東北地區(qū)火季節(jié)嚴(yán)重程度對(duì)野火發(fā)生的影響

李曉梅

摘 要：氣候和可燃物是野火事件發(fā)生最為重要的影響因素。該文基于中國東北地區(qū)2001—2017年17年的MODIS火產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及火季節(jié)嚴(yán)重程度數(shù)據(jù)，通過ArcGIS的核心密度估計(jì)函數(shù)對(duì)東北地區(qū)野火火點(diǎn)進(jìn)行空間分析以及R語言進(jìn)行其與火季節(jié)嚴(yán)重程度的相關(guān)分析，對(duì)研究區(qū)內(nèi)野火火點(diǎn)密度與野火季節(jié)嚴(yán)重程度進(jìn)行了相關(guān)研究。結(jié)果表明，野火密度最高的區(qū)域位于根河市中部、呼瑪縣、鄂倫春自治旗、阿榮旗、牙克石市、阿榮旗等區(qū)域，且最高密度達(dá)到3.94次/km2;野火火點(diǎn)密度高的區(qū)域，其野火季節(jié)嚴(yán)重程度也較高，相關(guān)系數(shù)最高達(dá)0.82。

關(guān)鍵詞：野火;火季節(jié)嚴(yán)重程度;東北地區(qū)

中圖分類號(hào) S435.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）13-0060-04

Abstract：Climate and combustibles are the most important factors which influence wildfire events. Based on the MODIS fire product data and fire seasonal severity rating data from 2001 to 2017 in Northeast China， this paper conducted a related study on the wildfire point density and wildfire seasonal severity rating in the study area. The spatial analysis of wildfire points in Northeast China by the core density estimation function of ArcGIS and the correlation analysis with the fire seasonal severity rating by R are performed. The study found that the areas with the highest wildfire density are located in the central part of Genhe City， Huma County， Elunchun Autonomous Banner， Arong Banner， Yakeshi City， Arong Banner， etc.， and the highest density reaches 3.94 times/km2. The severity of wildfire seasons in areas with high wildfire firepoint density is also higher， with a correlation coefficient of up to 0.82.

Key words：Wildfire; Fire seasonal severity rating; Northeast China

野火泛指發(fā)生在野外植被中的火[1-2]，包括林火、灌叢火以及草原火。野火的發(fā)生不僅是自然生態(tài)系統(tǒng)中重要的干擾因素[3]，也是自然生態(tài)系統(tǒng)重要的驅(qū)動(dòng)過程。野火的發(fā)生不僅會(huì)給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)造成破壞，而且對(duì)人民的生命構(gòu)成威脅，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。因此，當(dāng)前對(duì)于野火的時(shí)空分布格局以及影響其發(fā)生的自然因素和人為因素的研究越來越多，這些研究為野火災(zāi)害管理提供了預(yù)報(bào)以及技術(shù)支持。

野火可分為由于閃電雷擊、火山爆發(fā)、滾石火星、摩擦及自燃等引起的自然火和某些人為原因造成的人為火（包括計(jì)劃火燒）[5]，其中閃電是自然火發(fā)生的最主要原因[7，6]。引起野火發(fā)生的因素是多方面的，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究，得出影響野火的主要因素有植被類型、植被覆蓋度、降水的季節(jié)以及年變化、人類活動(dòng)和地形等[8]。其中，氣候因素是決定野火事件最為重要的因素之一。近幾十年來，世界各地的野火規(guī)模和嚴(yán)重程度都在增加，并且都集中在氣溫升高、春季積雪融化時(shí)期，以及較長時(shí)間的火季節(jié)[9-11]。因此，氣候?qū)σ盎鸬挠绊懷芯渴种匾?。氣候?qū)σ盎鸬挠绊懼饕前迅鞣N氣候模型與火險(xiǎn)預(yù)報(bào)模型耦合，預(yù)測(cè)未來不同氣候情景下的火險(xiǎn)和火行為的變化。例如，加拿大火氣象指數(shù)（FWI，Canadian Fire Behaviour Prediction）系統(tǒng)[12]是表示森林火險(xiǎn)的一個(gè)優(yōu)秀的指標(biāo)，也是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)。FWI將氣象數(shù)據(jù)、可燃物以及火險(xiǎn)結(jié)合到一起。但是目前很少有研究使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品來表征FWI，以及是否適用于中國。

東北地區(qū)有著全國最豐富的森林資源，總量約占全國的1/3，草原資源也十分豐富，是全國重要的自然生態(tài)系統(tǒng)。東北地區(qū)野火的發(fā)生較為嚴(yán)重，尤其是在長期氣候變化的趨勢(shì)下，野火的發(fā)生更加頻繁。為此，本研究基于火災(zāi)季節(jié)性嚴(yán)重程度數(shù)據(jù)以及MODIS火燒產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分析了東北地區(qū)野火的發(fā)生和氣候的關(guān)系，為相關(guān)部門的野火災(zāi)害管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

東北地區(qū)（115°E～135°E，48°N～55°N，）位于亞洲東部太平洋西岸，處于中國東北部，包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古東部，面積約為152萬km2（圖1）。東北地區(qū)的東部是典型的溫帶季風(fēng)氣候，西部地區(qū)為溫帶大陸性氣候，四季分明，夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷干燥。年降水自東南向西北從濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)過渡到半干旱區(qū)，降水量從1000mm降至300mm以下。東北地區(qū)森林覆蓋率高，是野火發(fā)生較多的地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

2.1.1 火季節(jié)嚴(yán)重程度 使用火災(zāi)季節(jié)性嚴(yán)重程度數(shù)據(jù)（Seasonal severity Rating ，SSR）來表征東北地區(qū)1個(gè)月內(nèi)的平均火險(xiǎn)?；馂?zāi)季節(jié)性嚴(yán)重程度數(shù)據(jù)產(chǎn)品來源于全球火災(zāi)天氣數(shù)據(jù)庫，時(shí)間分辨率為1個(gè)月，空間分辨率為0.625°×0.625°。SSR數(shù)據(jù)整合了影響植被火災(zāi)開始和蔓延可能性的不同天氣因素，包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和雪深估計(jì)值。用ArcGIS將下載到的.NC格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為Geo，TIFF格式。將處理后得到的數(shù)據(jù)利用ArcGIS中的掩膜提取工具，使用東北地區(qū)的矢量邊界數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行提取，得到東北地區(qū)的SSR數(shù)據(jù)。

2.1.2 野火火點(diǎn) 使用中成像光譜儀（MODIS）直接檢測(cè)燃燒面積產(chǎn)品（MCD64A1）估算2001—2017年野火在東北地區(qū)的燃燒面積。MCD64A1將Terra和Aqua是2顆衛(wèi)星觀測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過合成處理所得，使用500m表面反射、MODIS 1km火點(diǎn)和陸地覆蓋產(chǎn)品來描繪燃燒區(qū)域。為了得到野火火點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用MRT將下載的數(shù)據(jù)進(jìn)行影像的鑲嵌和重新投影的處理。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)中的火掩膜信息，每個(gè)火掩膜里儲(chǔ)存8位無符號(hào)科學(xué)數(shù)據(jù)集代表火發(fā)生的情況，且每個(gè)像元都被賦予了0～9數(shù)字中的某一個(gè)值，0～9數(shù)字代表的含義如表1所示。將處理后得到的數(shù)據(jù)利用掩膜提取工具，得到東北地區(qū)的影像。提取像元值為低、中、高置信火3個(gè)級(jí)別的數(shù)據(jù)，并將提取的數(shù)據(jù)用ArcGIS先轉(zhuǎn)成面，再轉(zhuǎn)成點(diǎn)，并采用2001—2017年共17年空間分辨率為500m的土地覆蓋數(shù)據(jù)，對(duì)2001—2017年的全部火點(diǎn)進(jìn)行提取，從而得到研究期間東北地區(qū)的野火火點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.1.3 土地覆蓋 使用MODIS土地覆蓋類型產(chǎn)品（MCD12Q1）來提取東北地區(qū)2001—2017年的野火區(qū)域。MCD12Q1是將Terra和Aqua 2顆衛(wèi)星觀測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過合成處理所得，為MODIS的3級(jí)土地覆蓋產(chǎn)品。MCD12Q1提供了5種不同的土地覆蓋類型的分類方案，本文使用了國際地圈-生物圈計(jì)劃（IGBP）全球植被分類方案確定的7種土地覆蓋類型，如表2所示。在得到數(shù)據(jù)產(chǎn)品后，利用MRT進(jìn)行影像的鑲嵌和重新投影的處理，并將原始的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成為Geo.TIFF格式，并使用東北地區(qū)的矢量邊界數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行提取，最后移除非植被（水體、永久冰雪）、人造（農(nóng)田、城市及建設(shè)用地、農(nóng)田/天然植被鑲嵌）和濕地等土地覆蓋類型。

2.2 研究方法

2.2.1 核心密度估計(jì) 函數(shù)核心密度估計(jì)函數(shù)是一種從隨機(jī)采樣點(diǎn)重建概率密度函數(shù)的方法，它是用來反映點(diǎn)要素分布的相對(duì)集中程度，將離散的野火火點(diǎn)數(shù)據(jù)通過插值生成連續(xù)的數(shù)據(jù)來表明東北地區(qū)的野火火點(diǎn)的空間分布格局。本研究通過ArcGIS軟件空間分析模塊中的核密度分析工具對(duì)東北地區(qū)2001—2017年共17年的野火火點(diǎn)的空間分布密度計(jì)算。核心密度函數(shù)的定義為：

式中，x代表空間上的任意點(diǎn)，k（）是雙變量的概率密度函數(shù)，d>0為帶寬，是以x為中心的一個(gè)圓的半徑。此公式中可以通過調(diào)整帶寬d來得到不同尺度下野火火點(diǎn)的空間分布密度。

2.2.2 簡單相關(guān)分析 利用Pearson相關(guān)系數(shù)來評(píng)價(jià)17年東北地區(qū)的野火火點(diǎn)空間密度于火季節(jié)嚴(yán)重程度之間的密切關(guān)系，本文使用了R語言來計(jì)算相關(guān)系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 野火火點(diǎn)的空間分布特征 經(jīng)過對(duì)東北地區(qū)2001—2017年的野火火點(diǎn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的野火發(fā)生的高峰期為春季（每年的3—5月），春季發(fā)生野火的次數(shù)為36304次，占全部野火火點(diǎn)的46.84%，所以將春季作為研究時(shí)間段。根據(jù)研究區(qū)的幾何特征的特點(diǎn)，在做核密度分析時(shí)發(fā)現(xiàn)將貸款設(shè)為50km較為合理。經(jīng)過對(duì)東北地區(qū)17年春季的野火火點(diǎn)進(jìn)行核密度空間分析（圖2），發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)17年野火發(fā)生的次數(shù)在3.94次/km2以內(nèi)。密度最高的區(qū)域位于根河市中部、呼瑪縣、鄂倫春自治旗、阿榮旗、牙克石市、阿榮旗、扎蘭屯市、遜克縣、嘉萌縣、慶安縣、綏棱縣、林甸縣等，最高密度達(dá)到3.94次/km2，而其他地區(qū)的野火火點(diǎn)密度較小，甚至為0。

3.2 野火季節(jié)嚴(yán)重程度對(duì)野火的影響 為了得到SSR與東北地區(qū)野火火點(diǎn)之間的關(guān)系，通過R語言將2001—2017年的SSR和野火火點(diǎn)核密度逐個(gè)像元進(jìn)行相關(guān)分析，用Pearson相關(guān)系數(shù)作為相關(guān)性密切的程度，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，東北地區(qū)17年內(nèi)不同區(qū)域的SSR和野火火點(diǎn)核密度的關(guān)系有所不同，呼倫貝爾市的南部和赤峰市的中西部以及通化市的西部呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，而其余地區(qū)呈明顯的正相關(guān)，尤其是在大興安嶺地區(qū)、呼倫貝爾市的東部和北部、齊齊哈爾市、白城市等相關(guān)性較高，最大相相關(guān)系數(shù)達(dá)0.82，表明野火火點(diǎn)密度高的區(qū)域其野火季節(jié)嚴(yán)重程度也較高。而朝陽市、通遼市、丹東市和延邊朝鮮自治州等區(qū)域的相關(guān)系數(shù)也較高，表明野火火點(diǎn)密度低的區(qū)域，其野火季節(jié)嚴(yán)重程度也較低。

4 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果顯示，野火密度最高的區(qū)域位于根河市中部、呼瑪縣、鄂倫春自治旗、阿榮旗、牙克石市、阿榮旗等區(qū)域，最高密度達(dá)到3.94次/km2。通過相關(guān)分析表明，野火火點(diǎn)密度高的區(qū)域，其野火季節(jié)嚴(yán)重程度也較高，野火火點(diǎn)密度低的區(qū)域;其野火季節(jié)嚴(yán)重程度也較低。

氣候因子作為影響野火發(fā)生的重要影響因素，一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。本研究基于MODIS火燒跡地產(chǎn)品數(shù)據(jù)和火季節(jié)嚴(yán)重程度產(chǎn)品數(shù)據(jù)，在多年的時(shí)間尺度上研究了氣候因子和可燃物對(duì)野火的綜合作用。不同區(qū)域的火季節(jié)嚴(yán)重程度與野火火點(diǎn)核密度的關(guān)系有所不同，這為當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門野火的管理和監(jiān)控提供了科學(xué)依據(jù)。野火的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的過程，與人為因素有關(guān)，今后可將人為因素、氣候因素和可燃物一起綜合考慮對(duì)野火發(fā)生的影響。

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