清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)變化特征分析

羅瑞婷 殷美祥 彭窈 胡瓊文

摘要 利用清遠(yuǎn)市氣象站1976—2015年逐日氣象觀測資料，通過布龍-戴維斯方案及修正后的布龍-戴維斯方案計(jì)算出森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)，采用線性傾向估計(jì)法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、小波分析等方法，分析清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)變化特征。結(jié)果表明，近40年來清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)增長趨勢明顯，火險(xiǎn)指數(shù)年內(nèi)變化具有季節(jié)性特征，從夏季開始逐漸增加，9月—次年2月指數(shù)比較高，10月份達(dá)到峰值，春季開始指數(shù)逐漸下降，5月降至最低值；Mann-Kendall突變檢驗(yàn)分析表明，從20世紀(jì)80年代初火險(xiǎn)指數(shù)呈明顯上升趨勢，上升的突變點(diǎn)是1994年；小波分析表明，火險(xiǎn)指數(shù)存在16～32、11～23年尺度的準(zhǔn)2次振蕩，27年左右的周期振蕩最強(qiáng)，為指數(shù)變化的第1主周期，18和5年時(shí)間尺度分別為指數(shù)變化的第2、第3主周期，3個(gè)周期的波動(dòng)控制著指數(shù)在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的變化特征。

關(guān)鍵詞 森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)；變化特征；突變檢驗(yàn)；小波分析；清遠(yuǎn)市

中圖分類號(hào) S762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）14-0163-03

Analysis on the Change Characteristics of Forest Fire Weather Index of Qingyuan City

LUO Ruiting1，YIN Meixiang2，PENG Yao3 et al （1.Qingyuan Early Warning Information Publishing Center，Qingyuan，Guangdong 511510；2.Guangdong Meteorological Public Service Center，Guangzhou，Guangdong 510640；3.Qingxin District Meteorological Bureau， Qingyuan， Guangdong 511800）

Abstract Using daily meteorological observation data from Qingyuan City Meteorological Station from 1976 to 2015， the forest fire weather index was calculated by the BronDavies scheme and the modified BronDavies scheme， the linear tendency estimation method，MannKendall mutation，wavelet analysis and other methods were used to analyze the change characteristics of forest fire in Qingyuan City.In the past 40 years， the growth trend of forest fire weather index in Qingyuan City had been obvious.The change of forest fire weather index had seasonal characteristics，it began to rise in the summer，September to February was higher，the peak appeared in October.It began to fall from spring， the lowest value appeared in May.MannKendall showed that the forest fire weather index had been on the rise since the early 1980s，the rising point of mutation was 1994.Wavelet analysis showed that the forest fire weather index appeared Quasi two concussion of 16-32 years and 11-23 years scale， the period of 27 years was the strongest， which was the first main period of index changes， the 18 and 5 year scales were the second and third main period of index changes.The fluctuations in the three cycles control the change characteristics of the index in the whole time domain.

Key words Forest fire weather index；Change characteristic；Mutation test； Wavelet analysis； Qingyuan City

森林火險(xiǎn)與降水量、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)等氣象因子和氣候條件密切相關(guān)[1-2]。全球氣候變化趨暖加劇了森林火災(zāi)的發(fā)生，森林火釋放巨大的煙塵嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，又進(jìn)一步加劇氣候變化。早在20世紀(jì)50年代，我國氣象和林業(yè)專家在前蘇聯(lián)、加拿大、 美國等研究成果的基礎(chǔ)上，開始對(duì)森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)進(jìn)行研究[3-5]。國家氣象中心利用特大火災(zāi)歷史數(shù)據(jù)反復(fù)驗(yàn)證，對(duì)美國的布龍-戴維斯方案進(jìn)行了修正，并運(yùn)用到日常業(yè)務(wù)中。鄭海青等[6]也提出了福建省的森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)的計(jì)算方法。戴叢蕊等[7]、魯韋坤等[8]利用多個(gè)氣象因子和森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)分級(jí)指標(biāo)，研究出了云南省森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)模式。清遠(yuǎn)市位于廣東省西北部，北江中下游、南嶺山脈南側(cè)與珠江三角洲的結(jié)合帶上，森林覆蓋率高，據(jù)2003年林業(yè)統(tǒng)計(jì)資料匯編反映，全市林業(yè)用地面積1 390 568 hm2，是廣東省的重點(diǎn)林區(qū)。因此，分析清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)指數(shù)變化特征對(duì)提高森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要的意義。筆者利用1976—2015年清遠(yuǎn)市氣象站逐日氣象觀測資料，采用線性傾向估計(jì)法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和小波分析法，分析了近40年來清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)變化特征。

1 資料與方法

選取清遠(yuǎn)市氣象站1976—2015年逐日氣象觀測資料，利用布龍-戴維斯方案（公式1）及修正后的布龍-戴維斯方案（公式2），并經(jīng)過加權(quán)平均、地表狀況和降水系數(shù)訂正最終得出森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)I

式中，v、T、f分別為14：00風(fēng)速（m/s）、氣溫（℃）、相對(duì)濕度（%），F(xiàn)為可燃物濕度+14：00相對(duì)濕度×0.25（%），m為連續(xù)無雨日數(shù)（d），Iv（v）、IT（T）、…、I′m（m）是由布龍-戴維斯火險(xiǎn)氣象因子及其指數(shù)查對(duì)表（表略）及修正后的布龍-戴維斯火險(xiǎn)氣象因子及其指數(shù)查對(duì)表（表略）查算得出。Cr是降水修正系數(shù)，當(dāng)日有降水Cr=0，當(dāng)日無降水Cr=1；Cs是地表修正系數(shù)，取值為1；A、B為權(quán)重系數(shù)0.3與0.7，最終計(jì)算出清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)Inmc。然后利用線性傾向估計(jì)法、Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)分析及小波分析等方法[5，9-10]，分析清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)時(shí)間分布特征

2.1.1 年際、年代際變化特征。從圖1可看出，近40年來清遠(yuǎn)市年森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)總體呈線性增長趨勢，相關(guān)系數(shù)r=0.469 8，通過t=0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，表明在信度為0.01的水平下清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)增長趨勢明顯；由5年滑動(dòng)平均變化趨勢可得出，20世紀(jì)70年代末—80年代初森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢，而20世紀(jì)80年代初—2015年呈緩慢波動(dòng)增長趨勢。

2.2 森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)的突變檢驗(yàn)

由Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)變化曲線（圖3）中的UF曲線得知，從20世紀(jì)80年代初開始，清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢，1991、2000、2011年為波峰，1983、1994、2002年為波谷，1994年后增加趨勢更為顯著，2003年后顯著性水平大于 0.05 臨界線（U=±1.96），甚至超過0.001顯著性水平（U=±2.56），表明清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)上升趨勢是非常顯 著的。UF和UB曲線存在一個(gè)交點(diǎn)，表明在1994年存在突變，且這種突變通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

2.3 森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)的小波分析 由圖4a可知，1976—2015年清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)變化過程中存在23～32、16～32、11～23和3～11年的4類尺度的周期變化規(guī)律。其中，在16～32、11～23年尺度上均出現(xiàn)了偏高-偏低交替的準(zhǔn)2次振蕩，而3～11年尺度的周期變化在1995年后表現(xiàn)較為穩(wěn)定。

小波變換系數(shù)的模值能反映能量密度，是各種時(shí)間尺度變化周期所對(duì)應(yīng)的能量密度在時(shí)間域中的分布情況，系數(shù)模值越大，說明其所對(duì)應(yīng)時(shí)段和尺度的周期性就越明顯。從圖4b可以看出，在清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)變化過程中，19～32年時(shí)間尺度模值最大，說明該時(shí)間尺度周期變化最明顯，4～18年時(shí)間尺度的周期變化次之，其他時(shí)間尺度的周期性變化較小。

小波變換系數(shù)的模方能顯示出不同周期的振蕩能量，等同于小波能量譜。由圖4c可知，18～32年時(shí)間尺度的能量最強(qiáng)、周期最顯著，14～20和3～7年時(shí)間尺度能量雖然較弱，但周期分布比較明顯。

小波方差則表示時(shí)間序列中該尺度周期波動(dòng)的強(qiáng)弱，能反映清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)時(shí)間序列的波動(dòng)能量隨尺度的分布情況，可用

來確定指數(shù)變化過程中存在的主周期。從圖5可看出，1976—2015年清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)存在3 個(gè)較為明顯的峰值，它們依次對(duì)應(yīng)著5、18、27年的時(shí)間尺度。其中，最大峰值對(duì)應(yīng)著27年的時(shí)間尺度，說明27年左

右的周期振蕩最強(qiáng)，為清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)變化的第1主周期；18年時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第2峰值，為指數(shù)變化的第2主周期；第3峰值對(duì)應(yīng)著5年的時(shí)間尺度，為指數(shù)變化的第3主周期。說明這3個(gè)周期的波動(dòng)控制著指數(shù)在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的變化特征。

3 小結(jié)

（1）近40年來清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)增長趨勢明顯，火險(xiǎn)指數(shù)年內(nèi)變化具有季節(jié)性特征，9月—次年2月指數(shù)比較高，10月份達(dá)到峰值，春季開始指數(shù)逐漸下降，5月降至最低值，并通過t=0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，表明這種變化趨勢非常顯著。

（2）Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)分析表明，從20世紀(jì)80年代初開始清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)呈明顯上升趨勢，上升的突變點(diǎn)是1994年。

（3）小波分析表明，近40年來清遠(yuǎn)市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)存在16～32、11～23年尺度的準(zhǔn)2次振蕩，27年左右的周期振蕩最強(qiáng)，為指數(shù)變化的第1主周期，18和5年時(shí)間尺度分別為指數(shù)變化的第2、第3主周期，3個(gè)周期的波動(dòng)控制著指數(shù)在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的變化特征。

參考文獻(xiàn)

[1]

傅澤強(qiáng)， 陳動(dòng)， 王玉彬.大興安嶺森林火災(zāi)與氣象條件的相互關(guān)系[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2001， 29（1）：12-15.

[2] 傅澤強(qiáng)， 戴爾阜.大興安嶺森林火險(xiǎn)季節(jié)動(dòng)態(tài)特征及其氣候條件分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)， 2001， 10（4）：113-116.

[3] 牛若蕓， 翟盤茂， 孫明華.森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)及其構(gòu)建方法回顧[J].氣象， 2006，32（12）：3-9.

[4] WAGNER C E.A comparison of the Canadian and American forest fire danger rating systems[R].Petawawa Forestry Experiment Station ， Chalk River，Ontario，Information Report PSX59，1974.

[5] MCRAE R.Reengineering fire danger index[R].ACT Emergency SCrvices Bureau，2002.

[6] 鄭海青，陳敬平，張星，等.福建省森林火險(xiǎn)天氣等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2001，22（3）：37-43.

[7] 戴叢蕊，李蒙，張明達(dá).云南省森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)模式研究[J].科技資訊，2014（29）：236-239.

[8] 魯韋坤，李湘，余凌翔，等.云南省森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)區(qū)劃研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（3）：322-328.

[9] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2007：71-104.

[10] 國世友， 高煜中， 潘華盛，等.黑龍江省春季高森林火險(xiǎn)期年代際變化特征[J].氣象科技， 2009， 37（1）：57-63.