呼倫貝爾草原火格局及氣候驅(qū)動(dòng)因子分析

秦希

摘 要：氣候因素對(duì)于草原火發(fā)生的驅(qū)動(dòng)作用在草原火的研究中具有重要意義。基于呼倫貝爾地區(qū)2000—2015年16年的MODIS火產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)，在多年時(shí)間尺度下對(duì)研究區(qū)內(nèi)草原火的發(fā)生與氣候因素響應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。結(jié)果表明，通過ArcGIS的Ripley's K函數(shù)對(duì)呼倫貝爾地區(qū)的草原火進(jìn)行空間分析以及Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)，呼倫貝爾地區(qū)草原火在一定空間尺度內(nèi)呈現(xiàn)聚集分布。其發(fā)生與相對(duì)濕度和降水量呈負(fù)相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.127和-0.306 （P<0.001）;與多年平均氣溫和平均風(fēng)速呈正相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.042和0.394（p<0.001）。

關(guān)鍵詞：草原火;空間分布;氣候因素

中圖分類號(hào) X43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2019）05-0127-04

Abstract：The driving force of climate factors on the occurrence of grassland fire is of great significance in the study of grassland fire.Based on the MODIS fire product data and meteorological data from the Hulunbeir area from 2000 to 2015，this paper studies the occurrence of grassland fire and the response of climatic factors in the study area on the multi-year time scale.After spatial analysis of the grassland fire in the Hulunbeir area and Pearson correlation test by the Ripley's K function of ArcGIS，the results show that the aggregate distribution appears in a certain spatial scale.The occurrence of grassland fire in Hulunbeir area was negatively correlated with relative humidity and precipitation.The Pearson correlation coefficients were -0.127 and -0.160 （P<0.001），respectively.It was positively correlated with the average annual temperature and average wind speed.The Pearson correlation coefficients were 0.042 and 0.394 respectively （p<0.001）.

Key words：Grassland fire;Spatial distribution;Climatic factors

草原火的發(fā)生是草地生態(tài)系統(tǒng)中重要的驅(qū)動(dòng)過程[1-3]，也是生態(tài)系統(tǒng)重要的干擾因素之一[4]，草原火的發(fā)生不僅會(huì)破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)，也給當(dāng)?shù)氐娜嗣裆顜砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失[5]。因此，對(duì)草原火的分布格局以及發(fā)生影響因素的研究，對(duì)于管理部門進(jìn)行管理和預(yù)防都具有一定的指導(dǎo)意義。

草原火的發(fā)生受到氣候、可燃物自身性質(zhì)、人為因素以及地形等多種因素的共同影響[6]。然而，在影響火發(fā)生的眾多因素中，最重要的因素是氣候因素，它不但影響可燃物的燃燒性質(zhì)，還會(huì)對(duì)火發(fā)生的蔓延和傳播有一定程度的影響[7，8]。近些年來，受到全球氣候變化的影響，世界各地森林、草原火災(zāi)的發(fā)生次數(shù)都在增加，氣候變化會(huì)增加地區(qū)內(nèi)草原火發(fā)生的可能性[9]，因此，開展氣候與草原火發(fā)生的影響研究具有重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣候與火發(fā)生的研究已有了很多成果，例如，加拿大森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)是世界上發(fā)展最完善，應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)之一[10]，加拿大森林火險(xiǎn)氣候指數(shù)系統(tǒng)（FWI，fire weather index）是其重要的組成部分。通過氣象數(shù)據(jù)反應(yīng)可燃物含水率的變化，將氣象數(shù)據(jù)、可燃物以及火險(xiǎn)有機(jī)結(jié)合在一起[11，12];國(guó)內(nèi)傅澤強(qiáng)等通過降水、氣溫、風(fēng)速以及相對(duì)濕度建立了草原火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)模型[13]。但目前就氣候因素對(duì)于草原火的影響都主要集中在中短期，而在長(zhǎng)期的氣候方面進(jìn)行的研究較少。

內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)有著世界上四大草原之一的呼倫貝爾草原，是重要的草原生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)也是受到草原火較為嚴(yán)重的地區(qū)，隨著氣候變化的加劇，該地區(qū)內(nèi)草原火發(fā)生的可能性不斷增加。本研究基于MODIS火產(chǎn)品數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)，在長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)分析該地區(qū)草原火發(fā)生的空間格局以氣候要素對(duì)于草原火的驅(qū)動(dòng)作用，為有關(guān)部門的管理和監(jiān)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部的呼倫貝爾市，地處115.22～126.06°E和47.08～53.23°N，面積為252.948km2，行政范圍包括陳巴爾虎旗、鄂溫克旗、新巴爾虎左旗和新巴爾虎右旗等13個(gè)旗縣（圖1）。呼倫貝爾市為典型的溫帶大陸性氣候，降水量自東南向西北減少，氣溫自東南像西北遞增。研究區(qū)內(nèi)有豐富的草地資源，是草原火頻發(fā)地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)收集及處理

2.1.1 氣象數(shù)據(jù) 本研究使用的氣象數(shù)據(jù)來自呼倫貝爾市的9個(gè)氣象站點(diǎn)，包括2000—2015年16年的年平均氣溫、年降水量、年平均風(fēng)速以及年平均相對(duì)濕度。通過ArcGIS空間分析的克里金插值方法，對(duì)氣象因素進(jìn)行空間插值，生成研究區(qū)內(nèi)各氣象因素的空間分布數(shù)據(jù)。

2.1.2 草原火點(diǎn)數(shù)據(jù) 本研究使用的草原火點(diǎn)數(shù)據(jù)來自MOD14A1（Terra）和MYD14A1（Aqua）的MODIS火產(chǎn)品數(shù)據(jù)，均為8d合成的3級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率為1km，時(shí)間分辨率為1d。在得到火產(chǎn)品數(shù)據(jù)后，通過MRT進(jìn)行多景影像的鑲嵌、重采樣以及重投影，將投影轉(zhuǎn)為Albers等面積投影，影像格式由原始的HDF格式轉(zhuǎn)換為GeoTIFF的格式。得到的火產(chǎn)品數(shù)據(jù)包含4種信息，分別是：Fire Mask、Quality Assurance、Maximum FRP和Scan Sample，在本研究中用到了Fire Mask部分。Fire Mask里面存儲(chǔ)了每天火發(fā)生的情況，用8位無符號(hào)科學(xué)數(shù)據(jù)集來表示，并且每個(gè)像元都用0～9數(shù)字中一某一個(gè)來表示一類，其中0～9的數(shù)字含義如表1所示。

將處理后的影像通過ArcGIS將呼倫貝爾地區(qū)掩膜提取出來，從而得到研究區(qū)的影像;再將7、8、9的像元提取出來，并轉(zhuǎn)成點(diǎn)，從而得到2000—2015年16年的全部火點(diǎn)數(shù)據(jù)。在得到全部火點(diǎn)數(shù)據(jù)后，通過來自中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所的土地利用數(shù)據(jù)，利用其中的草地?cái)?shù)據(jù)篩選出草原火點(diǎn)。

2.2 研究方法

2.2.1 Ripley's K函數(shù)分析 草原火在空間上的分布可以看作為“點(diǎn)”事件，而“點(diǎn)”事件的空間分布模式并不是一成不變的，可能在不同空間尺度的格局下，呈現(xiàn)出不同的分布格局，在小尺度下呈現(xiàn)出聚集的分布模式，而在大尺度下呈現(xiàn)出離散或者均勻的分布模式[14]。Ripley's K函數(shù)是“點(diǎn)”事件空間模式分析最常用的方法之一，它能夠反映出點(diǎn)格局在整個(gè)空間范圍內(nèi)的變化特征，計(jì)算公式如下：

其中，A為研究區(qū)的面積;n為研究區(qū)內(nèi)草原火點(diǎn)的數(shù)目;d為研究區(qū)內(nèi)草原火點(diǎn)i和草原火點(diǎn)j之間的距離;Wij為在距離d范圍內(nèi)的草原火點(diǎn)i和草原火點(diǎn)j之間的權(quán)重函數(shù)，如果i與j之間的距離小于或者等于d，則權(quán)重為1，否則權(quán)重為0。本研究應(yīng)用Ripley's K函數(shù)來反映2000—2015年16年呼倫貝爾的草原火點(diǎn)分布格局，當(dāng)在一定尺度范圍內(nèi)，觀測(cè)值大于預(yù)測(cè)值時(shí)，為聚集分布;而當(dāng)觀測(cè)值小于預(yù)測(cè)值時(shí)，為離散分布。

2.2.2 核密度分析 根據(jù)Ripley's K函數(shù)的結(jié)果可以看出，呼倫貝爾草原火在一定的空間尺度上呈現(xiàn)聚集分布的特征，對(duì)于點(diǎn)要素的聚集分布，核密度分析常常被用來使用反映點(diǎn)要素分布的相對(duì)集中程度，將離散的草原火點(diǎn)通過插值生成連續(xù)的密度表明，進(jìn)一步表明整個(gè)研究區(qū)內(nèi)草原火點(diǎn)的分布格局。本研究通過ArcGIS的核密度分析對(duì)2000—2016年16年的草原火點(diǎn)進(jìn)行密度估算，將其轉(zhuǎn)為1000m的柵格圖層，對(duì)草原火的空間分布密度進(jìn)行研究。

2.2.3 相關(guān)分析 通過ArcGIS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能將核密度以及氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成ASCII文本文件，進(jìn)一步將文本文件導(dǎo)入SPSS中進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)16年呼倫貝爾地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)與草原火點(diǎn)空間密度之間的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果和分析

3.1 草原火空間分布格局 經(jīng)對(duì)16年的草原火點(diǎn)進(jìn)行核密度空間分析（圖2），結(jié)果顯示，呼倫貝爾16年草原火發(fā)生的頻次范圍為0～0.288次。發(fā)生頻次高的地方主要在呼倫貝爾市的東部鄂倫春自治旗和西部的額爾古納市以及陳巴爾虎旗地區(qū)，最高頻次達(dá)到了0.288次/km·m2;相反，北部地區(qū)根河市以及牙克石市的南部地區(qū)草原火發(fā)生頻次較低。為了進(jìn)一步了解草原火的分布格局，采用Ripley's K函數(shù)將2000—2016年16年的草原火點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，呼倫貝爾草原16年來的草原火點(diǎn)分布情況是在小于240km時(shí)呈現(xiàn)聚集分布狀態(tài)，在大約160km處達(dá)到峰值，而大于240km時(shí)呈現(xiàn)分散分布。

3.2 氣候?qū)Σ菰鸬尿?qū)動(dòng)作用 通過SPSS軟件，將2000—2015年16年的多年平均氣溫，多年平均降水量，多年平均風(fēng)速以及多年平均相對(duì)濕度與核密度進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，用Pearson相關(guān)系數(shù)來表明它們之間的相關(guān)性，結(jié)果如表2所示。從表2可以看到，2000—2015年16的呼倫貝爾草原火的空間分布密度與多年平均相對(duì)濕度、降水量呈負(fù)相關(guān)，而與多年平均氣溫和風(fēng)速呈正相關(guān)，且均通過顯著性檢驗(yàn)（P<0.001，極顯著）。呼倫貝爾地區(qū)地處高緯度，溫度較低，且降水多濕度較大，在降水量本就大的地區(qū)，降水越多，相對(duì)濕度越大，可燃物濕度就會(huì)越高，水分蒸發(fā)的較為緩慢，越不利于草原火的發(fā)生;而當(dāng)溫度升高時(shí)，一方面水分越容易蒸發(fā)，相對(duì)濕度會(huì)相應(yīng)的降低，可燃物的濕度也會(huì)降低，可燃物更加干燥，越易燃，草原火越容易發(fā)生;另一方面，溫度的升高會(huì)使得可燃物越容易接近它的燃點(diǎn)，草原火就更容易發(fā)生;對(duì)于風(fēng)速而言，風(fēng)速越大，越容易將水分帶走，可燃物濕度降低，越干燥，越有利于草原火的發(fā)生。

4 結(jié)論和討論

本研究應(yīng)用了Ripley's K函數(shù)對(duì)呼侖貝爾地區(qū)多年的草原火的空間分布格局進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)的草原火的發(fā)生并不是隨機(jī)的，而是在小于240km時(shí)呈現(xiàn)聚集分布，在大于240km時(shí)呈現(xiàn)分散分布。通過相關(guān)分析表明，草原火的發(fā)生與相對(duì)濕度和降水量呈負(fù)相關(guān)，與多年平均氣溫和平均風(fēng)速呈正相關(guān)。氣候?qū)τ诓菰鸬挠绊懽饔靡恢笔茄芯康臒狳c(diǎn)，本研究基于MODIS數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，在多年的時(shí)間尺度上對(duì)草原火的發(fā)生和氣候因子的相關(guān)性進(jìn)行了探討。氣溫、降水、相對(duì)濕度以及風(fēng)速對(duì)于草原火的發(fā)生都有著不同的驅(qū)動(dòng)作用，為相關(guān)部門對(duì)于草原火的管理和監(jiān)控提供了科學(xué)依據(jù)。但草原火的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的過程，未來可以對(duì)人為因素、可燃物因素以及環(huán)境因素等以及如何與氣候因素共同影響草原火進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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（責(zé)編：張宏民）