我國森林死可燃物含水率與氣象和土壤因子關(guān)系模型研究

李海洋，胡海清，孫　龍

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

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我國森林死可燃物含水率與氣象和土壤因子關(guān)系模型研究

李海洋，胡海清，孫龍*

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

摘要：死可燃物含水率是森林火災(zāi)發(fā)生及蔓延的主要影響因子，也是林火預(yù)測預(yù)報的關(guān)鍵參數(shù)之一。死可燃物含水率預(yù)測方法中氣象要素回歸法相對簡單，預(yù)測結(jié)果比較準(zhǔn)確且適用性強。本文通過分析國內(nèi)近年來死可燃物含水率預(yù)測模型，對各種氣象因子對可燃物含水率的影響及其響應(yīng)進行綜合評述。結(jié)果表明：①氣象要素回歸法在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，但研究比較分散，主要集中在黑龍江省和云南??；②針對研究區(qū)域可燃物含水率預(yù)測比較準(zhǔn)確，但受制于地形和林型條件難以在尺度上進行更大范圍的應(yīng)用和推廣；③前期氣象因子和土壤因子是影響可燃物含水率變化的重要因素，結(jié)合前期氣象因子和土壤因子模型預(yù)測效果較好。

關(guān)鍵詞：死可燃物含水率；氣象因子；土壤因子；預(yù)測模型；森林火災(zāi)

0引言

森林可燃物作為森林燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)是影響林火發(fā)生發(fā)展自然因素中人類能控制的因子之一[1]?？扇嘉锖视绊懼扇嘉镞_到燃點的速度和可燃物釋放熱量的多少[2]，決定著森林火災(zāi)的發(fā)生和蔓延。因此可燃物含水率一直是林火預(yù)測預(yù)報的重要因子之一。當(dāng)前，可燃物含水率主要有4種預(yù)測方法：氣象要素回歸法、平衡含水率法、遙感估測法和過程模型法。這4種方法中平衡含水率法主要應(yīng)用于美國、加拿大等國家的森林火險等級系統(tǒng)[3-4]；過程模型法完全基于物理描述，過程比較復(fù)雜，沒有實際應(yīng)用；遙感估測法起步較晚，隨著遙感技術(shù)出現(xiàn)，適用于大尺度上的可燃物含水率的預(yù)測，但精度低于其他方法。氣象要素回歸法研究最早，采用統(tǒng)計方法，精度較高，但受制于研究區(qū)域的林型和地形，若想廣泛應(yīng)用需進行大量實際監(jiān)測工作。

以上4種方法中，氣象要素回歸法最為簡單，只需采用統(tǒng)計方法將氣象數(shù)據(jù)與可燃物含水率數(shù)據(jù)建立關(guān)系。目前野外氣象站布設(shè)愈發(fā)健全，氣象數(shù)據(jù)精度也在逐漸提高，其適用性廣的優(yōu)勢日益凸顯，是我國主要預(yù)測死可燃物含水率的方法。

1相關(guān)原理介紹

1.1基本方法介紹

氣象要素回歸法主要用來預(yù)測死可燃物的含水率。氣象要素回歸法相對簡單，將可燃物含水率數(shù)據(jù)與相對應(yīng)的氣象因子(氣象站數(shù)據(jù)、野外實測氣象數(shù)據(jù))，通過逐步回歸，建立可燃物含水率與氣象因子關(guān)系模型，達到預(yù)測可燃物含水率的目的。

1.2氣象因子對可燃物含水率的影響機理

氣象因子對可燃物含水率的影響主要包括以下幾個方面。①氣溫：氣溫影響可燃物自身的水分蒸發(fā)和擴散，氣溫越高，水分的蒸發(fā)和擴散越快，可燃物含水率降低。②地表溫度(土壤溫度)：地表溫度越高，土壤水分蒸發(fā)越快，可燃物含水率越低。③空氣相對濕度：空氣中水分直接與可燃物水分進行交換，直接影響可燃物內(nèi)部水分的蒸發(fā)和擴散?？諝庀鄬穸仍酱螅扇嘉锖试礁?。④太陽輻射：太陽輻射直接影響了可燃物的水分蒸發(fā)和擴散，間接影響了可燃物周圍環(huán)境的氣溫和相對濕度，太陽輻射量越大，可燃物含水率越低[5]。⑤連旱天數(shù)：長期干旱天氣使相對濕度降低，從而降低可燃物含水率。⑥土壤含水率：土壤直接與可燃物下層進行水分交換，土壤含水率越高，可燃物含水率越大。⑦降水：降水能降低氣溫，增加林分內(nèi)的空氣濕度，同時增加可燃物表面的水分。降水量越大，可燃物含水率越高。⑧風(fēng)速：風(fēng)可以加速可燃物表面水分蒸發(fā)，風(fēng)速越大，可燃物含水率越低。

可燃物含水率的變化受多種氣象因子影響，但不同氣象因子對可燃物含水率變化的影響程度是不同的，相同氣象因子對不同區(qū)域、不同林型可燃物含水率變化的影響程度也是不同的。

2國內(nèi)現(xiàn)有可燃物含水率與氣象因子關(guān)系模型

國內(nèi)對于森林火險預(yù)報的研究工作起步比較晚，主要是在國外林火預(yù)報系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國森林情況進行研究的。很多研究集中于氣象要素和可燃物情況相結(jié)合的林火發(fā)生預(yù)報。通過預(yù)測可燃物含水率來進行森林火險預(yù)報。國內(nèi)具有開創(chuàng)性的研究始于王正非修正的雙指標(biāo)法[6]，該方法結(jié)合日本城市防火預(yù)測方法，根據(jù)中國林區(qū)的實際情況，采用每日最小相對濕度和最高溫度確定著火指標(biāo)，采用最大風(fēng)速和實效濕度確定林火蔓延指標(biāo)，然后根據(jù)兩個指標(biāo)的綜合來確定火險等級。國內(nèi)大量關(guān)于可燃物含水率的研究始于20世紀(jì)80年代中期，很多學(xué)者將氣象因子與可燃物含水率建立聯(lián)系，探尋了不同因子對可燃物含水率的影響。

2.1東北地區(qū)現(xiàn)有可燃物含水率預(yù)測模型

杜秀文[7]等利用黑龍江省帽兒山林場老山人工林3種林型的可燃物含水率實測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了3種林型春秋兩季可燃物含水率與溫度、相對濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)量和降雨量的多元回歸模型。王棟[8]在黑龍江省老爺嶺5種可燃物類型含水率的預(yù)測研究將連旱天數(shù)加入到預(yù)測模型中，同時以最小相對濕度和最高溫度作為溫濕度指標(biāo)，結(jié)合風(fēng)速、降雨量構(gòu)建的柞木林回歸模型精度達到95%。居恩德等人[9]將可燃物表面溫度作為自變量加入到可燃物含水率預(yù)測模型中，與大興安嶺韓家園子林區(qū)7種林型可燃物含水率進行多元分析后構(gòu)建預(yù)測模型，經(jīng)檢驗后呈顯著相關(guān)性。何忠秋[10]等人根據(jù)平衡含水率理論將大興安嶺死可燃物劃分為1、10、100、1 000時滯4種類型，結(jié)合溫度、相對濕度和降水量構(gòu)建了2種林型的可燃物含水率預(yù)測模型，取得較好的預(yù)測效果。覃先林[11]考慮相對濕度與降水量顯著相關(guān)，分析降水與相對濕度關(guān)系后，將降水量與相對濕度合并成一個因子。且該研究認(rèn)為當(dāng)前時刻可燃物含水率與前一時刻可燃物含水率顯著相關(guān)。單延龍等人[12]分別使用昨日氣象因子與當(dāng)日氣象因子與可燃物含水率構(gòu)建回歸模型，研究結(jié)果表明當(dāng)日氣象因子更適合用來預(yù)測可燃物含水率。張廣英等[13]分別比較了當(dāng)日氣象因子和前5 d氣象因子與可燃物含水率的相關(guān)性。結(jié)果表明，前5 d的氣象因子相關(guān)性普遍優(yōu)于當(dāng)日氣象因子。這與單延龍等人的結(jié)論不同，導(dǎo)致這個結(jié)果的原因可能是研究地區(qū)的不同，氣象因子對可燃物含水率的影響程度不同。張大明等人[14]建立了吉林省長白山紅松闊葉林不同月份可燃物含水率預(yù)測模型，研究表明不同月份氣象因子對可燃物含水率的影響程度是不同的，模型的預(yù)測效果較好。齊永峰等人[15]將凋落物表面溫度，腐殖質(zhì)表面溫度作為自變量預(yù)測大興安嶺地區(qū)興安落葉松人工林細小可燃物含水率，經(jīng)檢驗可燃物含水率實測值與預(yù)測值之間的平均誤差為4.58%。金森[16]為探究加拿大森林火險等級系統(tǒng)能否在我國森林中應(yīng)用，將加拿大火險天氣指標(biāo)系統(tǒng)(FWI)結(jié)合氣象要素回歸法預(yù)測黑龍江省慶安縣曙光林場地表死可燃物含水率，研究表明以相對濕度、降雨量為自變量的氣象要素回歸模型更適合用來預(yù)測該地區(qū)的可燃物含水率。見表1。

2.2西南地區(qū)現(xiàn)有可燃物含水率預(yù)測模型

傅美芬[17]將日平均氣溫和日均相對濕度與云南松地被可燃物含水率進行回歸分析后構(gòu)建了二元回歸模型。李世友[18-19]建立的云南松林和華山松林凋落物表面細小可燃物含水率的預(yù)測模型采用氣溫，相對濕度，凋落物表面溫度和腐殖質(zhì)表面溫度為自變量，經(jīng)檢驗呈顯著相關(guān)性，且研究認(rèn)為樹木持續(xù)落葉也會影響預(yù)測模型的精度。金森等[20]在云南省昆明市結(jié)合FWI方法和氣象要素回歸方法對6種林型的細小可燃物含水率進行了預(yù)測研究，結(jié)果表明，一些加入FWI指標(biāo)的氣象要素回歸模型預(yù)測效果較好。見表2。

表2　西南地區(qū)現(xiàn)有的可燃物含水率預(yù)測模型

2.3西北地區(qū)現(xiàn)有可燃物含水率預(yù)測模型

王得祥等人[21]將前3 d氣溫均值、蒸發(fā)量均值、降水量均值和相對濕度均值加入到可燃物含水率預(yù)測模型中，分析當(dāng)日14時的氣象因子以及前3 d氣象因子對可燃物含水率變化的綜合影響。建立的預(yù)測模型回歸效果十分顯著。王金葉等人[22]選取溫度、相對濕度、降雨量、連旱天數(shù)和風(fēng)速作為可燃物含水率預(yù)測的自變量，構(gòu)建祁連山地區(qū)青海云杉枯落物的含水率預(yù)測模型。羅永忠等人[23]在王金葉等人的研究基礎(chǔ)上，分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)對可燃物含水率的影響不明顯，故剔除風(fēng)速自變量，建立了祁連山地區(qū)4種可燃物類型的含水率預(yù)測模型。經(jīng)檢驗呈顯著相關(guān)性。

表3　西南地區(qū)現(xiàn)有的可燃物含水率預(yù)測模型

2.4其他地區(qū)現(xiàn)有可燃物含水率預(yù)測模型

張思玉[24]以地表溫度、氣溫和相對濕度為自變量構(gòu)建了福建省南平市杉木幼林地表可燃物含水率預(yù)測模型，預(yù)測效果較好。薛家翠等人[25]以晴雨、日照時數(shù)、日平均相對濕度和日最高氣溫為自變量，建立了湖北省恩施市兩個林區(qū)11月～4月的可燃物含水率預(yù)測模型，其預(yù)測值與實測值非常接近。王超等[26]建立了河北省塞罕壩林區(qū)3種死可燃物含水率預(yù)測模型并分別分析了當(dāng)日氣象因子，前一日氣象因子和3 d累積氣象因子與可燃物含水率的相關(guān)性。結(jié)果表明當(dāng)日氣象因子與可燃物含水率相關(guān)關(guān)系最顯著。楊國福等[27]將平均土壤含水率與空氣濕度、風(fēng)速、溫度共同構(gòu)建了浙江省千島湖姥山島4種林型可燃物含水率的預(yù)測模型，模型的精度在76%以上。盧欣艷等人[28]采用以上5種氣象因子建立4種林型可燃物含水率的預(yù)測模型，分析北京西林林場不同可燃物含水率的季節(jié)變化。馬麗芳等人[29]將土壤含水率和不同高度的氣溫和空氣相對濕度加入到含水率預(yù)測模型當(dāng)中，經(jīng)分析后確定了北京市郊林場4種可燃物含水率的預(yù)測模型，經(jīng)檢驗呈顯著相關(guān)。金森等[30]分析了江西省南昌市茶園山林場5種林型死可燃物與氣象要素的關(guān)系，并結(jié)合氣象要素回歸法和FWI方法對該地區(qū)可燃物含水率進行了預(yù)測研究，研究結(jié)果表明，對于該地區(qū)，F(xiàn)WI系統(tǒng)是適用的，但考慮到簡單方便，可采用氣象要素回歸法對該地區(qū)可燃物含水率進行預(yù)測。

表4　其他地區(qū)現(xiàn)有的可燃物含水率預(yù)測模型

3研究展望

對于氣象要素回歸模型，氣象因子的獲取是影響模型精度的關(guān)鍵因素，選取氣象因子應(yīng)充分考慮本身的物理意義和相關(guān)性。羅永忠、張大明和張思玉等人的研究結(jié)果表明風(fēng)速對可燃物含水率的影響不明顯，主要原因是由于林分的阻擋以及野外觀測的風(fēng)速是瞬時風(fēng)速，導(dǎo)致可燃物含水率難以作出實時響應(yīng)。但以往的研究[7]表明風(fēng)速與可燃物含水率呈負(fù)相關(guān)且風(fēng)是影響火行為的重要因子。所以，如何準(zhǔn)確的將風(fēng)速應(yīng)用到死可燃物含水率預(yù)測模型中應(yīng)進行更深入的研究。同時，未來研究應(yīng)考慮更系統(tǒng)、更全面的氣象因子。如Wotton[31]考慮了太陽輻射對可燃物含水率動態(tài)變化影響。

以往很多研究采用的氣象因子數(shù)據(jù)取自氣象站，有些預(yù)測模型精度不高[32]，實際上林下氣象數(shù)據(jù)與氣象站數(shù)據(jù)存在差異，如何將可以簡單獲得的氣象站數(shù)據(jù)與林下實測氣象數(shù)據(jù)建立聯(lián)系從而應(yīng)用到預(yù)測模型是未來研究工作的重點。另外，國內(nèi)很多研究[12-22]所使用的氣象數(shù)據(jù)多采用日平均氣象數(shù)據(jù)或當(dāng)日某一時刻氣象數(shù)據(jù)，缺乏當(dāng)日連續(xù)的氣象數(shù)據(jù)。根據(jù)可燃物含水率的日變化規(guī)律，夜間可燃物含水率高于白天，發(fā)生火災(zāi)的概率較低。但夜間發(fā)生火災(zāi)很難撲救，更易造成巨大的固有性系統(tǒng)損失[33]。因此，有必要獲取24h連續(xù)的氣象數(shù)據(jù)建立全天模型對可燃物含水率進行預(yù)測。

地形因素影響可燃物含水率的動態(tài)變化，我國現(xiàn)有的可燃物含水率預(yù)測模型很少考慮地形要素。而實際上，坡度、坡向和坡位以及海拔等地形因素，也會導(dǎo)致局地氣象要素的變化，直接或間接地影響可燃物含水率的變化[5]。因此在未來的可燃物含水率預(yù)測研究中應(yīng)充分的考慮地形因素的影響。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，很多學(xué)者進行了一些降雨量和土壤屬性以及森林健康度的模擬研究[34-38]，而地理信息系統(tǒng)技術(shù)能否應(yīng)用在可燃物含水率的空間模擬中有待探究。

我國地域遼闊，可燃物類型復(fù)雜，當(dāng)前的研究僅僅是針對每個地區(qū)的不同森林類型建立的預(yù)測模型，研究比較分散，所建立的可燃物含水率預(yù)測模型精度也各不相同。有的研究[9]通過點燒實驗，將可燃物含水率預(yù)測模型與初始引燃含水率或熄滅含水率相結(jié)合，從而建立森林火險等級系統(tǒng)。可燃物含水率的預(yù)測值與實測值之間的誤差會降低火險等級系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。如果預(yù)測誤差過大，就會造成火險預(yù)報的錯誤。因此，未來的研究需全國范圍內(nèi)統(tǒng)一布設(shè)氣象站點和可燃物含水率連續(xù)監(jiān)測站點，并需要統(tǒng)一可燃物模型構(gòu)建參數(shù)與方法，為未來構(gòu)建國家級火險等級預(yù)報系統(tǒng)提供更為可靠的模型與參數(shù)。

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Research on Relational Models of Moisture Content of Dead ForestFuel with Meteorological Factors and Soil Factors in China

Li Haiyang，Hu Haiqing，Sun Long*

(School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：The moisture content of dead fuel is the main influence factor of forest fire occurrence and spread，and the key parameter of forest fire prognosis and prediction.The method of meteorological element regression is relatively simple，and the predict result is very accurate and applicable.The effects of a variety of meteorological factors on dead fuel moisture content and the responses were comprehensively reviewed by analyzing the prediction models in recent years in this paper.The results showed that：① the method of meteorological element regression was widely applied in China，but the research regions were decentralized，mainly in Heilongjiang and Yunnan province.② The prediction of fuel moisture was relatively accurate in the research area，but can’t be applied and promoted in wider scale due to the restriction of complex topographies and different forest types.③ Early meteorological factors and soil were the important factors for the varieties of dead fuel moisture.The prediction models with these factors had better prediction results.

Keywords：moisture content of dead fuel；meteorological factors；soil factors；prediction model；forest fire

中圖分類號：S 762.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)03-0001-06

作者簡介：第一李海洋，碩士研究生。研究方向：可燃物含水率模型。*通信作者：孫龍，教授，博士。研究方向：林火生態(tài)與管理。E-mail：381362219@qq.com

基金項目：林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404402)

收稿日期：2015-11-12

引文格式：李海洋，胡海清，孫龍.我國森林死可燃物含水率與氣象和土壤因子關(guān)系模型研究[J].森林工程，2016，32(3)：1-6.