吉林省重特大森林火災(zāi)與氣象因子的關(guān)系研究*

關(guān) 山 劉泓禹 高 博 韓喜越 單延龍 杜 帥 尹賽男

(北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 吉林 132013)

吉林省是我國重點(diǎn)林區(qū)省份之一，具有高森林火險(xiǎn)單位多、高森林火險(xiǎn)的林分面積大的特征。吉林省東與俄羅斯接壤，東南部以圖們江、鴨綠江為界與朝鮮相望，邊境線長，防御邊境林火燒入燒出任務(wù)相當(dāng)繁重[1]。截止2017年11月30日，吉林省秋季森林防火期結(jié)束。吉林省實(shí)現(xiàn)了全年無重大森林火災(zāi)和無撲火人員傷亡事故的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)全省連續(xù)37年無重大森林火災(zāi)[2]。但林區(qū)內(nèi)氣溫相對較低，枯枝落葉分解緩慢，加上多年未發(fā)生重大森林火災(zāi)，地表可燃物載量大，一些重點(diǎn)火險(xiǎn)區(qū)可燃物的積累量已達(dá)到30 t/hm2以上，超過國際公認(rèn)的發(fā)生大火的載量極限[3]。在一定地區(qū)和一定時(shí)間范圍內(nèi)，森林可燃物類型及火源條件相對穩(wěn)定，而林火環(huán)境中的氣象條件變化較大。在某種程度上，氣象條件是決定森林火災(zāi)發(fā)生與否的重要因素[4]。因此，有必要研究吉林省歷史上重特大森林火災(zāi)與氣象因子的關(guān)系。

1 研究區(qū)自然概況

吉林省位于中國東北地區(qū)的東部，地處東經(jīng)121°38′～131°19′、北緯40°52′～46°18′。吉林省山地面積占全省總面積的36.0%，濕地面積占28.2%，丘陵面積占5.8%[5]。吉林省作為中國重點(diǎn)林區(qū)之一，全省林業(yè)用地面積為911.64萬hm2，占全省總土地面積的48.3%，其中：有林地面積占全省總土地面積的33.1%，疏林地面積占全省總土地面積的2.3%，灌木林地面積占全省土地面積的2.9%，未成林造林地面積占全省總土地面積的3.2%，無林地面積占全省總土地面積的6.8%。全省森林覆蓋率為35.9%，居中國第5位[6]。吉林省具有顯著的溫帶大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)，四季分明，雨熱同季。有明顯的四季更替，春季干燥風(fēng)大，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷漫長。全省大部分地區(qū)年平均溫度為2～6 ℃，全年日照2 200～3 000 h。全省年降水量400～850 mm，自東部向西部有明顯的濕潤、半濕潤和半干旱的差異。全省無霜期，中部以西150 d左右，東部山區(qū)130 d左右。初霜期一般在9月下旬，終霜期在4月下旬至5月中旬[7]。

2 研究方法

通過搜集1969—1980年間的全部森林火災(zāi)資料，建立Excel資料庫。資料庫包含的字段為：起火地區(qū)、起火單位、起火地點(diǎn)、起火日期時(shí)間、滅火日期時(shí)間、氣象因素 (天氣、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速)、受害森林面積、過火總面積等。

根據(jù)我國森林防火條例第四十條規(guī)定，按照受害森林面積和傷亡人數(shù)，森林火災(zāi)分為一般森林火災(zāi)、較大森林火災(zāi)、重大森林火災(zāi)和特別重大森林火災(zāi)。重大森林火災(zāi)：受害森林面積在100 hm2以上1 000 hm2以下的，或者死亡10人以上30人以下的，或者重傷50人以上100人以下的；特別重大森林火災(zāi)：受害森林面積在1 000 hm2以上的，或者死亡30人以上的，或者重傷100人以上的。由于吉林省發(fā)生的林火中沒有導(dǎo)致死亡人數(shù)10人以上的，因此本研究根據(jù)受害森林面積來劃分的重大和特別重大森林火災(zāi) (以下簡稱重特大森林火災(zāi))。吉林省1969—1980年間共發(fā)生重特大森林火災(zāi)150次，受害森林面積58 405.64 hm2，過火總面積74 014.26 hm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)生重特大森林火災(zāi)的風(fēng)向變化

吉林省重特大森林火災(zāi)的風(fēng)向變化情況見圖1。

圖1吉林省重特大森林火災(zāi)的風(fēng)向變化
Fig.1 The wind direction variation of particularly serious forest fires in Jilin Province

從圖1可知，發(fā)生重特大森林火災(zāi)次數(shù)和面積最多的風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)、西北風(fēng)和西風(fēng)。風(fēng)向和降水有一定關(guān)系，如我國北方的春夏，遇有從海洋吹來的偏東或偏南風(fēng)，空氣中含水量較多，遇冷溫度下降，水汽凝結(jié)，容易產(chǎn)生豐沛的降水。吉林省長白山地區(qū)絕大部分地方刮東南風(fēng)或南風(fēng)后，很容易降水，這對防火是有利的。但也有些風(fēng)向是導(dǎo)致森林火災(zāi)的預(yù)兆，如內(nèi)蒙古和東北地區(qū)，春季刮干旱的西風(fēng)就有可能發(fā)生火情。森林火災(zāi)發(fā)生后，刮西南大風(fēng)可能使火蔓延成大災(zāi)，一時(shí)無法撲救。西北風(fēng)一般溫度較低，但很干燥，相對濕度小，也有助于火的蔓延[8]。吉林省引起重特大森林火災(zāi)的風(fēng)向主要為西風(fēng)和偏西風(fēng)風(fēng)向，尤其是西南風(fēng)和西北風(fēng)，西南風(fēng)會(huì)帶來既干又熱的氣流，會(huì)加快可燃物濕度的降低，氣溫升高，從而容易發(fā)生森林火災(zāi)，因此在刮西南風(fēng)時(shí)，要加強(qiáng)防火管理；在刮西北風(fēng)時(shí)，由于溫度較低，人們的防火意識(shí)低，導(dǎo)致過火總面積和受害森林面積最大，因此在刮西北風(fēng)時(shí)，更要提高警惕。無論在次數(shù)和面積上，發(fā)生特別重大森林火災(zāi)最多的風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，因此更要警惕西北風(fēng)。此外盡管東風(fēng)時(shí)只發(fā)生了一次特別重大森林火災(zāi)，但造成的受害森林面積是最大的，也不能掉以輕心。

3.2 發(fā)生重特大森林火災(zāi)的風(fēng)速變化

吉林省重特大森林火災(zāi)的風(fēng)速變化見圖2。

圖2吉林省重特大森林火災(zāi)的風(fēng)速變化
Fig.2 The wind speed variation of particularly serious forest fires in Jilin Province

從圖2可知，風(fēng)速在3～5級(jí)容易發(fā)生重特大森林火災(zāi)，4級(jí)時(shí)發(fā)生重特大森林火災(zāi)次數(shù)和面積均是最大的。風(fēng)能加速水分蒸發(fā)，促使地被物干燥，著火后還能充分供氧，加速火勢蔓延，因此風(fēng)速是影響重特大森林火災(zāi)發(fā)生率的重要因子。一般情況下，風(fēng)速愈大，火災(zāi)次數(shù)愈多，火燒面積愈大。但是由于人們大多了解大風(fēng)易引發(fā)火災(zāi)，因此風(fēng)力在6級(jí)以上火災(zāi)次數(shù)并不多，林火次數(shù)與風(fēng)力并非直線相關(guān)[8]。但是一旦著火以后，大風(fēng)就可以助燃，極易釀成大火災(zāi)。在9級(jí)風(fēng)時(shí)，雖然是一次森林火災(zāi)，但發(fā)生的火災(zāi)過火總面積最大，達(dá)3 510 hm2，因此在大風(fēng)天我們需要提高警惕，謹(jǐn)防火災(zāi)的發(fā)生。

3.3 發(fā)生重特大森林火災(zāi)的溫度變化

吉林省重特大森林火災(zāi)的溫度變化見圖3。

從圖3可知，當(dāng)溫度在16～20 ℃發(fā)生重特大森林火災(zāi)次數(shù)和面積都最多。在此段溫度內(nèi)，往往天氣晴朗，白天增溫劇烈，風(fēng)速大，火險(xiǎn)維持較高。溫度越高，水分越易蒸發(fā)，會(huì)明顯降低相對濕度，使森林可燃物干燥，提高易燃性，使可燃物達(dá)到燃點(diǎn)所需熱量減少[8]。但30 ℃以上不易發(fā)生重特大森林火災(zāi)，是因?yàn)樵?0 ℃時(shí)吉林處于盛夏，夏季時(shí)樹木枝葉繁茂，含水量較大，林內(nèi)溫度低，不易發(fā)生火災(zāi)；1 ℃以下也不發(fā)生重特大森林火災(zāi)，是因?yàn)闅鉁氐?，一般有雪覆蓋，不易發(fā)生重特大森林火災(zāi)。

圖3吉林省重特大森林火災(zāi)的溫度變化
Fig.3 The temperature variation of particularly serious forest fires in Jilin Province

4 結(jié)論與討論

吉林省引起重特大森林火災(zāi)的風(fēng)向主要為西風(fēng)和偏西風(fēng)風(fēng)向，尤其是西南風(fēng)和西北風(fēng)。在刮西北風(fēng)時(shí)，由于溫度較低，人們的防火意識(shí)低，導(dǎo)致過火總面積和受害森林面積最大。風(fēng)速在3～5級(jí)容易發(fā)生重特大森林火災(zāi)，4級(jí)時(shí)發(fā)生重特大森林火災(zāi)次數(shù)和面積均為最大。在9級(jí)風(fēng)時(shí)，雖然是一次，但過火總面積達(dá)到3 510 hm2，為最大過火總面積。以上分析說明，溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象因子是森林火災(zāi)發(fā)生的顯著相關(guān)因子。

王繼常等[9]利用伊春市1953—2006年的森林火災(zāi)歷史資料，對該區(qū)林火時(shí)空分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明進(jìn)入21世紀(jì)后森林火災(zāi)次數(shù)、面積明顯增加。李德等[10]對四川省近30年的森林火災(zāi)與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)四川省森林火災(zāi)的發(fā)生總體上隨時(shí)間的推移而下降，重災(zāi)區(qū)火災(zāi)與風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和降水量呈顯著性線性關(guān)系。梁瀛等[11]利用新疆北疆地區(qū)1994—2008年森林火災(zāi)資料、氣象資料，分析北疆林區(qū)近15 a年降水量、年平均氣溫變化特征和森林火災(zāi)變化規(guī)律，結(jié)果表明，氣溫升高、年降水量波動(dòng)差異增大，導(dǎo)致森林可燃物積累增多和干燥易燃等因素是北疆林區(qū)森林火險(xiǎn)等級(jí)呈增高趨勢的主要?dú)夂蛟?。鄭瓊等[12]對伊春地區(qū)1980—2010年森林火災(zāi)時(shí)空格局及影響因子進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，空氣濕度、溫度和風(fēng)速是影響林火發(fā)生的3個(gè)主要?dú)庀笠蜃?，空氣濕度增加、溫度降低、風(fēng)速減小，才能減少林火的發(fā)生。以上研究結(jié)果均與本研究有相似之處，均說明氣象因子是森林火災(zāi)發(fā)生的顯著相關(guān)因子。

但森林火災(zāi)的發(fā)生并不完全取決于氣象因子，還與空間地理位置、地形地貌、時(shí)間因子等有關(guān)。張馨月等[13]對四川省林火次數(shù)與氣象因子進(jìn)行相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，氣象因子的前期積累與森林火災(zāi)的發(fā)生有一定關(guān)系，由于不同地區(qū)的地形地貌和植被類型等環(huán)境因素的不同，氣象因子對林火的影響程度不盡相同。梁慧玲等[14]應(yīng)用“隨機(jī)森林”算法對影響福建省林火發(fā)生的主要?dú)庀笠蜃舆M(jìn)行分析，結(jié)果表明， “日最高地表氣溫”、 “日最低地表氣溫”、 “日照時(shí)數(shù)”、 “日最高氣溫” 和 “日最小相對濕度” 等5個(gè)氣象因子是影響林火發(fā)生的主要驅(qū)動(dòng)因子。

由于氣象因子與森林火災(zāi)的發(fā)生密切相關(guān)，有研究人員常用氣象因子預(yù)測森林火災(zāi)的發(fā)生和林火過火面積。曲智林等[15]統(tǒng)計(jì)分析理論研究了黑龍江省林火發(fā)生規(guī)律，并建立了基于氣象因子的森林火災(zāi)面積預(yù)測模型，平均精度達(dá)到63.3%，能夠較精確地預(yù)測林火發(fā)生后林地可能的過火面積。傳統(tǒng)森林火險(xiǎn)預(yù)測方法在特征選擇上主要依據(jù)氣象因子，未考慮時(shí)間因子、空間地理位置、地形地貌等因素，可能在林火預(yù)測中產(chǎn)生較大誤差，傳統(tǒng)預(yù)測模型在面對不同林區(qū)更大的數(shù)據(jù)集和預(yù)測任務(wù)時(shí)，無法快速自動(dòng)調(diào)參和自適應(yīng)調(diào)整輸入特征維度。趙鵬等[16]引入時(shí)間因子和空間因子，豐富火險(xiǎn)預(yù)測特征，建立了基于氣象和時(shí)空因子的森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測的模型。楊久紅等[17]據(jù)森林火災(zāi)的歷史資料，利用徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，建立了基于徑向基網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)預(yù)測系統(tǒng)，針對氣象條件對森林火災(zāi)發(fā)生的影響，提取了溫度、相對濕度、風(fēng)速、降水量幾個(gè)特征參數(shù)作為樣本，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了訓(xùn)練和測試。以上研究說明，預(yù)期長期的氣象因子統(tǒng)計(jì)，結(jié)合森林所在地具體的空間位置、地形地貌等特征，能夠建立較為準(zhǔn)確的森林火災(zāi)預(yù)測模型。

本研究所使用的氣象數(shù)據(jù)和森林火災(zāi)數(shù)據(jù)跨越年限較長，在分析過程中部分?jǐn)?shù)據(jù)因年代較長無法確定，同時(shí)也未結(jié)合林火發(fā)生地的具體空間位置、地形地貌進(jìn)行針對性解析。在今后的研究中可結(jié)合近年來的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行林火發(fā)生和過火面積預(yù)測模型的建立將是今后的重點(diǎn)研究方向。