氣候變化背景下云南松林火災(zāi)害的響應(yīng)規(guī)律研究*

高仲亮,魏建珩,龍騰騰,李智,周汝良,舒立福,王秋華

(1.西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224;2.中國林科院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091)

隨著工業(yè)發(fā)展和人類生產(chǎn)生活需要，以及化石能源、燃料燃燒排放大量CO2和溫室氣體，極大增強(qiáng) “溫室效應(yīng)”。在1906—2005年100年間全球平均氣溫升高0.56～0.92 ℃，后50 a增速為0.13 ℃/10 a，接近前期增速的兩倍。眾多預(yù)測均指出未來一段時間內(nèi)全球氣溫將持續(xù)攀升，升溫速度約2 ℃/ 100a[1]。全球性氣候變暖趨勢使世界各地森林火災(zāi)發(fā)生頻次呈明顯上升，近年頻發(fā)的森林火災(zāi)是受氣候變化干擾最明顯的標(biāo)志之一。

國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了氣候變化對森林火災(zāi)的影響研究。Wotton等[2]運(yùn)用大氣環(huán)流模型(general circulation model，GCM)與HadCM3 GCM模型耦合結(jié)合歷史氣候數(shù)據(jù)與未來氣候情況進(jìn)行模擬，表明未來20 a間火災(zāi)次數(shù)將增加18%，21世紀(jì)末期將增加50%。Flannigan等[3]應(yīng)用GCM結(jié)合北美氣候、森林火災(zāi)數(shù)據(jù)預(yù)測出21世紀(jì)中期防火期的火災(zāi)季節(jié)性嚴(yán)重程度(SSR)將升高10%～50%。Brown等[4]利用并行氣候模型(parallel climate model，PCM)模擬出21世紀(jì)末期美國西部地區(qū)將大面積干旱。國內(nèi)學(xué)者開展其研究起步較晚，大多基于國外學(xué)者研究的模型和成果進(jìn)行模擬和應(yīng)用。趙鳳君[5]指出我國自然環(huán)境因素復(fù)雜、降水極不均衡、火險期時間長及火災(zāi)發(fā)生率高。田曉瑞等[6]指出全球氣候變暖使森林植被瘋狂增長，增加有效森林可燃物載量，極大增加火災(zāi)發(fā)生概率。劉曉東等[7]認(rèn)為我國森林火災(zāi)發(fā)生的周期大概為10～30 a。李德等[8]得出各氣候因子與火災(zāi)呈顯著線性關(guān)系。我國是森林火災(zāi)比較嚴(yán)重的國家，森林防火形勢歷來十分嚴(yán)峻，頻繁的極端天氣事件對我國森林火災(zāi)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，尤其云南省是火災(zāi)最嚴(yán)重的省份之一，分布有廣泛的易燃針葉林。云南松(Pinusyunnanensis)作為云南省主要植被樹種之一，其易燃特性導(dǎo)致分布區(qū)域火災(zāi)多發(fā)，深入研究云南松林火災(zāi)與氣候變化間的響應(yīng)規(guī)律有利于分布區(qū)域的火災(zāi)防范。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省地處21°8′32″～29°15′8″N，97°31′39″～106°11′47″E，屬于低緯度、高海拔區(qū)域，氣候類型多樣，區(qū)域的氣候差異和垂直變化明顯，年溫差小、日溫差大，干濕分明，年均降水量約1 100 mm，但時間、空間分布不均勻，春、冬季為云南省大部分地區(qū)的火災(zāi)多發(fā)季節(jié)。云南松是我國西南地區(qū)的鄉(xiāng)土樹種和主要綠化造林樹種，云南省境內(nèi)分布范圍廣泛，占全省森林總面積50%以上。近年氣溫升高影響云南松的生理特征，長時間高溫干旱使云南松針葉提前枯黃下落、枝干表面產(chǎn)生大量油脂，極易燃燒，同時長時間高溫會使林分地表可燃物載量大幅增加、含水率極低，增加森林火災(zāi)的發(fā)生概率。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國國家氣候局官方網(wǎng)站共享數(shù)據(jù)，選取1989—2018年云南省云南松分布區(qū)域內(nèi)多個氣候站的逐月平均氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、降水量數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計計算分布區(qū)域內(nèi)各氣象指標(biāo)的年均值與防火期平均值。1990—2018年云南松森林火災(zāi)數(shù)據(jù)來源于《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》《云南減災(zāi)年鑒》，以及云南省圖書館、云南省林業(yè)和草原局防火指揮部辦公室數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

1.3 氣象指標(biāo)篩選

現(xiàn)階段全球氣候變化主要體現(xiàn)在向溫暖和干旱兩方面轉(zhuǎn)變，這兩個因素是誘發(fā)森林火災(zāi)發(fā)生的重要原因。根據(jù)美國西部森林火災(zāi)的調(diào)查記錄顯示，氣候變化使森林處在利于火災(zāi)發(fā)生的環(huán)境，提高火災(zāi)發(fā)生概率[9]。眾多研究表明氣溫、風(fēng)速、降水量及相對濕度4個氣象指標(biāo)是最具有代表性的林火驅(qū)動因子[5,10-14]。

1.4 變化趨勢分析析方法

Mann-Kendall趨勢檢驗法是一種突變和趨勢非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法，又稱無分布檢驗。該方法不要求樣本數(shù)據(jù)遵從分布特征，允許有缺失值且不受異常值干擾，適用于氣候數(shù)據(jù)的非線性突變和趨勢檢驗，廣泛用于氣候、水文和植被等方面的缺失和突變分析研究[15]。采用Mann-Kendall方法分析主要?dú)夂蛞蜃优c云南松森林火災(zāi)動態(tài)的變化趨勢。

對于具有n個樣本的時間序列Xt=(x1，x2，x3，…xn)，趨勢檢驗的統(tǒng)計量為：

①

②

③

④

式中：xj為時間序列的第j個數(shù)值，n為樣本長度，ti是第i組的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目；

當(dāng)n>10時，UFk收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。原假設(shè)時間序列為無趨勢，采用雙邊趨勢檢驗，設(shè)定顯著性水平α并從正態(tài)分布表查得臨界值Uα/2。當(dāng)|UFk|Uα/2，則拒絕原假設(shè)，表明趨勢顯著。按時間序列逆序構(gòu)建Xt=(xn，xn-1，…，x1)，使UBk=-UFk。若UBk和UFk兩條曲線在臨界線間出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對應(yīng)時刻為突變開始時間[16]。

設(shè)定顯著性水平α=0.05，UFk和UBk臨界區(qū)間為(-1.96，1.96)。若UFK>0，表明序列呈上升趨勢；若UFK<0，則表明序列呈下降趨勢。若|UFk|<1.96時變化趨勢不顯著，|UFk|>1.96時變化趨勢顯著。

1.5 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是指對兩個或多個具有相關(guān)性的變量進(jìn)行整理與分析，并以此判斷兩個或多個變量之間的相關(guān)程度，采用Pearson相關(guān)系數(shù)開展研究，公式為：

⑤

以相關(guān)系數(shù)范圍判斷變量相關(guān)強(qiáng)度：0.8～1.0為極強(qiáng)相關(guān)；0.6～0.8為強(qiáng)相關(guān)；0.4～0.6為中等程度相關(guān)；0.2～0.4為弱相關(guān)；0.0～0.2為極弱相關(guān)或無相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象指標(biāo)趨勢變化

將云南省云南松分布區(qū)1990—2018年的年均氣溫、防火期平均氣溫、年均相對濕度、防火期平均相對濕度、年降水量、防火期降水量、年均風(fēng)速、防火期平均風(fēng)速計8個指標(biāo)進(jìn)行Mann-Kendall趨勢分析，并分別進(jìn)行一元線性回歸。

由圖1可看出在云南松分布區(qū)整個時間序列內(nèi)，年均氣溫突變年份出現(xiàn)在1991年、1992年、1994年和2016年；防火期平均氣溫在1998—2018年達(dá)顯著上升水平，突變年份出現(xiàn)在1994年；年降水量突變年份出現(xiàn)在2002年和2015年；防火期降水量在1990—1991年、1997—2008年呈增長趨勢，其余年份呈下降趨勢；年均相對濕度、防火期平均濕度均呈下降趨勢，均于1995—2018年均達(dá)到顯著下降水平；年均風(fēng)速、防火期平均風(fēng)速在1995—2004年均達(dá)到顯著下降水平，防火期平均風(fēng)速在2013—2018年達(dá)顯著上升水平。其他年份氣象指標(biāo)上升或下降均未達(dá)到顯著水平。

圖1 氣象指標(biāo)Mann-Kendall法趨勢分析Fig.1 Meteorological factors by Mann-Kendall method trend analysis

將各氣象指標(biāo)的變化曲線進(jìn)行一元線性回歸，結(jié)果見表1。

表1 氣象指標(biāo)一元線性擬合方程Tab.1 Meteorological factors linear equation

結(jié)合表1各氣象指標(biāo)線性回歸方程的斜率和圖2各氣象指標(biāo)的變化曲線可知，年均氣溫呈下降趨勢，防火期平均氣溫呈小幅上升趨勢。年均、防火期平均相對濕度呈明顯下降趨勢，相同區(qū)域時間內(nèi)的變化趨勢相同。年降水量呈上升趨勢，防火期降水量呈下降趨勢，防火期降水量波動幅度稍大。年均、防火期平均風(fēng)速均呈上升趨勢，防火期平均風(fēng)速的波動幅度較大。

圖2 氣象指標(biāo)與火災(zāi)次數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationship between meteorological factors and number of fires

2.2 云南省云南松森林火災(zāi)變化趨勢分析

將云南松火災(zāi)次數(shù)應(yīng)用Mann-Kendall進(jìn)行趨勢校驗分析結(jié)果見圖3，并對其進(jìn)行一元線性回歸。

由圖3可看出，在整個時間序列范圍內(nèi)，森林火災(zāi)次數(shù)在2005—2007年上升趨勢顯著，突變年份出現(xiàn)為2016年，其他年份上升或下降趨勢不顯著。

圖3 火災(zāi)次數(shù)的Mann-Kendall法趨勢分析Fig.3 Fire number by Mann-Kendall method trend analysis

由圖4可看出，火災(zāi)次數(shù)曲線基本符合y=-0.030x+104.710的變化趨勢，變化幅度范圍比較小，總體呈下降趨勢。

圖4 火災(zāi)次數(shù)一元線性擬合Fig.4 Linear fitting analysis of fire number

2.3 云南松火災(zāi)與氣象指標(biāo)的相關(guān)性分析

將各氣象指標(biāo)進(jìn)行自動標(biāo)準(zhǔn)化并保存為變量，消除指標(biāo)間的差異影響。在此基礎(chǔ)上，利用SPSS軟件進(jìn)行KMO和Bartlett檢驗，結(jié)果顯示K-B球形度檢驗為0.608>0.5，以及Bartlett檢驗為0，該組數(shù)據(jù)適合指標(biāo)分析，建立相關(guān)系數(shù)矩陣，計算特征值與相關(guān)系數(shù)矩陣，以特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)提取指標(biāo)，提取方法為主成分分析法，結(jié)果見表2。對初始指標(biāo)載荷進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)，計算云南省森林火災(zāi)氣象指標(biāo)評價得分并進(jìn)行排序，結(jié)果見表3。

由表2看出，氣象指標(biāo)對森林火災(zāi)的影響程度大小排序為：年均氣溫>防火期平均氣溫>防火期平均相對濕度>年均相對濕度，上述4個指標(biāo)均達(dá)極顯著水平(P<0.01)，其他指標(biāo)呈弱度相關(guān)?；馂?zāi)次數(shù)與年均氣溫呈強(qiáng)正相關(guān)，系數(shù)為0.751，與防火期平均氣溫成中等正相關(guān)，系數(shù)為0.519，當(dāng)分布區(qū)內(nèi)年均氣溫上升或下降將強(qiáng)烈影響火災(zāi)發(fā)生次數(shù)；火災(zāi)次數(shù)與年均相對濕度、防火期平均相對濕度成中等負(fù)相關(guān)，系數(shù)分別為- 0.479和-0.483，分布區(qū)相對濕度升高時，火災(zāi)發(fā)生可能性較小，反之則較大；火災(zāi)次數(shù)與降水量、風(fēng)速呈極弱相關(guān)。綜上所述，氣溫與相對濕度是影響云南松森林火災(zāi)發(fā)生的最主要因素之一。

表2 火災(zāi)次數(shù)與氣象指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.2 Matrix of correlation coefficients between fire number and meteorological factors

由表3可看出云南省火災(zāi)氣象指標(biāo)評價得分總體呈上升趨勢，分為6個階段：第一階段(1990—1991年)為高位平穩(wěn)階段，得分范圍0.84～1.33；第二階段(1992—1997年)為震蕩下降階段，得分范圍0.22～0.60；第三階段(1998—2006年)為震蕩變化階段，得分范圍-2.01～0.04；第四階段(2007—2008年)為平穩(wěn)階段，得分范圍0.54～0.56；第五階段(2009—2014年)為低位震蕩階段，得分范圍-1.89～0.46；第六階段(2015—2018年)為快速上升階段，得分范圍0.84～1.88。

表3 云南省火災(zāi)氣象指標(biāo)評價得分Tab.3 Scores of fire meteorological factor evaluation in Yunnan Province

2.4 云南松火災(zāi)與氣象指標(biāo)的變化趨勢關(guān)系

氣溫波動與火災(zāi)次數(shù)起伏變化幅度基本一致，氣溫發(fā)生較大改變時，火災(zāi)次數(shù)變動將會增大，符合正相關(guān)關(guān)系。相對濕度與云南松火災(zāi)次數(shù)的變化趨勢相反，相對濕度較低的年份火災(zāi)次數(shù)明顯多于相對濕度較高的年份，二者符合負(fù)相關(guān)關(guān)系。降水量對云南松火災(zāi)次數(shù)影響十分有限，短時期內(nèi)有明顯影響，較長時間影響不明顯；2010—2018年年降水量的持續(xù)上升使每年火災(zāi)的發(fā)生次數(shù)明顯減少。風(fēng)速與云南松火災(zāi)次數(shù)的變化趨勢基本一致，呈正相關(guān)關(guān)系。1999年火災(zāi)次數(shù)突然增多可能是其他因素所導(dǎo)致。

2000、2008、2011及2013年等年份出現(xiàn)火災(zāi)次數(shù)與氣溫、風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)、與降水量呈正相關(guān)，究其原因，這些年份可能受到人為因素影響較大，政府管理部門采?。杭哟笊址阑鸾?jīng)費(fèi)投入、加強(qiáng)森林防火管理、廣泛動員全民防火等措施，從而削弱氣象指標(biāo)對森林火災(zāi)的影響。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

基于1990—2018年云南省云南松林火災(zāi)歷史數(shù)據(jù)和氣溫、相對濕度、降水量、風(fēng)速等4類主要林火氣象因子，利用Mann-Kendall趨勢檢驗、線性回歸、對比分析以及相關(guān)性分析研究氣象指標(biāo)與森林火災(zāi)的變化及其關(guān)系，結(jié)論如下：

(1)防火期平均氣溫在1998—2018年上升趨勢達(dá)顯著水平，突變年份出現(xiàn)在1994年；年降水量突變年份出現(xiàn)在2002年和2015年；年均相對濕度、防火期平均濕度在1995—2018年下降趨勢均達(dá)顯著水平，突變年份出現(xiàn)在1994年；年均風(fēng)速、防火期平均風(fēng)速在1995—2004年下降趨勢均達(dá)顯著水平，防火期平均風(fēng)速在2010—2018年上升趨勢達(dá)到顯著水平。

(2)年均氣溫、相對濕度和防火期降水量、平均相對濕度呈下降趨勢，其他氣象指標(biāo)呈上升趨勢。氣象指標(biāo)年際變化幅度大，長期變化不明顯。

(3)氣象指標(biāo)子對森林火災(zāi)影響程度強(qiáng)弱為：年均氣溫>防火期平均氣溫>防火期平均相對濕度>年均相對濕度，4個指標(biāo)均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，其中年均氣溫呈強(qiáng)正相關(guān)，系數(shù)為0.751，防火期平均氣溫呈中等正相關(guān)，系數(shù)為0.519，年均和防火期的平均相對濕度呈中等負(fù)相關(guān)，系數(shù)分別為-0.479和-0.483。

(4)火災(zāi)氣象指標(biāo)評價得分總體呈上升趨勢，分為1990—1992年高位平穩(wěn)、1993—1997年震蕩下降、1998—2006年震蕩變化、2007—2008年平穩(wěn)、2009—2014年低位震蕩、2015-2018年快速上升等6個階段，其分值為：0.49～1.33、0.22～0.60、-2.01～0.04、0.54～0.56、-1.89～0.46、0.84～1.88。

(5)云南松火災(zāi)次數(shù)年際波動較大，總體呈下降趨勢。1990—2010年云南松火災(zāi)次數(shù)在氣象因素作用下呈總體上升趨勢且該時段火災(zāi)年均次數(shù)遠(yuǎn)高于研究時間區(qū)域的后半時間段(2010—2018年)；2011—2018年氣溫與風(fēng)速下降趨勢明顯，降水量和相對濕度上升，該時段火災(zāi)次數(shù)明顯減少。云南松林火災(zāi)受氣候變化影響程度總體上較為嚴(yán)重。

3.2 討論

隨著全球氣溫持續(xù)升高以及極端天氣事件增多，我國森林防火工作將會迎來更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。研究結(jié)果顯示，氣象變化趨勢在1989—2018年變化幅度較小，但很大程度影響了云南松森林火災(zāi)的波動趨勢，表明即使是小幅度氣象波動也能影響火災(zāi)發(fā)生[17]，云南松分布區(qū)域氣象指標(biāo)在2010年前除年均氣溫、年均風(fēng)速條件以外，其余指標(biāo)皆呈下降趨勢，這與田曉瑞等[15]、陳鋒[18]研究結(jié)果一致，延長研究時間可發(fā)現(xiàn)氣象變化趨勢有明顯改變。2010—2018年，防火期平均氣溫、平均風(fēng)速和降水量呈上升趨勢，防火期平均濕度、年均相對濕度呈下降趨勢，其余氣象數(shù)據(jù)變化不明顯，相較前一段研究期，該時間段內(nèi)防火期濕潤度有所上升，火災(zāi)次數(shù)減少，與馬文苑研究結(jié)果一致[19]。在1989—2018年時間段內(nèi)，氣象變化趨勢與云南省松林火災(zāi)次數(shù)呈顯著相關(guān)性，但后半段時期(2010—2018年)云南松林火災(zāi)與氣象變化趨勢相關(guān)性有所降低。隨著近年防火技術(shù)進(jìn)步、林火研究深入，氣象變化可被及時監(jiān)測與預(yù)警，削弱了森林火災(zāi)對氣象條件的響應(yīng)，相較于自然因素，人為因素對林火的控制程度有所上升，意味著對林火驅(qū)動因子研究可以隨時間變化而做出相應(yīng)調(diào)整。但目前在相關(guān)研究中多以生態(tài)地理區(qū)、季節(jié)變化、林區(qū)分布等作為分類方式研究林火發(fā)生的驅(qū)動因子[18,20]，在劃分時間段的基礎(chǔ)上研究林火驅(qū)動因子較少，本研究具有一定現(xiàn)實意義，可細(xì)化林火發(fā)生規(guī)律研究。同時云南松作為云南省主要森林植被樹種，其易燃性造成分布區(qū)域火災(zāi)頻發(fā)，選擇在云南省森林火災(zāi)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提取云南松林火災(zāi)數(shù)據(jù)開展研究，比區(qū)域范圍、地州市為研究單位得出的規(guī)律更具針對性。

本文選擇的4個氣象指標(biāo)是眾多學(xué)者認(rèn)為最具有代表性的林火驅(qū)動因子，但在北方林地火災(zāi)的氣象驅(qū)動因子研究中，日最高氣溫、日累計降水量等氣象指標(biāo)對林火發(fā)生也具有一定影響[21]，這對后期深入研究具有一定參考意義。氣候條件雖然是影響火災(zāi)的最主要因素，但人為因素同樣起著重要作用，頻繁的人類活動造成林內(nèi)地表可燃物載量減少，可燃物含水率增大，燃燒性降低[22]。近年隨著管理部門對林火預(yù)防、管控的力度加大，加深了人為因素對森林火災(zāi)的影響程度。2010—2018年云南松林火災(zāi)發(fā)生對氣候變化的響應(yīng)程度較低，這與政府對森林防火的宣傳、管控加強(qiáng)密不可分，在今后研究中分時段討論人為因素與氣象因素對林火發(fā)生的影響將更有利于掌握氣候變化下林火的發(fā)生規(guī)律。