點(diǎn)而出現(xiàn)的整個(gè)縣域只有一個(gè)火險(xiǎn)天氣指數(shù)值的情況?;痣U(xiǎn)天氣指數(shù)較好的反映了云南歷年因降水而表現(xiàn)出的森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度。全區(qū)域分東西兩大階梯變化,滇東大部分地區(qū)具有較大的火險(xiǎn)天氣指數(shù),但具有大河谷存在的落雪和玉溪東南部地區(qū)火險(xiǎn)天氣指數(shù)相對(duì)較小;滇西北、哀牢山以西的滇西和滇南火險(xiǎn)天氣指數(shù)相對(duì)較小,紅河干熱河谷地帶具有明顯較高的火險(xiǎn)天氣指數(shù),呈條帶狀沿元江、紅河從滇中延伸至滇東南。
圖5 有效保水量分布示意圖
圖6 地表有效保水量對(duì)應(yīng)的火險(xiǎn)天氣指數(shù)圖
根據(jù)云南省中長(zhǎng)期火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)模型,計(jì)算得出云南省歷年4月月均森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)(圖7)。比較現(xiàn)有以行政區(qū)劃為單位的火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)(圖8),本文的預(yù)報(bào)結(jié)果因地理環(huán)境的不同而表現(xiàn)出連續(xù)變化的火險(xiǎn)等級(jí),從圖7可以看出,火險(xiǎn)等級(jí)呈逐級(jí)過(guò)渡,不存在相鄰地區(qū)跨越2 級(jí)的地方。云南省4月份月均森林火險(xiǎn)等級(jí)均較高,沒(méi)有火險(xiǎn)天氣等級(jí)是1 級(jí)、2 級(jí)的區(qū)域,省內(nèi)大部分地區(qū)為5級(jí)火險(xiǎn),火災(zāi)發(fā)生的危險(xiǎn)性很高。滇北火險(xiǎn)天氣等級(jí)較滇南高,河谷火險(xiǎn)天氣等級(jí)卻比周圍地區(qū)高。各大河流域內(nèi)火險(xiǎn)等級(jí)相對(duì)低,但也在3 級(jí)到4 級(jí),火災(zāi)較易發(fā)生。
圖7 云南省4月份火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)圖
圖8 以行政區(qū)劃為單位的森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)圖
在考慮地表徑流的陸面蒸發(fā)量的基礎(chǔ)上,探討了云南地表有效保水量的機(jī)理模型,提出了使用表征干旱程度的地表有效保水量,衡量地表水分對(duì)森林可燃物的影響。進(jìn)而建立了基于地表有效保水量的長(zhǎng)期森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)的連續(xù)化模型,并以柵格像素大小為單元預(yù)報(bào)了森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)。
使用地表有效保水量代替降水量和連旱天數(shù),充分考慮火險(xiǎn)期內(nèi),連續(xù)時(shí)間上的地表降水的補(bǔ)充與蒸發(fā)消耗,建立的森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào),彌補(bǔ)了現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的不足,具有較強(qiáng)的可推廣性。與現(xiàn)有的國(guó)家森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)、云南省及其他省份關(guān)于森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)的改進(jìn)方法[16-19]相比,本文所提出的地表有效保水量模型和連續(xù)化的火險(xiǎn)天氣指數(shù)模型,輸入因子容易獲取,方便建立計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)的算法,結(jié)合GIS 的空間分析、地學(xué)統(tǒng)計(jì)分析、空間數(shù)據(jù)表達(dá)等功能,將預(yù)報(bào)因子空間連續(xù)化,可得到連續(xù)化分布的火險(xiǎn)天氣等級(jí)精細(xì)化預(yù)報(bào)圖。預(yù)報(bào)結(jié)果能夠預(yù)報(bào)出行政單位內(nèi)部微地理區(qū)域上的火險(xiǎn)情況,適用于山地起伏變化、氣候變化異常的地理區(qū)域。
改進(jìn)國(guó)家火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)中的地表水分火險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算方法,將分段函數(shù)改進(jìn)為連續(xù)曲線函數(shù),克服了原有指標(biāo)存在的階躍性問(wèn)題。連續(xù)化的火險(xiǎn)指數(shù)模型更加符合火災(zāi)發(fā)生規(guī)律。
以1∶ 250 000 比例尺的DEM 和稀疏觀測(cè)站點(diǎn)所測(cè)得的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),數(shù)據(jù)的精度存在進(jìn)一步提高的空間。由于計(jì)算保水量的關(guān)鍵模型——陸面蒸發(fā)量計(jì)算模型,是傳統(tǒng)較成熟的機(jī)理模型,且獲取一年內(nèi)有效保水量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為困難,因此,未對(duì)蒸發(fā)量和保水量進(jìn)行定量的真實(shí)性檢驗(yàn)。如何結(jié)合熱紅外衛(wèi)星影像反演地表溫度、地表濕度等技術(shù)方法,縮短預(yù)報(bào)期限,進(jìn)一步提高火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性是后續(xù)研究的方向。
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