陜西森林火災重災年與北半球副熱帶高壓面積指數(shù)的關系研究

沈姣姣,張宏芳，巨曉璇，高紅燕，曹　岳

(1.陜西省氣象服務中心，西安 710014；2.陜西省森林防火指揮部辦公室，西安 710082)

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陜西森林火災重災年與北半球副熱帶高壓面積指數(shù)的關系研究

沈姣姣1,張宏芳1，巨曉璇1，高紅燕1，曹岳2

(1.陜西省氣象服務中心，西安 710014；2.陜西省森林防火指揮部辦公室，西安 710082)

摘要：根據(jù)陜西省1954—2013年森林火災統(tǒng)計數(shù)據(jù)和1951—2013年北半球副熱帶高壓面積指數(shù)(SHPAINH)逐月觀測數(shù)據(jù)，采用異常度和距平分析方法，研究了森林火災重災年當年及前后各3年逐月北半球副熱帶高壓面積指數(shù)(SHPAINH)變化特點。研究發(fā)現(xiàn)，陜西省森林火災重災時段以關鍵年前3年至關鍵年前2年北半球副熱帶高壓面積指數(shù)(SHPAINH)出現(xiàn)持續(xù)負距平為前提條件，關鍵年前1年11月開始出現(xiàn)顯著正距平，同時自關鍵年前3年開始，10月異常度指數(shù)出現(xiàn)先增大后減小的單峰型曲線，據(jù)此可以推斷未來一段時間內(nèi)陜西可能處于森林火災高火險時段，致災潛力較大，這一結(jié)果可為當?shù)厣只馂闹貫哪甑念A測和森林火災防控物資的調(diào)度提供參考。

關鍵詞：森林火災重災年；異常度；距平分析；火災預測

森林火災是當今世界發(fā)生面廣、危害性大、最為嚴重的自然災害之一，不僅使大量的森林資源被燒毀，還會嚴重破壞生態(tài)平衡，因此，關于林火研究一直是世界各國重要的研究課題之一[1-2]。迄今國內(nèi)學者從不同角度對我國森林火災的變化進行了研究[3-5]。森林火災的發(fā)生主要受氣象條件、可燃物特性、火源與管理措施的影響，森林火災的變化是非常復雜的[6-7]。現(xiàn)代林火研究表明，一定區(qū)域范圍內(nèi)的森林火災年際變化是振蕩起伏的，具有以不甚確定的周期交替出現(xiàn)森林火災重災時段(重災年、季)、相對安全時段和一般年份的特點[8]。森林火災重災年是大空間尺度范圍內(nèi)森林火災致災潛力年際變化過程中間歇出現(xiàn)的一種具有高致災潛力的年份，這種年份一般約占歷史年數(shù)的25% ～ 30%，但所造成的損失高達歷史森林火災總損失的80% ～ 90%[9]。因此，探索和研究森林火災重災時段的形成規(guī)律和原因，對科學預測和控制森林火災的危害和損失，具有重大的經(jīng)濟意義和社會減災指導作用。

近年來，隨著森林火災成因和規(guī)律研究的不斷深化，全球性大氣環(huán)流異常變化誘發(fā)災異的可能性及其可能機制的研究日益受到人們的關注。王述洋研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江林區(qū)的森林火災重災年與太平洋赤道附近海域海溫(SST)持續(xù)正距平期顯著正相關，且以該海域-2aSST異常變冷為前期背景[10]，進一步分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的森林火災多發(fā)生在厄爾尼諾年或次年和南方濤動指數(shù)SOI持續(xù)負值期，且SOI絕對值越大，災情愈重[9]。厄爾尼諾現(xiàn)象與森林火災密切相關，特別是與100萬hm2以上的森林火災顯著相關[11]，但不同地區(qū)森林火災年際活動與厄爾尼諾的遙相關關系并不完全相同[12]，厄爾尼諾對森林火災的強化作用可能是由于厄爾尼諾期間正常緯向環(huán)流受阻，正常路徑被破壞的二次效應[10,13]。陳華等研究表明，大興安嶺地區(qū)高火險時段前3年4月至前1年9月北半球副熱帶高壓面積指數(shù)持續(xù)呈負距平，并在當年1- 2月呈正距平[14]。20世紀90年代以來，亞洲經(jīng)向環(huán)流和東亞冬季風減弱、亞洲區(qū)極渦面積減小使得黑龍江省春季冷空氣偏少、偏弱，氣候偏暖，高森林火險期增長[15]，2006年春季大興安嶺地區(qū)特大森林火災的發(fā)生同樣是由于亞洲中高緯地區(qū)徑向環(huán)流偏弱、緯向環(huán)流偏強、冷空氣活動少強度弱、南支水汽偏南引起的[16]。當4月份緯向環(huán)流指數(shù)Iz與經(jīng)向環(huán)流指數(shù)Im之差偏大或偏小時，吉林省可能出現(xiàn)全省性或部分地區(qū)的偏旱(濕潤系數(shù)小)的氣候，有利于林火發(fā)生[17]。

陜西地處中國西北內(nèi)陸的中緯度地區(qū)，大氣環(huán)流的異?；顒邮欠駮Ξ?shù)厣只馂漠a(chǎn)生影響，如果存在影響，是否可以提取一些具有預報意義的指示因子，是值得我們探究的問題。本文擬通過對陜西省森林火災重災年與北半球副熱帶高壓面積指數(shù)(SHPAINH)之間的關系進行分析，探索北半球副熱帶高壓異?；顒訉﹃兾魇∩只馂牡挠绊懸?guī)律，以期為當?shù)厣只馂母呋痣U時段和林火致災潛力的預測提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況

陜西省地處我國西北內(nèi)陸的中緯度地區(qū)，地處105°29′ ～ 111°15′E和31°42′ ～ 39°35′N之間，全省地域南北長、東西窄，南北長約880 km，東西寬約160～490 km，可分為陜北黃土高原、關中平原和陜南秦巴山地地貌區(qū)。陜北黃土高原海拔800～1 300 m，約占全省總面積45%，關中平原西起寶雞，東至潼關，平均海拔520 m，面積約占全省土地總面積的19%，陜南秦巴山地包括秦嶺、巴山和漢江谷地，約占全省土地總面積的36%。陜西屬大陸性季風氣候，冬季受蒙古冷高壓控制，寒冷干燥，夏季受西太平洋副熱帶高壓和印度低壓影響，炎熱多雨，春秋為過渡季節(jié)，春暖干燥，秋涼濕潤，年平均氣溫7 ～ 16 ℃，年降水量320 ～ 1 258 mm。

陜西省森林火災主要發(fā)生在冬春季節(jié)(12月至次年5月)，每年10月1日至次年5月1日為森林防火期。陜西省現(xiàn)有森林面積767.56萬 hm2，森林覆蓋率37.26%，省內(nèi)森林主要分布在秦嶺、巴山、關山一帶，由于自然、社會、火源管理等方面的問題，森林火災發(fā)生比較頻繁，火災損失嚴重，森林防火工作十分艱巨。

2資料與方法

2.1資料

森林火災數(shù)據(jù)主要包括火災次數(shù)和受害森林面積，1954—2013年陜西省森林火災數(shù)據(jù)(1967—1972年缺失)由陜西省森林防火指揮部辦公室提供，1951—2013年北半球副熱帶高壓面積指數(shù)(SHPAINH)來源于中國氣象局國家氣候中心。為討論簡單起見，下文中北半球副熱帶高壓面積指數(shù)均用SHPAINH代替。

2.2方法

采用異常度分析方法計算森林火災重災年及前后各3年逐月SHPAINH的異常度指數(shù)。異常度分析方法是探測重大自然災害現(xiàn)象及其可能原因的有效方法[15]，王述洋等也多次將其應用于森林火災的研究中[8-10]。具體方法如下：

2.2.1關鍵年選擇選取受害森林火災面積(hm2)和森林火災嚴重度[hm2(a·次)-1](圖1)均超過其多年平均值的突出年份為關鍵年，用z標記，并控制所選的關鍵年總數(shù)4≤m≤1/3統(tǒng)計年數(shù)(n)，經(jīng)綜合判斷確定出關鍵年為1960，1978，1980和1995年。

圖1　陜西省森林火災受害森林面積(hm2)與森林火災嚴重度[hm2(a·次)-1]

2.2.2異常度求算設欲研究的某一環(huán)境因子X～N(a,s2)，其時間序列為X={x1,x2,……x1,xn}，則該因子在關鍵年(z)、關鍵年前1年(z-1)及后1年(z+1)的異常度Qz、Qz-1、Qz+1分別由下式計算(前2年、前3年和后2年、后3年的異常度計算以此類推)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，n為統(tǒng)計年數(shù)；m為關鍵年數(shù)；s為因子時間序列值的標準差。運用公式(1)、(2)(3)分別計算關鍵年、關鍵年前1年和后1年的異常度值Qz、Qz-1、Qz+1，若|Q|≥1.5或2.0，說明該統(tǒng)計值是有意義的，信度分別可達93%和97%。

2.2.3距平分析采用距平分析方法計算森林火災重災年及前后各3年逐月北半球副熱帶高壓面積指數(shù)(SHPAINH)的距平百分比。

(9)

3結(jié)果分析

3.1距平分析

運用距平分析方法分析了陜西省森林火災重災關鍵年(z)、關鍵年前1年(z-1)、關鍵年前2年(z-2)、關鍵年前3年(z-3)和關鍵年后1年(z+1)、關鍵年后2年(z+2)、關鍵年后3年(z+3)SHPAINH的距平百分比(圖2)。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陜西省嚴重森林火災發(fā)生前，SHPAINH異?；顒用黠@，具有一定的指示意義。具體表現(xiàn)為：

陜西森林火災關鍵年前3年(z-3)和前2年(z-2)SHPAINH出現(xiàn)長達2年左右的持續(xù)負距平狀態(tài)(平均為-13.92%)，關鍵年前1年(z-1)2月開始至關鍵年(z-1)SHPAINH轉(zhuǎn)為正距平，關鍵年前1年(z-1)6 —9月持續(xù)出現(xiàn)低谷期(距平百分比僅+0.71%～+8.62%)，10月開始SHPAINH迅速增加(由9月+4.21%增加至10月+30.80%)，并持續(xù)維持正距平狀態(tài)，關鍵年前1年(z-1)10月至關鍵年(z)2月共5個月期間SHPAINH距平百分比平均為+47.0%。

因此推斷，若SHPAINH持續(xù)出現(xiàn)長達2年左右的負距平狀態(tài)(-40% ～ 0)，此后開始轉(zhuǎn)為正距平(0 ～ +60%)，并維持1年以上的時間(此過程中可能會出現(xiàn)3 ～ 4個月的低谷期)，可以推斷接下來的一年里陜西將發(fā)生較嚴重的森林火災。

圖2　森林火災關鍵年及前后各3年SHPAINH距平百分比/%

3.2異常度分析

運用異常度分析方法分析了陜西森林火災重災關鍵年(z)、關鍵年前1年(z-1)、關鍵年前2年(z-2)、關鍵年前3年(z-3)和關鍵年后1年(z+1)、關鍵年后2年(z+2)、關鍵年后3年(z+3)的SHPAINH異常度變化規(guī)律(表2)。異常度指數(shù)的符號表示其偏離多年均值的方向。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，陜西森林火災關鍵年前3年(z-3)至前2年(z-2)SHPAINH異常度出現(xiàn)長達2年左右的持續(xù)負距平(關鍵年前2年1 -4月出現(xiàn)短期弱的正距平)，前2年(z-2)11月開始異常度指數(shù)轉(zhuǎn)為正距平，關鍵年前1年(z-1)至關鍵年(z)異常度指數(shù)出現(xiàn)長達2年左右持續(xù)正距平。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，10月異常度指數(shù)遠高于其余月份，為一些孤立點，但是逐年10月異常度指數(shù)存在一些明顯的變化規(guī)律。關鍵年前3年(z-3)、前2年(z-2)、前1年(z-1)和關鍵年(z)10月異常度指數(shù)出現(xiàn)單峰性曲線，前1年(z-1)10月異常度為峰值(7.14)，關鍵年(z)當年為6.49，逐年10月異常度指數(shù)變化規(guī)律亦可為較明顯的預測指標。

整體來看，陜西發(fā)生較嚴重森林火災前，SHPAINH異常度出現(xiàn)“負(前3年至前2年)—正(前1年至關鍵年)”的顯著轉(zhuǎn)變，由于重火災發(fā)生前異常信號穩(wěn)定、持續(xù)，加之關鍵年前3年至關鍵年當年每年10月異常度指數(shù)出現(xiàn)“先增大后減小”的單峰曲線指示，兩者結(jié)合可為當?shù)厣只馂拈L期預測提供依據(jù)(表1)。

表1　森林火災關鍵年及前后各3年SHPAINH異常度

4結(jié)論

(1)陜西森林火災發(fā)生前，北半球副熱帶高壓面積指數(shù)(SHPAINH)出現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定的異常信號，可以作為當?shù)厣只馂牡拈L期預測預報依據(jù)之一。

(2)若北半球副熱帶高壓面積指數(shù)(SHPAINH)出現(xiàn)由負至正的顯著轉(zhuǎn)變，負距平狀態(tài)和正距平狀態(tài)各自持續(xù)2年左右，在此期間10月異常度指數(shù)出現(xiàn)連續(xù)3年增加后開始減小的轉(zhuǎn)折，則北半球副高面積指數(shù)(SHPAINH)正距平狀態(tài)持續(xù)的第2年(亦即10月異常度指數(shù)減小的當年)，可以推斷陜西將發(fā)生較嚴重的森林火災，可為當?shù)厣只馂牡念A測預報和防控物資的調(diào)度提供參考。陜西森林火災高火險時段與太陽黑子、南方濤動異常變化的關系在另一篇文章中詳述。

(3)從天、地、生多種因子“耦合共創(chuàng)”重災時段背景的條件出發(fā)[12]，僅利用北半球副熱帶高壓面積指數(shù)、太陽黑子、南方濤動等的異常變化來預測森林火災的發(fā)生，是不科學不嚴謹?shù)模M一步研究應與可燃物類型、氣候因子的變化、太平洋海表溫度變化等因子相聯(lián)系。

參 考 文 獻

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收稿日期：2015-12-02

基金項目：陜西省氣象局研究型業(yè)務重點科研項目“森林火險預報預警技術應用研究”(2014Z-2)資助。

作者簡介：沈姣姣(1986-)，女，工程師，碩士，主要從事應用氣象和公共氣象服務研究。E-mail：shenjiaojiao86@163.com。

中圖分類號:S762.1

文獻標識碼:A

文章編號:1001-2117(2016)01-0009-05

The Relationship between Serious Forest Fire Year (SFFY) in Shaanxi and the Subtropical High Pressure Area Index of Northern Hemisphere (SHPAINH)

SHEN Jiao-jiao1, ZHANG Hong-fang1, JU Xiao-xuan1, GAO Hong-yan1, CAO Yue2

(1.ShaanxiMeteorologicalServiceCenter,Xi,an,Shaanxi710014,China；2.OfficeofforestfirecommandinShaanxiProvince,Xi,an,Shaanxi710082,China)

Abstract:Based on the annual forest fire statistics in the year of 1954 to 2013 in Shaanxi Province and the monthly subtropical high pressure area index of the northern hemisphere (SHPAINH) of 1951 to 2013, the variation of SHPAINH in three years ahead of the serious forest fire year (SFFY) and three years after the serious forest fire year (SFFY) was studied through the abnormal degree analysis and anomaly analysis. The result showed that, as a prerequisite to SFFY in Shaanxi Province, there was persistent negative anomaly for SHPAINH from the third year to the second year ahead of SFFY. In November of the first year ahead of SFFY, SHPAINH began to appear significant positive anomalies. At the same time, abnormal degree index in October appeared single peak curve which first increased then decreased since the third year ahead of SFFY. It could be estimated that Shaanxi maybe in a higher fire danger in the later future and the potential probability of fire is larger.

Key words:Serious forest fire year (SFFY); abnormal degree; anomaly analysis; fire forecast