基于Logistic回歸的林緣計劃燒除氣象條件判別分析

余會康，陸繼彬，葉本閃

(1.福建省寧德市氣象局，寧德，352100；2. 福建省屏南縣氣象局，屏南，352300；3.福建省古田縣氣象局，古田，352200)

0 引言

森林在社會與經濟發(fā)展中具有極為重要的生態(tài)功能及角色定位，保護與發(fā)展森林不僅是林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心，也是防御自然災害的根本之策。我國具有豐富森林資源，但也遭受各類災害的影響與破壞，根據全國林業(yè)統(tǒng)計年報，各地每年都有不同程度的森林火災發(fā)生，造成了巨大的經濟損失。因此加強森林火險預報預警和防范工作尤顯凸出和重要。森林火災的發(fā)生、發(fā)展與氣象條件密切相關，開展森林火險等級預報也是專業(yè)氣象服務重要組成部分。森林防火氣象服務既可根據季節(jié)天氣變化，結合當地農事活動，對易發(fā)森林火災的天氣時段為林業(yè)部門作出火險等級預報預警；也可以結合林業(yè)部門要求，在判別適合的小氣候環(huán)境下，有計劃開展燒除活動，預先破壞可能引發(fā)嚴重森林火災的隱患條件。早在1986年，聯(lián)合國糧農組織就提出了野火管理：在能把火勢控制在預定區(qū)域內，同時又可將該火產生的強度和蔓延速度控制在特定環(huán)境條件下,對自然狀態(tài)或人工改變的野生地可燃物進行控制性的用火，燒除的目的在于科學地用火，以最小損失和合理費用實現最大效益[1-3]。

隨著森林植物的生長、發(fā)育和衰老過程，加上個別年份霜凍害的影響，林內、林緣枯枝落葉和農田雜草等可燃物數量及厚度增加，容易引起森林火災隱患風險性大大增加，清除林內、林緣的可燃物，開辟防火隔離帶等有利于加強林區(qū)火源安全管理。因此，科學、規(guī)范、有序地開展林內及林緣計劃燒除，調控森林可燃物負荷量，可以有效地控制森林火災的發(fā)生，對于預防森林火災發(fā)生具有積極作用和意義[4-6]。有關可燃物調控技術研究領域，20世紀20年代就有人提出調控森林可燃物負荷量可以有效地控制森林火災發(fā)生[7]。在這一研究領域，北美一直處于領先地位，我國研究相對較晚，目前，可燃物調控技術方法主要有4種(機械處理、計劃燒除、營林撫育、防火帶營造)，其中，計劃燒除就是按照預定方案有計劃地在指定地點或地段上，在人為控制下，為達到某種經營目的而對森林可燃物進行的火燒[8]。20世紀50年代，美國林業(yè)部門就采用該方法對其西部森林進行可燃物調控[9]?，F今，國內外圍繞計劃燒除進行了大量研究，發(fā)現反復的計劃燒除可以降低林火帶來的危害。采用低強度(500 kW/m)的火能有效地減少森林可燃物的積累，從而降低林區(qū)的火險等級[8]。計劃燒除一般要根據林區(qū)季節(jié)、氣候狀況、立地條件、林分組成及可燃物性質等確定，因地制宜進行選擇[10]。東北林區(qū)利用點燒溝塘來減少火災隱患方面取得突出成果[11]。馬愛麗等提出計劃燒除應充分考慮天氣條件、火險等級、林地狀況、可燃物結構及分布等方面因素[3]?，F如今，計劃燒除已成為我國降低林內林緣可燃物負荷量、預防森林火災的有效技術之一[8]。

福建省屏南縣氣象與林業(yè)部門近年來加強合作，在開展林緣計劃燒除方面取得很好的經驗和效果，通過建立林緣燒除氣象條件判別模型可以較為客觀、定量化地作出預測預報服務，為林業(yè)部門計劃燒除行動發(fā)揮決策參謀作用。

1 研究區(qū)域及林區(qū)概況

福建省屏南縣(N26°44′～27°10′、E118°41′～119°13′)，位于閩東寧德市西部，屬內陸山區(qū)縣，全縣東西寬54 km，南北長50 km，總面積約1470.67 km2。屏南地處鷲峰山脈中段，地勢西北高、東南低。大部分地區(qū)海拔800 m以上，全縣平均海拔830 m，地勢懸差最大達1377 m，境內山巒疊嶂，群峰聳峙，山谷盆地縱橫交錯，屬中山、低山、丘陵、盆谷類型區(qū)。屏南縣屬中亞熱帶海洋性季風氣候，四季分明，雨量充沛，年降水量達1842.3 mm，年平均氣溫13 ℃～18 ℃，具有明顯的高山氣候特點。屏南全縣林木資源豐富，境內群巒疊翠，林木蓊郁，林業(yè)用地面積12.25萬hm2, 生態(tài)公益林面積3.66萬hm2，木材蓄積量350萬m3，森林覆蓋率67.6%[12, 13]。

屏南縣鄉(xiāng)村農田大多以山間河谷小塊谷地、山垅田形式與林地交錯分布，地塊散落，多呈陡梯狀分布, 田埂外側面光照條件充足，加上肥、水條件的優(yōu)越，致使各類雜草生長繁茂。通常上，當地農民往往采取燒田塝方式清除田邊的雜草，這樣極易引發(fā)林區(qū)交緣森林火災的發(fā)生。根據2001年～2005年調查分析, 該縣查明火因18起森林火災中, 由于燃燒田埂草引發(fā)火災有13起, 占比72.2%，田間用火特別是燃燒田埂雜草成為主要火源因素。對農田林緣可燃物計劃燒除是實施一種有審批、有組織、有規(guī)范野外計劃用火行為，比較散漫用火更具安全性，而且與地形、氣象要素、植被、點燒時間和點燒方式等安全可控因素密切相關[12, 13]。

2 數據及方法

2.1 數據及條件

圖1 福建省屏南縣地理地形及燒除點Fig. 1 Geographical and terrain in Pingnan county of Fujian Province and point of burning test

選擇2014年10月～2015年4月在屏南縣范圍內10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)19個村林區(qū)邊緣進行的60次燒除試驗，每個試驗區(qū)面積規(guī)模0.667 hm2(10畝)以上，其中林緣40%為山垅田(系山丘受流水侵蝕成谷地，泥砂堆積和填高后，經墾辟種植水稻而形成的一類山谷水田)[14]，主要生長植物為雜草類，選擇時段為秋、冬、春季少雨期，也是森林火災高發(fā)期，火險等級高，主要為防止農田雜草燒除引發(fā)森林火災，事先有計劃開展燒除，有效地消除森林火災隱患。主要氣象要素數據(連續(xù)晴天日數d，溫度t，濕度q，風速u等)采集于燒除現場就近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象自動站，自動站與燒除點間距≤5 km(圖1)，屬于小尺度天氣系統(tǒng)范圍，氣象要素數據具有代表性。燒除林火行為是林緣可燃物在點燃后，所產生的火焰和火蔓延以及發(fā)展過程的特征，即林火發(fā)生、發(fā)展，直至熄滅全過程中著火、蔓延、能量釋放、火強度、火災種類等綜合特征，火行為受可燃物、環(huán)境(氣象、地形和植被)和火源條件的制約和控制[15]。在林緣計劃燒除過程中，均衡燃燒條件為：點火方式采用上方點火或先燒山凹部位；預先開設相對寬闊的隔離帶：頂端線10 m寬，頂端山凹部分12 m以上，邊線8 m～10 m，邊線急陡區(qū)域10 m，平順火頭高度不超過1 m，凹部沖火不超過2 m。燒除成效判定標準為：用火安全，不發(fā)生走火情況；地表枯損可燃燒除率60%以上，或高可燃物(茅、芒等草本類及一些灌木類)頂部50%以上明顯過火，符合標準為判定燒除成功，否則為不成功。

2.2 主要方法

應用Logistic回歸方法，建立主要氣象要素與對應點火行為成功與否之間的二元邏輯回歸模型。Logistic二元回歸是基于因變量為二分變量時的概率型非線性回歸模型，是研究觀察結果(y)與其影響因素(x)之間關系的一種多變量分析方法[16]。國內已經有多次用該方法建立氣象因素與植物生長災害模型的報道，如森林火險天氣等級模型研究、落葉松毛蟲預測模型研究等，具有很好的判別效果[17]。

建立Logistic回歸模型時，先將在實數范圍內的取值通過Logit變換轉化為目標概率值，然后進行回歸分析。Logistic回歸參數估計通常采用最大似然法，先建立似然函數與對數似然函數，在通過對數似然函數最大求解相應參數，從而得到參數的最大似然估計值。根據Logistic回歸原理，建立Logistic回歸模型數學表達公式如下：

(1)

(2)

式中，p為事件發(fā)生概率，α為模型截距項，β為待估參數，X為解釋變量，ε為誤差項，通過公式(1)、(2)，Logistic回歸模型建立了事件發(fā)生概率和解釋變量之間的線性回歸關系[16]。

本文將林緣燒除每次試驗按照火行為結果進行現場技術認定，標記成功為1，不成功為0，建立因變量y，將林緣燒除時的主要氣象因子：連續(xù)晴天日數(d)、溫度(t)、濕度(q)、風速(u)作為影響變量。應用SPSS20.0統(tǒng)計軟件進行回歸模型建立、檢驗及參數估算和分析，運用模型綜合卡方檢驗和Hosmer-Lemeshow檢驗法驗證模型的擬合優(yōu)度[16]。

3 結果與分析

3.1 模型建立及結果

林緣燒除點附近自動氣象站一般為5要素自動站(氣溫、氣壓、濕度、風速、風向)，由于納入5個氣象要素和連續(xù)晴天日數進行Logistic回歸判別，結果模型預報成功率<70%，根據各要素判別顯著性檢驗，剔除2個不顯著要素(氣壓、風向)，對剩余氣象因子再進行Logistic回歸判別，結果顯示由連續(xù)晴天日數、氣溫、氣壓、濕度、風速組成的氣象變量與點火行為可行概率p建立的Logistic回歸判別模型，成功與否具有較高的判別效果。點火行為可行概率p與主要氣象影響因子之間的關系，即：

0.029q-0.652u-1.551

(3)

進行指數變換，得：

(4)

進一步計算點火行為可行概率為：

(5)

式中，p、d、t、q、u分別為點火行為可行概率、連續(xù)晴天日數、現場氣溫、相對濕度、風速，當p≥0.5時，判定點火行為可行，當p<0.5時，判定點火行為不可行，式(3)～式(5)就是點火行為判別的Logistic回歸參數模型不同形式。通過建立Logistic回歸的林緣燒除氣象條件判別模型，可以對計劃燒除地區(qū)事先進行量化評判，提高林緣燒除運營效率，減少管理成本。

3.2 模型檢驗及效果

通過所建立的Logistic回歸的林緣燒除氣象條件判別模型，對60次燒除試驗氣象數據和成功與否進行判別，模型綜合檢驗結果顯示(表1)，模型的卡方值為37.563，概率值為0.000，小于0.05的顯著水平，可見所建立的模型非常顯著。另外得到的Logistic回歸模型匯總的Cox-Snell R2和Nagelkerke R2的值分別為0.465和0.620，模型的擬合度較好[16]。

Hosmer和 Lemeshow 檢驗顯示模型卡方統(tǒng)計量為11.840，表1中概率值Sig.=0.158>0.05，說明該模型并不拒絕Logistic二元回歸函數，模型通過擬合優(yōu)度檢驗[16]。

表1 模型檢驗

表2 燒除試驗模型預報結果檢驗

利用該模型對屏南縣60次燒除試驗進行點火行為結果進行驗證(表2)，在30次點火未成功中，有26次預報準確，判定點火不可行，有4次預報出錯，判別為點火可行，預報準確率為86.7%；而在30次點火成功中，有29次預報準確，判別為點火可行，只有1次預報出錯，判定點火不可行，預報準確率為96.7%，模型總體預報準確率為91.7%，說明模型利用主要氣象要素在判別是否可進行點火燒除預報服務中，預報準確率超過85%，根據試驗檢驗結果，該模型具有預報服務應用價值。

3.3 模型應用及分析

基于Logistic回歸的屏南縣林緣燒除判別模型是建立在主要氣象要素條件下的，遴選的4個氣象要素(連續(xù)晴天日數d，溫度t，濕度q，風速u)也是影響林緣燒除的最關鍵要素，另外風向由于各試驗地地形地勢(坡向、坡度和坡位)差別較大，需要林業(yè)、氣象技術人員根據現場風向風速，而后決定點火方位。為了能夠使得燒除點火行為安全可靠，不引發(fā)森林火災，通常還需事先預設一定寬度的阻火隔離帶，安全有效減少火燒面積。被燒除雜草一般在1.0 m～1.6 m高度之間[18, 19]。

在上述條件下進行的林緣燒除試驗所建立起的回歸判別模型反映了氣象要素(自變量)回歸系數絕對值的大小對點火行為(因變量)的影響力大小。從公式(3)可以看出，連續(xù)晴天日數(d)、溫度(t)、濕度(q)、風速(u)系數分別為2.576、-0.015、-0.029、-0.652，在4個氣象要素中，連續(xù)晴天日數(d)絕對值權重最大，且量級遠大于其他因子，說明連續(xù)晴天日數對是否能夠進行林緣燒除點火行為具有最大影響力，試驗表明，連續(xù)2天以上的連續(xù)晴天日數是燒除基本條件，2天以下則不具備條件。其次是風速。統(tǒng)計點火成功能夠完成計劃燒除的4個氣象要素平均態(tài)條件為：平均連續(xù)晴天日數為2.5天，平均氣溫為14.5 ℃，平均相對濕度為68.3%，平均風力為1.21 m/s。

根據進行的林緣燒除經驗和試驗以及所建立模型檢驗結果表明，燒除時的氣象條件是非常重要。為積極配合計劃燒除工作，開展專題林業(yè)氣象服務，提前通報適合燒除地點的天氣狀況，并根據森林防火指揮部的要求在燒除中進行全程的溫濕度、風向、風力的監(jiān)測，為計劃燒除提供了及時精細的氣象服務，才能夠保證了林緣燒除安全進行。由于氣象服務措施到位，監(jiān)控嚴密，近年來屏南縣共完成102個村的林緣農田稻草集中有效燒除，取得了林緣計劃燒除的良好成效，極大地降低了森林火災發(fā)生率。目前該縣正積極推廣農田林緣可燃物計劃燒除科學方法，市縣政府及林業(yè)部門也對此高度重視，認為這是規(guī)范野外火源管理，降低森林火災事故的有效創(chuàng)新舉措。

4 結論與討論

小范圍區(qū)域可燃物調控是減少可燃物負荷量、降低森林火險損失的關鍵，林緣計劃燒除是其中有效實用的技術方法之一。進行林緣計劃燒除試驗成功與否和氣象條件關系密切，基于Logistic二元回歸建立的屏南縣林緣燒除氣象條件判別模型反映了林緣燒除主要與連續(xù)晴天日數、溫度、濕度、風速有關，其中連續(xù)晴天日數對是否能夠進行林緣燒除點火行為具有最大影響力，其次是風速。該判別模型在判別是否可進行點火燒除服務中，總體預報準確率高(91.7%)，錯誤率較低，具有專業(yè)氣象預報服務應用價值。

該林緣燒除判別模型是在實際鄉(xiāng)村基層試驗基礎上，考慮主要氣象條件影響因素而建立的，是開展計劃燒除分析判別的重要先決條件之一。實施燒除計劃需要多部門溝通協(xié)作和多條件具備時開展，實際還需根據實地地形地勢，進行技術上主客觀判定現場實施的可行性，決定點火位置等，為燒除點火行為安全，通常還需要事先預設阻火帶，現場有經驗的林業(yè)和氣象技術人員以及防火撲救設備及人員配備等必備條件。

林緣計劃燒除氣象條件判別模型是在初春、秋季、冬季試驗基礎上構建，主要適用季節(jié)也是春秋冬季(10月～翌年3月)，該時段也是森林火災多發(fā)季節(jié)和發(fā)生集中、高峰期，天氣條件少雨干燥，晴日多，濕度小，林緣雜草衰枯形成可燃物增多，加上春耕春播農事活動等野外用火頻繁，極易引發(fā)大面積森林火災，此時段組織開展林緣計劃燒除，可有效減少可燃物，降低森林火災風險。閩東主要降水集中期在春末及夏季(4月～9月)，充足的前汛期及臺風季降水和人為野外用火少，則不利于森林火災發(fā)生。

林緣燒除模型反映了林業(yè)氣象服務在實際林事活動和森林防火中的重要作用，根據這些實際活動所觀測的氣象數據進行分析總結，應用適合的統(tǒng)計方法可以建立判別模型進行專業(yè)服務，反過來在實際應用中進一步得到檢驗和修正，進一步完善模型的實用性，提高林業(yè)氣象服務預報準確率，從而更好地指導計劃燒除活動。

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