森林火災(zāi)氣象環(huán)境條件和林火研究

吳春德,孫彥坤

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

森林火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展與火源、可燃物和天氣氣候條件三大要素密切相關(guān)，又稱(chēng)“森林的燃燒三角”，在有利于森林燃燒的天氣氣候條件下， 火源是林火發(fā)生的主導(dǎo)因素， 可燃物的類(lèi)型與特性又與林火的性質(zhì)、大小及其蔓延速度緊密相聯(lián)，是林火發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，大氣的溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)則是林火發(fā)生與發(fā)展的環(huán)境條件。 濕度和大氣降水直接影響著可燃物的水分含量，進(jìn)而決定了可燃物的易燃程度。 風(fēng)能給林火提供充足的氧氣，促使林火蔓延，氣溫高、濕度小、適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速是造成林火的氣候條件。

近年來(lái)世界氣候異常， 其主要原因是 “溫室效應(yīng)、太陽(yáng)黑子活動(dòng)頻繁、厄爾尼諾現(xiàn)象、南方濤動(dòng)、南極冰山融化”等。 根據(jù)美國(guó)國(guó)家氣象中心環(huán)境模擬預(yù)測(cè)，到2050年，大氣中CO2的含量將達(dá)到工業(yè)化前的2倍，北半球的氣溫升高2-4 ℃。 氣候變暖使得年降水量增加，這對(duì)森林防火是有利的。 世界范圍森林火災(zāi)的減少，除與森防人員的努力有關(guān)外，可能還與森防期內(nèi)降水量增加有關(guān)。

2 研究森林火災(zāi)的目的和意義

本文利用黑河市嫩江縣、 遜克縣及大興安嶺林區(qū)等地森林火災(zāi)資料，如嫩江氣象站（海拔242.2 m，49°10′N(xiāo)，125°14′E）溫度、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)向風(fēng)速等資料，分析森林火災(zāi)的火源和火環(huán)境條件、森林火災(zāi)燃燒過(guò)程的天氣氣候條件， 并詳細(xì)分析重大林火燃燒過(guò)程中的某些要素特征及變化， 進(jìn)而提出森林防火的綜合預(yù)防技術(shù)措施和方法,為森林防火的管理和林火預(yù)測(cè)分析提供可靠的依據(jù)， 為森林火災(zāi)的指揮和撲救提供決策依據(jù)，對(duì)預(yù)測(cè)、控制和撲滅森林火災(zāi)，實(shí)現(xiàn)快速、安全、高效滅火，將起到至關(guān)重要的作用， 減少森林火災(zāi)對(duì)國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成的損失。

3 森林火災(zāi)的火源和環(huán)境條件

3.1 火源

據(jù)黑河近幾年森林火災(zāi)資料分析， 引起森林火災(zāi)的火源近98%是人為火源，2%是自然火源（主要是自燃或者雷擊火造成）。 人為火源分為生產(chǎn)火源和非生產(chǎn)火源。 燒荒是最主要的火源，其次為上墳燒紙、野外吸煙、 小孩玩火等。 分別占人為火災(zāi)次數(shù)的33.4%、30.0%、7.0%和3.8%。 吸煙致火主要是火險(xiǎn)季節(jié)入山人員帶火進(jìn)山， 吸煙并亂扔尚帶有火星的煙蒂及燃燒的火柴桿引起的。

3.2 可燃物類(lèi)型

林型有針闊混交林、闊葉混交林等，主要樹(shù)種有落葉松、樟子松、白樺、黑樺、山楊、紅松、云杉、柞樹(shù)、椴樹(shù)等。 地被物有闊葉草、雜灌、三棵針、榛子、杜鵑、胡枝子等。

3.3 林火火焰高度、火線(xiàn)寬度和長(zhǎng)度

森林火按森林可燃物的燃燒部位不同， 可以分為地表火、樹(shù)干火和樹(shù)冠火。 地表火燃燒高度較低，樹(shù)干火和樹(shù)冠火燃燒高度較高。 據(jù)湖北省研究發(fā)現(xiàn)101 次森林火災(zāi)中，地表火約占60%。 地表火可引起樹(shù)干火和樹(shù)冠火。 火線(xiàn)寬度和長(zhǎng)度變化很大，由幾個(gè)火點(diǎn)引起的林火，蔓延擴(kuò)散成災(zāi)，寬度可達(dá)幾公里，長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里。

3.4 林火的年際變化

森林火災(zāi)發(fā)生年變化規(guī)律與氣候干濕有關(guān)。1950-1988年， 重大火災(zāi)次數(shù)偏多， 控火能力較差，1989年到現(xiàn)在人類(lèi)活動(dòng)逐漸增多，火災(zāi)頻發(fā)，但能有效控制，損失少。 從林火發(fā)生次數(shù)來(lái)看，若當(dāng)年防火季降水少，干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，低濕，光照充足，蒸發(fā)量大，林火發(fā)生機(jī)率就大，反之林火發(fā)生機(jī)率小。

3.5 林火的月季變化

經(jīng)分析黑河近年林火發(fā)生次數(shù)表明， 林火主要集中于10-11月和次年3-5月， 為雙峰型。 春季干旱，氣溫回升快，相對(duì)濕度低于年平均值，風(fēng)力較大，加之開(kāi)荒燒山，林中人工活動(dòng)增多，人為火源活動(dòng)頻繁，火災(zāi)集中。10-11月屬次高值。12-2月氣溫低，積雪覆蓋大地，野外火源少，林火極少發(fā)生。 夏季6-8月雨日較多，降水量大，此時(shí)植被返青生長(zhǎng)，綠色植物生長(zhǎng)茂盛，林火較難發(fā)生（特殊年份除外）。

4 森林火災(zāi)與氣象因子及氣候條件的關(guān)系

4.1 森林火災(zāi)與氣溫的關(guān)系

我國(guó)地域廣大，從東到西，從南到北氣溫差異明顯。 溫度越高， 可燃物中水分蒸發(fā)和變干的速度越快，火災(zāi)發(fā)生的可能性越大。 氣溫影響可燃物的著燃性，并隨季節(jié)而改變，高溫還會(huì)促使火勢(shì)更加猛烈。一般情況下， 林火燃燒前一星期日平均氣溫比常年同期偏高1-3 ℃； 林火燃燒前1-4 d,14時(shí)氣溫一般偏高3-8 ℃，升溫幅度大，極值高。

4.2 森林火災(zāi)與風(fēng)速的關(guān)系

風(fēng)是影響火災(zāi)蔓延的主要?dú)庀笠蜃印?從林火發(fā)生、發(fā)展、蔓延至熄滅，風(fēng)速變化很大。 當(dāng)風(fēng)速≤3.0 m/s，有利于著火，但不助火蔓延；風(fēng)速>3.0 m/s時(shí)，火場(chǎng)蔓延擴(kuò)大，危險(xiǎn)性加大。 風(fēng)大加速了可燃物的水分蒸發(fā)，使可燃物變干易燃。 同時(shí)，可不斷補(bǔ)充燃燒區(qū)氧氣，加速燃燒過(guò)程，使火越燒越旺。 如1987年5月6日至6月2日的大興安嶺森林大火，火點(diǎn)多，5月7日前，風(fēng)速<3.0 m/s，未造成大火；7日20 點(diǎn)風(fēng)速增至5級(jí)，23 點(diǎn)10 分平均風(fēng)速增至16-17 m/s，平均風(fēng)力7級(jí)，陣風(fēng)9級(jí)，對(duì)大火的發(fā)展起了推波助瀾的作用，火場(chǎng)迅速蔓延擴(kuò)大。

4.3 森林火災(zāi)與相對(duì)濕度的關(guān)系

空氣的相對(duì)濕度隨季節(jié)和一日中不同時(shí)間的變化很大。 相對(duì)濕度與可燃物含水率有著直接的關(guān)系，含水率的變化受相對(duì)濕度變化的制約。 相對(duì)濕度大，可燃物的含水量就隨之增大，反之減少。 相對(duì)濕度與溫度相似，一般地方時(shí)14時(shí)的相對(duì)濕度大致相當(dāng)于一天中的最小相對(duì)濕度。對(duì)春季而言，林火燃燒前3-7 d 相對(duì)濕度開(kāi)始減小，林火燃燒或發(fā)展當(dāng)日相對(duì)濕度一般<45%，最小為5%，空氣極端干燥，利于林火燃燒發(fā)展。 冬季和夏季相對(duì)濕度較大。

4.4 降雨量及干旱持續(xù)時(shí)間與森林火災(zāi)

降雨量大小及連續(xù)無(wú)雨日數(shù)長(zhǎng)短是確定森林火險(xiǎn)等級(jí)的重要因子，降水量直接影響可燃物含水量，特別是無(wú)生命的可燃物。 雨量大小是決定林火能否蔓延的重要因素。 降雨量小，干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，易引起森林火災(zāi)，林火愈容易燃燒蔓延。 按東北林區(qū)計(jì)算方法，凡降雨量不足5 mm 的日數(shù)，均屬于連續(xù)干旱，連旱天數(shù)超過(guò)10 d 易發(fā)生森林火災(zāi)， 連旱天數(shù)超過(guò)30 d，將可能出現(xiàn)特大森林火災(zāi)。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，連旱天數(shù)（d）與火災(zāi)面積（s）成線(xiàn)性關(guān)系。 即：S=-91182.2549+7872.1264d，其相關(guān)系數(shù)r=0.93，在p=0.05 水平上顯著。如1987年1-4月，漠河、阿木爾降水量<5 mm，對(duì)1986年7月到1987年4月的降水量作分析，在大興安嶺北部形成了一個(gè)少雨中心。其位置是52°30'N 到黑龍江岸，121°30′E-124°30′E，這個(gè)少雨中心恰好同這場(chǎng)大火的火場(chǎng)位置吻合， 因此5月6日到6月2日發(fā)生了大興安嶺特大森林火災(zāi)。

5 森林火災(zāi)期間某些要素特征分析

5.1 大興安嶺87.5.6 特大森林火災(zāi)要素特征分析

5.1.1 大火前的氣候特征

大興安嶺地區(qū)位于我國(guó)最北部， 屬于寒溫帶冷干針葉林氣候型，年平均氣溫-3 ℃，年平均降水量為450 mm，70%-75%的降雨量集中于7、8 兩個(gè)月。每年從5月初積雪融化到6月中旬草木全綠， 干枯雜草和枯枝落葉鋪滿(mǎn)地面，其間最容易發(fā)生火災(zāi)。而1987年這段時(shí)間內(nèi)的氣候特征更為此次大火提供了充分的條件，且已經(jīng)過(guò)了2 a 的孕育期。

5.1.1.1 降水情況

1987年1-4月，漠河、阿木爾降水量<5 mm，比歷年同期平均值少46%。 對(duì)1986年7月-1987年4月的降水量作分析， 在大興安嶺北部形成了一個(gè)少雨中心。 這個(gè)少雨中心恰好同這場(chǎng)大火的火場(chǎng)位置吻合。

5.1.1.2 溫濕情況

1987年， 各地平均氣溫比歷年偏高0.7 ℃以上，其中漠河升高1.1 ℃,5月，相對(duì)濕度最小值出現(xiàn)在古蓮、阿木爾、塔河、十八站一帶。5月6日，塔河最小相對(duì)濕度為6%。 5月7日，漠河、阿木爾的最小相對(duì)濕度為4%。

由此可見(jiàn)，高溫、濕度低、長(zhǎng)期干旱，是釀成大火的重要因素。 在這種氣候條件下， 物質(zhì)的含水量下降，極易燃燒。 據(jù)測(cè)試，當(dāng)枯萎落葉的含水量<7%時(shí)，點(diǎn)著的香煙頭掉在上面， 一瞬間就能燃起2-3 m 高的火焰。

5.1.2 大火前的氣象特征

大興安嶺林區(qū)處于冷暖氣團(tuán)交替的東亞季風(fēng)區(qū)，春秋兩季交替頻繁。 1987年5月7日，新地島冷空氣南下，推動(dòng)貝加爾湖氣旋東移。 處于暖區(qū)內(nèi)的阿木爾從上午8時(shí)起，氣壓每小時(shí)下降100 Pa，風(fēng)力3-4級(jí)，最大升溫幅度每小時(shí)6 ℃，相對(duì)濕度降至5%以下，為爆發(fā)大火提供了充分的氣象條件。 當(dāng)晚20時(shí)后冷鋒面逼近阿木爾,風(fēng)力達(dá)5時(shí)。 23時(shí)，這一帶風(fēng)力增加到6級(jí)以上，氣壓以200 Pa/h 的速度上升。23時(shí)10 分， 火旋風(fēng)掠過(guò)阿木爾時(shí)， 平均風(fēng)速達(dá)16-17 m/s，平均風(fēng)力7級(jí)，陣風(fēng)9級(jí)。 這些氣象條件對(duì)大火的發(fā)展起了推波助瀾的作用。

5.1.3 火災(zāi)原因

違章用火是釀成這場(chǎng)大火的直接原因。 河灣林場(chǎng)、 阿木爾興安林場(chǎng)都是由于工人在野外吸煙引起的；古蓮林場(chǎng)、阿木爾依西林場(chǎng)則是由于割灌機(jī)打火引起的。

5.1.4 可燃物

這場(chǎng)大火火勢(shì)之所以如此猛烈， 除了氣象原因外，可燃物較多也是一大因素。

(1)采伐跡地的枝丫等沒(méi)有清理。

(2)儲(chǔ)木場(chǎng)堆放了大量木材，并與森林相連。

(3)該處城鎮(zhèn)的房屋大部分是木制結(jié)構(gòu)，居民家庭都用木材作燃料。

(4)城鎮(zhèn)中有些家庭儲(chǔ)存了汽油和煤油，起火后燃燒猛烈。

5.2 黑河市林火要素特征分析

5.2.1 火源

嫩江和遜克林區(qū)近6 a 共發(fā)生過(guò)火面積>100 hm2的重大森林火災(zāi)11 次。 2001年10月8-9日燒秸桿引起3 處起火， 導(dǎo)致重大火災(zāi)；2004年10月16-20日燒荒和點(diǎn)燒防火線(xiàn)引起重大火災(zāi)；2005年9月29-10月6日燒荒引起重大火災(zāi)；2006年5月21-31日雷擊木著火引起特大森林火災(zāi)。 這說(shuō)明燒火、燒荒易導(dǎo)致重大火災(zāi)，有極大危險(xiǎn)性。

5.2.2 可燃物

森林可燃物是林火發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)， 包括喬灌木樹(shù)種和地被物。 依據(jù)地被物的可燃程度來(lái)劃分，嫩江和遜克林區(qū)林型有針闊混交林、闊葉混交林等，主要樹(shù)種有落葉松、樟子松、白樺、黑樺、柞樹(shù)、椴樹(shù)等。地被物有闊葉草、雜灌、三棵針、榛子和胡枝子等。

5.2.3 林火蔓延速度

林火蔓延速度分線(xiàn)速度、 面積速度、 周邊長(zhǎng)速度。 本文只研究線(xiàn)速度，即由林火起點(diǎn)到終點(diǎn)的直線(xiàn)距離除時(shí)間求得。 根據(jù)王正非等人的研究結(jié)果，考慮初始蔓延速度，并據(jù)可燃物類(lèi)型、可燃物含水率和對(duì)初始蔓延速度有影響的氣象因子等，建立如下方程：

式中:R0是可燃物在無(wú)風(fēng)時(shí)燃燒初始蔓延速度;T為每日14時(shí)氣溫;W 是每日14時(shí)風(fēng)力;0.048W 項(xiàng)在無(wú)風(fēng)時(shí)為零。 分別算得4 次林火過(guò)程初始蔓延速度如下：

上述數(shù)據(jù)表明， 可燃物初始蔓延速度受氣溫影響較大，隨著氣溫升高，初始蔓延速度迅速加快。

5.2.4 14時(shí)的氣溫變化

地方時(shí)14時(shí)空氣溫度大致相當(dāng)于一天中最高空氣溫度。 林火發(fā)生前3-4 d，平均升溫約2 ℃/d，一天最大升溫11.4 ℃/d，4 d 最大升溫為15.7 ℃。 蔓延期1 d 最大升溫6.9 ℃，4 d 最大升溫為7.1 ℃。 如2006年5月18日、20日、23日，氣溫分別為9.8 ℃、23.6 ℃、26.7 ℃， 其中20日比18日高13.8 ℃，23日比20日高3.1 ℃，氣溫有8 d>25.0 ℃，升溫幅度大，極值大。

5.2.5 14時(shí)的相對(duì)濕度變化

每日相對(duì)濕度與最高空氣溫度相似， 這里采用的14時(shí)相對(duì)濕度大致相當(dāng)于每天最小相對(duì)濕度。 林火發(fā)生前3-4 d 相對(duì)濕度下降，一般在20%-45%，降雨日相對(duì)濕度偏大， 蔓延相對(duì)濕度在20%-35%有1次，7%-21%有1 次，沒(méi)有明顯季節(jié)變化。 如2006年5月18日和21日，相對(duì)濕度分別為70%和13%，4 d下降幅度為57%，可見(jiàn)空氣極端干燥。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)4 次重大森林火災(zāi)的某些要素特征，如蔓延速度、每日14時(shí)氣溫、降水量、每日14時(shí)相對(duì)濕度等進(jìn)行了詳細(xì)討論， 認(rèn)為發(fā)生重大森林火災(zāi)前5-30 d，降雨量比常年同期偏少7 成以上，林火發(fā)生前3-5 d 基本無(wú)降水；林火發(fā)生前3-4 d，平均每天升溫約2 ℃；相對(duì)濕度一般在20%-45%，下降明顯，旱象嚴(yán)重，地被物極其干燥。 溫度、濕度、降水等氣象因子在林火發(fā)生前變化都極為明顯， 為防控森林火災(zāi)提供了可靠的氣象依據(jù)。