可燃物干燥指數(shù)在草地火險預(yù)警中的應(yīng)用

黃寶華

(1.煙臺市不動產(chǎn)登記中心，煙臺 264003； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)(煙臺)理工學(xué)院，煙臺 264670)

0 引言

陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體——森林與草地，在全球氣候變化中發(fā)揮著重要作用?；馂?zāi)是森林與草地面臨的諸多災(zāi)害中影響最大的災(zāi)害，其燒毀森林草地，降低森林草地的更新能力，引起土壤貧瘠并破壞植被涵養(yǎng)水源的功能，導(dǎo)致環(huán)境破壞，造成大氣污染[1-2]。隨著全球變暖，未來全球發(fā)生的森林草地火災(zāi)將會增加，為此，迫切需要了解森林草地火災(zāi)發(fā)生發(fā)展規(guī)律，開展森林草地火險預(yù)測預(yù)報，為森林草地的防災(zāi)減災(zāi)提供決策支撐信息[3]。相對于森林，草地具有類型單一、生長過程區(qū)域高度均勻等特征，針對其特征應(yīng)研究適用于草地的火險預(yù)報方法。草地火險與草地的生長季節(jié)有著顯著的關(guān)系，枯草期的草地火險主要由氣象因子決定，生長期(初期，發(fā)育期、中期和晚期)的草地火險主要由草地的活可燃物的水分含量決定。生態(tài)系統(tǒng)中活可燃物含水量是影響火災(zāi)易燃危險的關(guān)鍵因素[4-5]，活可燃物含水量和易燃性在燃燒過程中的逆相關(guān)性會導(dǎo)致熱量的損耗而影響火勢的蔓延[6-7]。在美國圣塔莫尼卡山脈[8](加利福尼亞州)和西班牙[9]大火中已證實活可燃物含水量對火勢的影響，活可燃物含水量是可燃物易燃空間連通性的重要內(nèi)容，也是火災(zāi)發(fā)生概率的主要影響因子[10]。

傳統(tǒng)利用GIS方法對氣象站點(diǎn)點(diǎn)位數(shù)據(jù)插值生成火險因子數(shù)據(jù)，其精度會隨距氣象站點(diǎn)距離的增加而降低[11]，不能反映大范圍實際環(huán)境條件，且費(fèi)用高、耗時長。利用遙感方法來估算活可燃物含水量克服了上述缺點(diǎn)，但現(xiàn)有的遙感活可燃物含水量估算主要利用植被指數(shù)，估算精度低。由于活可燃物含水量與蒸騰作用的潛熱和顯熱通量有著密切關(guān)系，本文利用其關(guān)系構(gòu)建了基于生物物理特性與能量交換原則的可燃物干燥指數(shù)來監(jiān)測草地植被生長季節(jié)的火險預(yù)報模型[12]。利用遙感和氣象數(shù)據(jù)獲取可燃物干燥指數(shù)所需參數(shù)，大大提高了火險監(jiān)測速度、范圍和精度。

1 可燃物干燥指數(shù)構(gòu)建

1.1 能量平衡方程

依據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，地表接收的能量以不同方式轉(zhuǎn)換為其他運(yùn)動形式，使能量保持平衡，這一交換過程可用地表能量平衡方程來表示，即[13]

Rn=G+H+λE，

(1)

式中：Rn為地表太陽凈輻射通量；H為下墊面到大氣的顯熱通量(又稱感熱通量)，即下墊面與大氣間湍流形式的熱交換；λE為從下墊面到大氣的潛熱通量，即下墊面與大氣之間水汽的熱交換，其中λ為水汽的汽化潛熱，E為蒸散量；G為土壤熱通量，即下墊面土壤中的熱交換，上述所有通量單位為W·m-2。

1.2 理論基礎(chǔ)

根據(jù)能量平衡原理，葉片與空氣溫差的變化取決于太陽凈輻射的強(qiáng)弱和作物蒸騰量的大小。研究植物的蒸騰特性與抗旱性之間的關(guān)系表明，當(dāng)植物獲得充分的水分供應(yīng)時，葉片溫度因蒸騰而下降，溫度下降并低于其在蒸騰抑制時所能達(dá)到的溫度。植被水分充足時，有足夠多的水分用于蒸發(fā)，此時的顯熱通量非常??； 在干旱脅迫條件下，植物能夠通過氣孔的開閉來調(diào)節(jié)植物蒸騰耗水量的大小，而旱生植物在水分充足時同樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的蒸騰作用，當(dāng)植物處于水分虧缺狀態(tài)時，為了防止細(xì)胞失水，氣孔部分關(guān)閉，氣孔阻力加大，使得蒸騰作用潛熱減少，顯熱增加，葉片溫度相應(yīng)上升[14]。據(jù)此，利用顯熱和潛熱通量構(gòu)建可燃物干燥指數(shù)Fd，其中有效能量A(凈輻射通量Rn和土壤熱通量G之差)劃分為顯熱和潛熱交換(H+λE)。Rn和G方向向下，顯熱和潛熱通量方向向上，EF反映了可燃物表面濕度情況，公式為

(2)

(3)

當(dāng)EF>1時，可燃物水分充足，實際中設(shè)置EF上限為1(需要注意的是，當(dāng)EF>1時，H<0的情況在平均超過24 h很少發(fā)生)。從EF≈1變化到EF≈0表示植被表面從濕潤到干燥的變化情況。因此，利用EF得到可燃物干燥指數(shù)Fd。Fd提供了可燃物的表面干燥情況，F(xiàn)d在0附近時，植被含水量高，潛在火險低； 當(dāng)上升到1時，植被含水量降低，火災(zāi)發(fā)生機(jī)會增加。

1.3 遙感潛熱/顯熱通量計算方法

凈輻射通量Rn[15]為

Rn=Qin(1-α)+(Sin-Sout)-(1-ε)Sin，

(4)

(5)

(6)

ε=1.009+0.047ln(NDVI)，

(7)

Qin=Gsc×cosθ×dt×tsw，

(8)

tsw=0.75+2×10-5h，

(9)

(10)

θ=arccos(sinφsinδ+cosφcost)，

(11)

(12)

(13)

式中：α為地表反照率；Sin為太陽入射的長波輻射，W·m-2；Sout為地表發(fā)射的長波輻射，W·m-2； S為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，即5.67×10-8W·m-2·K-4；Ta為空氣溫度；To為地表溫度；ε為地表比輻射率，又稱發(fā)射率，是一個無量綱量，在[0，1]之間，根據(jù)經(jīng)驗公式，當(dāng)?shù)乇淼臍w一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)在0.157～0.727之間時，ε可以通過NDVI近似求取，限定當(dāng)0

顯熱通量H[18]為

(14)

(15)

(16)

zh=8z0，

(17)

(18)

由Allen等[19]提出計算土壤熱通量G的方法，其表達(dá)式為

G/Rn=0.4e-0.5LAI。

(19)

從而利用Rn，H和G根據(jù)式(1)計算潛熱通量。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

2.1 山東省草地概況

山東省草地面積約占全省土地總面積的10%(圖1)，其結(jié)構(gòu)特征為中覆蓋草地面積大，而高覆蓋草地和低覆蓋草地面積小。中覆蓋草地面積占全省草地總面積的54.3%，高覆蓋與低覆蓋草地面積之和占全省草地總面積的46.7%。草地面積總體呈減少趨勢，其中火災(zāi)是一個主要原因。山東省草地分布比較集中，在全省17個城市中，草地面積較大的城市分別為煙臺、臨沂、青島和東營，分別占全省草地面積的25.19%，18.39%，7.55%和7.25%； 其余各城市草地面積相對較小[22]。山東省大面積天然草地自春季地溫回升后，一般保持在0℃以上即開始萌發(fā)返青。隨著氣溫逐漸升高，草地凈第一性生產(chǎn)量亦隨之增加，至8月份達(dá)到了最高產(chǎn)量，也是植株營養(yǎng)成分最豐富的時期。待秋季來臨，隨著氣溫下降，至11月上旬植株開始枯黃，草地的地上部分便成為立枯凋落的可燃物。

圖1 2010年山東省植被類型分布

2.2 數(shù)據(jù)源

1)MODIS 產(chǎn)品： 使用6種MODIS產(chǎn)品，分別為MOD11C1(每日地表溫度)、MOD13A1(16 d歸一化植被指數(shù)NDVI，空間分辨率為500 m)、MOD14A1(每日熱異常，火災(zāi)和生物量燃燒，空間分辨率為1 km)、MOD15A2(8 d葉面積指數(shù)LAI)、MOD43B3(16 d表面反射Albedo，空間分辨率為1 km)，時間范圍為2010年全年的包括31個火點(diǎn)和均勻分布的14期數(shù)據(jù)(DOY 93，113，127，140，157，171，187，207，230，241，255，271，288，301)。原始MODIS 產(chǎn)品存儲采用分級數(shù)據(jù)格式、正弦曲線投影，因此對其進(jìn)行了投影變換、鑲嵌、掩模(提取子區(qū))和值域變換等預(yù)處理。

2)DEM數(shù)據(jù)： SRTM(shuttle Radar topography mission)數(shù)據(jù)主要是由美國國家航空航天局和國防部國家測繪局聯(lián)合測量的，空間分辨率為30 m。

3)氣象數(shù)據(jù)： 所用的風(fēng)速、溫度等氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。利用GIS的插值權(quán)法對山東省分布著的20個國家基準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的實測氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，得到覆蓋山東省的柵格氣象數(shù)據(jù)。

4)土地利用數(shù)據(jù)： 利用旱區(qū)寒區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的基于多源數(shù)據(jù)融合方法得到的中國1 km空間分辨率的土地覆蓋圖[23]，利用土地利用類型中的草地數(shù)據(jù)提取MOD14A1火點(diǎn)。

由DEM計算得到tsw，由θ,dt和tsw計算得Qin； 由氣象站點(diǎn)插值得到的Ta，再與tsw計算得到太陽入射的Sin； 由MOD13A1計算得到ε，MOD11C1得到To，再由ε和To計算得到Sout； 由MOD43B3得到α，再由式(4)計算得到Rn。由MOD13A1得到作物高度zh，由MOD15A2的LAI計算得到D，利用MODIS紅外資料反演Ts，再由式(14)計算得到H。從而由能量平衡方程計算得到λE，由H和λE構(gòu)建可燃物干燥指數(shù)。利用土地利用數(shù)據(jù)提取草地，分析可燃物干燥指數(shù)在草地火險中的應(yīng)用。

3 結(jié)果與分析

3.1 Fd獨(dú)立樣本檢驗、火險等級劃分及模型驗證

3.1.1 獨(dú)立樣本檢驗

對31個火點(diǎn)與隨機(jī)選取的62個非火點(diǎn)的Fd值進(jìn)行T檢驗，目的是利用來自2個總體的獨(dú)立樣本，推斷2個總體的均值是否存在顯著差異。表1為火點(diǎn)與非火點(diǎn)處Fd值的均值檢驗結(jié)果。

表1 火點(diǎn)/非火點(diǎn)Fd分組統(tǒng)計量

分析結(jié)論通過2步完成： ①2個總體方差是否相等條件下的Levene檢驗，該檢驗的F統(tǒng)計量觀測值為30.948，對應(yīng)的概率P值為0.000，顯著性水平α為0.05，由于概率P值小于0.05，所以2個總量的方差有顯著差異； ②2個總體均值的檢驗，由于2個總體方差有顯著差異，因此應(yīng)分析表2中第2行假設(shè)方差不相等時T檢驗的結(jié)果。其中T統(tǒng)計量觀測值為12.228，對應(yīng)的雙尾開率P值為0.000，顯著性水平α為0.05，由于概率值小于0.05，所以2個總體的均值有顯著性差異，即火點(diǎn)與非火點(diǎn)處的Fd平均值存在顯著差異。表2中的均值差值和標(biāo)準(zhǔn)誤差值分別為T統(tǒng)計量的分子和分母； 最后2列分別為2個總體差的95%置信區(qū)間的上限和下限。

表2 火點(diǎn)/非火點(diǎn)Fd獨(dú)立樣本的檢驗結(jié)果

3.1.2Fd與美國潛在火險指數(shù)對比

為了驗證Fd的使用效果，將其與美國潛在火險指數(shù)(fire potential index, FPI)對比研究。FPI模型在不考慮火源的情況下估測植被的點(diǎn)燃系數(shù)，模型假設(shè)： ①如果活、死植被的濕度被合理提出，就能預(yù)測林火發(fā)生的可能性； ②植被的綠度為活植被的濕度提供有用的參照； ③細(xì)小死可燃物濕度對火傳播至關(guān)重要，所以利用10 h時滯可燃物濕度來代表細(xì)小死植被濕度； ④因為風(fēng)是短暫即逝的，所以可以不考慮風(fēng)的因素，F(xiàn)PI模型定義為

FPI=100(1-FMC10HRFRAC)(1-VC) ，

意象美術(shù)作品則不拘泥于客觀物象的真實再現(xiàn)，美術(shù)家的主觀認(rèn)識和情感滲透所占的比重要多一些。中國畫里的寫意畫以簡練概括的筆墨表現(xiàn)物象的意態(tài)神韻與畫家的個性情感，是典型的意象美術(shù)。

(20)

式中：FMC10HRFRAC為10 h時滯死可燃物濕度和水分消失量比；VC為植被覆蓋度。

將FPI與Fd指數(shù)模型應(yīng)用于山東省2010年4月8日火災(zāi)分析，結(jié)果顯示兩者沒有明顯的相關(guān)性(R2=0.001 2)(圖2(a))。這是因為2個模型的構(gòu)建及輸入數(shù)據(jù)不同，F(xiàn)PI指數(shù)中忽略了風(fēng)速影響，風(fēng)是火災(zāi)發(fā)生和蔓延的主要因素之一，風(fēng)不僅能加快可燃物水分蒸發(fā)，加速干燥而使可燃物易燃，而且同時不斷補(bǔ)充新的氧氣，增加助燃條件，加速燃燒過程。Fd指數(shù)在能量平衡方程與生物物理基礎(chǔ)上構(gòu)建，具有明確的物理意義，且風(fēng)參加了顯熱計算。在4月8日著火點(diǎn)前6 d的Fd與FPI指數(shù)變化情況上可以看出，火災(zāi)前6 d的FPI指數(shù)整體呈現(xiàn)較為穩(wěn)定高值狀態(tài)，其中前一天的FPI值呈現(xiàn)一個微小的增長，指示效果不明顯；Fd指數(shù)則變化較大，在火災(zāi)前3 d呈現(xiàn)一個變幅較大的增長趨勢，火災(zāi)前一天達(dá)到最大值(圖2(b))。這說明火災(zāi)前3 d的Fd值對火災(zāi)發(fā)生起到良好的指示作用，F(xiàn)d指數(shù)通過植被物理性質(zhì)來預(yù)測植被干燥程度。

(a) 火災(zāi)Fd和FPI相關(guān)性分析 (b) 火災(zāi)發(fā)生前6 d的Fd和FPI指數(shù)變化

3.1.3 火險等級劃分和模型驗證

火災(zāi)風(fēng)險估計主要是確認(rèn)變量的潛在貢獻(xiàn)，并將其集成為一個數(shù)學(xué)表達(dá)式，即一個指數(shù)中，通過量化指數(shù)來表示風(fēng)險級別，反映了火災(zāi)發(fā)生的可能性與蔓延的風(fēng)險性。利用等間距分類法將山東省Fd進(jìn)行分類，將火災(zāi)危險程度共分為5類，按照森林火險措施來對草地進(jìn)行火險等級劃分，如表3所示。

表3 基于可燃物干燥火險指數(shù)Fd的草地火險等級劃分

圖3(a)表示山東省2010年全年31個火點(diǎn)數(shù)量隨時間分布情況，該區(qū)火點(diǎn)主要集中在3—4月間，這與山東省的防火期基本一致。由于9月中旬以來的持續(xù)干旱，導(dǎo)致了9—10月的火點(diǎn)增多。通過火點(diǎn)處的Fd值統(tǒng)計信息可以看出火點(diǎn)落在火險等級為Ⅱ級的有4個，占全部火點(diǎn)的12.9%； Ⅲ級的有9個，占全部火點(diǎn)的29.0%； Ⅳ級的有10個，占全部火點(diǎn)的32.3% ； Ⅴ級的有8個，占全部火點(diǎn)的25.8%(圖3(b))，該統(tǒng)計情況證實了可燃物干燥指數(shù)的應(yīng)用價值。

(a) 火點(diǎn)隨時間分布 (b) 火險等級與火點(diǎn)頻率關(guān)系

3.2 Fd與草地生長季節(jié)關(guān)系分析

3.2.1 基于LAI/NDVI的草地生長階段劃分

(a) 日最低溫度 (b) 植被覆蓋度

(c) 草地高度 (d) LAI

本文中優(yōu)勢牧草、稀疏牧草以LAI開始減小作為生長中期結(jié)束，喬木、灌木取參考值。山東省2010年牧草生長中期為6月初—8月上旬(圖4(d))。生長晚期從開始成熟一直持續(xù)到完全衰老為止，據(jù)此判斷山東省2010年牧草生長晚期為8月上旬—11月初(圖4(d))。

3.2.2 植被生長階段與Fd關(guān)系

2010年草地生長季節(jié)的14期的H，λE和Fd與DOY的關(guān)系分別如圖5所示。通過圖5可以看出，F(xiàn)d與草地植被生長季節(jié)有著緊密的關(guān)系，通過H與λE曲線發(fā)現(xiàn)H與λE隨草地植被的生長過程呈現(xiàn)較為明顯變化特征。草地生長初期和發(fā)育期2個時期，H>λE，且生長初期的H與λE變化程度大于發(fā)育期的變化程度，F(xiàn)d呈現(xiàn)一個先升后降的高火險狀態(tài)。其中A的位置由于該時期的干燥導(dǎo)致呈現(xiàn)一個突變，該位置的突變說明了Fd在植被生長期的火險監(jiān)測作用。生長中期由于植被含水量的增加，因此H<λE，且隨生長過程變化程度呈現(xiàn)先增后減，F(xiàn)d表現(xiàn)為一個低火險狀態(tài)。晚期由于植被含水量開始減少，因此晚期開始階段H<λE，后期H>λE，F(xiàn)d呈現(xiàn)增長狀態(tài)，并在晚期的中后段達(dá)到高火險狀態(tài)。

(a) λE, H與DOY關(guān)系 (b) 可燃物干燥指數(shù)曲線

2010年DOY 25，140，241和301的Fd值分布如圖6所示。可以看出圖6(a)時期山東全省Fd值較高，主要是因為該時期草地剛開始生長，植被水分含量少，且植被覆蓋度小。其中高Fd值區(qū)域西部地區(qū)要大于東部地區(qū)，主要原因是該時期西部溫度高于東部地區(qū)； 圖6(b)時期隨植被生長進(jìn)入發(fā)育期，含水量的增加，雖然部分地區(qū)Fd值仍然較高，但覆蓋面積減少明顯，且主要集中于膠東半島和泰安附近，主要是因為這2個區(qū)域的風(fēng)速較高，導(dǎo)致可燃物易于失水； 圖6(c)時期全省呈現(xiàn)低火險值，因為夏季雖然氣溫高，但是空氣相對濕度大、風(fēng)速低、降水量大，是草地營養(yǎng)成分、水量最豐富的時期，不易燃燒，并有阻火作用，但如遇強(qiáng)火被加熱干燥后也能燃燒?？扇嘉餄穸却笾苯佑绊懼鸬碾y易程度，如引燃概率、引燃時間等。且夏季草地郁閉度高，直接關(guān)系到下面可燃物的水分和小氣候的變化。一般情況下郁閉度越高，射入草內(nèi)的輻射能量越弱，因而草內(nèi)的溫度就越低，造成蒸發(fā)弱，溫度低，物質(zhì)不易燃燒。因此夏季Fd值降低，火險危害性減小； 圖6(d)時期全省Fd值均較高，因為自9月開始，山東全省持續(xù)特大干旱，旱情發(fā)展總體上呈現(xiàn)持續(xù)時間長、秋冬春3季連旱、干旱范圍廣和影響面不斷擴(kuò)大的特點(diǎn)，從魯南到魯北、從半島到內(nèi)陸、從山區(qū)到平原，全省草地均同時遭遇到了氣象干旱。濱海草地主要分布在黃河三角洲地區(qū)的東營市和濱州市，2市草地受旱面積已達(dá)30多萬hm2，占2市草地總面積的80%以上； 沿黃河下游流域和南四湖區(qū)域周邊的草地，特別是菏澤、濟(jì)寧2市草地牧草生長已受到嚴(yán)重影響，牧草分蘗數(shù)減少，地上植株干燥程度提高； 低山丘陵地區(qū)的草地，主要分布在棗莊、泰安、萊蕪、臨沂和日照等市，這些城市由于干旱導(dǎo)致牧草春后萌發(fā)明顯延遲，新生芽生長也受到不同程度的抑制。地表干枯可燃物由于蒸騰作用，使葉叢脫水，導(dǎo)致顯熱通量大于潛熱通量，F(xiàn)d值升高。

(a) DOY 25(b) DOY 140

(c) DOY 241(d) DOY 301

4 結(jié)論

蒸騰作用是影響植被水分虧缺的主要因素，它通過顯熱和潛熱變化表現(xiàn)出來，因此由兩者構(gòu)建的可燃物干燥指數(shù)(Fd)具有明確的生物物理特征。本研究基于能量平衡原理結(jié)合遙感(MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù))與氣象(溫度、風(fēng)速)數(shù)據(jù)反演出潛熱和顯熱通量，有效提高了參數(shù)的估算精度。主要結(jié)論如下：

1)通過對2010年山東省31個火點(diǎn)與隨機(jī)選取的62個非火點(diǎn)的Fd進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗，概率值小于0.05，表明2個總體的方差和均值都存在顯著性差異。

2)將Fd與美國潛在火險模型(FPI)用于2010年4月8日的火險預(yù)警研究，結(jié)果表明火災(zāi)前Fd指數(shù)變化明顯，且前3 d的Fd值具有較好的指示作用，而FPI指數(shù)變化不明顯，F(xiàn)d較FPI能夠更好地指示火險，可以作為草地火險預(yù)報的有效工具。

3)2010年山東省31個火點(diǎn)數(shù)據(jù)的Fd值采用等間距分類法在Ⅲ級以上的占87.1%，Ⅰ級為0，火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)與火災(zāi)風(fēng)險預(yù)警高的區(qū)域吻合較好，說明了Fd指數(shù)的應(yīng)用價值。通過均勻分布于2010年草地生長季節(jié)的14期的H與λE關(guān)系圖和利用H與λE計算的可燃物干燥指數(shù)(Fd)曲線圖可以看出Fd與草地植被生長季節(jié)有著緊密的關(guān)系，隨植被生長期(初期、發(fā)育期、中期和晚期)呈現(xiàn)不同的變化，初期和發(fā)育期的Fd值較高，但呈下降趨勢； 中期Fd值低； 晚期Fd值高，呈現(xiàn)上升趨勢。

基于生物物理和能量平衡原理基礎(chǔ)上的可燃物干燥指數(shù)，具有明確的生物、物理意義，方便發(fā)展和集成以后多種不同的火險模型?？扇嘉锔稍镏笖?shù)可以脫離地域限制，適合于全球草地火險監(jiān)測，如通過LiDAR數(shù)據(jù)獲取樹高數(shù)據(jù)，基于該指數(shù)可用于森林火險預(yù)報?；馂?zāi)的發(fā)生和發(fā)展是個非常復(fù)雜的過程，涉及到許多影響因素，因此火險是一個綜合因素共同影響的結(jié)果。但是，本文只是從植被狀態(tài)方面進(jìn)行考慮，下一步應(yīng)將影響火災(zāi)發(fā)展的天氣、地形和人類因素考慮進(jìn)來，增強(qiáng)火險預(yù)報精度。