湖南省森林火災(zāi)時(shí)空分布特征及典型個(gè)例分析

周 慧，唐 林，黎祖賢，周 莉，蔡瑾婕

（1.湖南省氣象臺(tái)，湖南 長(zhǎng)沙410119；2.湖南省人工影響天氣辦公室，湖南 長(zhǎng)沙410119；3.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410119）

湖南是森林火災(zāi)頻發(fā)的省份之一，森林火災(zāi)是一種破壞性大、突發(fā)性強(qiáng)、處置救助比較困難的自然災(zāi)害。森林火災(zāi)廣泛地影響到生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治等方面，過去幾十年里，許多學(xué)者都對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行了相關(guān)的研究。國(guó)外學(xué)者M(jìn)ouillot等[1]統(tǒng)計(jì)出，森林火災(zāi)每年在全球燃燒面積所占比重大，為14%左右；Dempsey[2]對(duì)安大略省森林火災(zāi)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)產(chǎn)生的煙及排放物會(huì)加重空氣中PM2.5、O3、碳氧化物及氮氧化物等濃度，造成風(fēng)向下游區(qū)域嚴(yán)重的空氣污染。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者針對(duì)當(dāng)?shù)氐纳只馂?zāi)也進(jìn)行了相關(guān)研究[3-9]，何折能等[3]探討了重慶市森林火險(xiǎn)的氣象條件及氣象等級(jí)；田光輝等[4]利用基于模糊綜合判別方法對(duì)森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)進(jìn)行了研究；沈姣姣等[5]重點(diǎn)研究了陜西森林火災(zāi)重災(zāi)年與太陽活動(dòng)、南方濤動(dòng)異常變化的關(guān)系。森林火災(zāi)發(fā)生受很多因素的影響[10]，既有自然因素，包括可燃物類型和分布、氣象影響因子、地形地貌等[11-14]，也有社會(huì)因素，如人類生產(chǎn)活動(dòng)等。在某個(gè)特定區(qū)域，森林火災(zāi)的發(fā)生是由多種影響因子共同作用造成的。由于不同區(qū)域影響因子有差異，造成了各地區(qū)林火發(fā)生與發(fā)展的狀況也不同。湖南地形三面環(huán)山，是向東北開口的馬蹄形盆地，森林分布較廣，森林火災(zāi)頻發(fā)，致災(zāi)重，研究湖南森林火災(zāi)發(fā)生的時(shí)空分布規(guī)律、氣象環(huán)境背景場(chǎng)特征及主要影響氣象因子，對(duì)于提高森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警與開展人工增雨作業(yè)降低森林火險(xiǎn)等級(jí)均具有十分重要的意義[15-22]。

1 森林火災(zāi)時(shí)空分布特征

1.1 年變化特征

利用湖南省森林火險(xiǎn)辦提供的湖南省2008—2017年森林火災(zāi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，2008—2017年湖南省森林火災(zāi)發(fā)生頻次呈逐年減少趨勢(shì)（圖1），其中2008年出現(xiàn)頻次最多,為4 800次；2015和2016年出現(xiàn)最少，分別為192、186次；2017年稍有增加，為386次。從湖南2008—2017年年降水量分布來看，年平均降雨量為1 403 mm，除2011年為974 mm，其余年份均在1 400 mm左右，但在人為意識(shí)加強(qiáng)防范作用下，森林火災(zāi)逐漸減少。2017年在湖南森林火災(zāi)頻次較多的2—4月，降水量比常年同期偏少2成，溫度偏高1～2℃，氣象條件導(dǎo)致該年森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)增多。

圖1 2008—2017年森林火災(zāi)逐年累計(jì)次數(shù)

1.2 月變化特征

統(tǒng)計(jì)分析2008—2017年湖南省各月森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)（圖2），2—4月是森林火災(zāi)高發(fā)月份，其中3月最多，總次數(shù)為3 800次，占全年的37%，其次是10月—次年1月，5—9月是全年森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)最少的月份。氣溫、降水以及相對(duì)濕度與森林火災(zāi)發(fā)生的概率有一定聯(lián)系，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，湖南2—4月月平均氣溫在0～10℃，降水少，發(fā)生火災(zāi)的次數(shù)多，危害也重；另外，湖南春季雷暴天氣頻發(fā)，尤其3月最多，雷暴形成的閃電接觸地面可燃物，便具備了“天雷勾地火”的條件，導(dǎo)致3月發(fā)生火災(zāi)次數(shù)最多。

圖2 2008—2017年森林火災(zāi)逐月累計(jì)次數(shù)

1.3 區(qū)域分布特征

圖3為湖南省14個(gè)地州市2008—2017年森林火災(zāi)發(fā)生累計(jì)次數(shù)的空間分布。森林火災(zāi)在邵陽地區(qū)發(fā)生次數(shù)最多，約2 063次，其次是郴州、長(zhǎng)沙和永州地區(qū)，超過900次，而張家界和岳陽地區(qū)相對(duì)較低，為500次左右。邵陽、永州、郴州位于湘南，而張家界和岳陽位于湘北，湖南地形是三面環(huán)山向東北開口的馬蹄形盆地，湘南森林面積大，發(fā)生森林火災(zāi)的頻次相對(duì)偏多；另外，從湖南氣候背景場(chǎng)分析，湘南歷年平均氣溫比湘中以北偏高1～2℃，氣溫偏高，使得可燃物本身的溫度升高，易被點(diǎn)燃，導(dǎo)致森林火災(zāi)頻次多。湖南特殊的地形及氣候背景導(dǎo)致森林火災(zāi)發(fā)生頻次存在空間分布差異。

圖3 湖南省14個(gè)地州市2008—2017年森林火災(zāi)發(fā)生累計(jì)次數(shù)空間分布

1.4 受災(zāi)面積空間分布特征

圖4為2008—2017年湖南省各地區(qū)森林火災(zāi)受災(zāi)面積分布圖。永州市、懷化市、邵陽市森林火災(zāi)受災(zāi)累積面積較大，達(dá)6 800～7 500 hm2，其次是郴州，湘潭受災(zāi)累計(jì)面積較小，為600 hm2左右。從全省森林火災(zāi)受災(zāi)面積逐年演變情況看，有顯著減少的趨勢(shì)，這和森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)是一致的。

圖4 2008—2017年各地州市累積受災(zāi)面積（單位：hm2）

2 森林火災(zāi)過程氣象成因分析

2.1 環(huán)流形勢(shì)特征

2018年2月14—19日湖南出現(xiàn)了一次嚴(yán)重的森林火災(zāi)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，受災(zāi)面積廣，致災(zāi)重。本文結(jié)合衛(wèi)星MODIS和VIIRS監(jiān)測(cè)的高分辨率數(shù)據(jù)，分析造成該次火災(zāi)過程的高低空環(huán)流特征及主要?dú)庀笥绊懸蜃?，提煉出預(yù)報(bào)技術(shù)指標(biāo)，為森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警提供技術(shù)支撐。

該次森林火災(zāi)過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，6 d左右，在湖南比較罕見，18—19日是森林火災(zāi)最嚴(yán)重的時(shí)期，分析500 hPa高空環(huán)流形勢(shì)圖可知，2018年2月14—19日，雖然有短波槽東移對(duì)湖南省造成影響，但短波槽移速很快，在2月18—19日森林火災(zāi)最嚴(yán)重時(shí)，湖南主要受平直的西南氣流影響，形勢(shì)場(chǎng)較穩(wěn)定，低層850 hPa受強(qiáng)盛的西南急流控制（圖5a），湘北地區(qū)受低渦快速移出影響，以微量降水為主，24 h雨量＜1 mm，湘中以南連續(xù)6 d幾乎無雨，降水量少，這段時(shí)間少雨乃至無雨天氣使得森林中空氣濕度明顯降低，導(dǎo)致森林內(nèi)可燃物含水量下降，造成湖南大部分地區(qū)發(fā)生森林火災(zāi)。

空氣中相對(duì)濕度的變化與森林中可燃物的含水量息息相關(guān)，空氣相對(duì)濕度越低，可燃物含水量也越低，使得森林火災(zāi)越容易發(fā)生及蔓延。分析該過程發(fā)現(xiàn)，在森林火災(zāi)期間日最低相對(duì)濕度均低于50%，容易發(fā)生森林火災(zāi)。

環(huán)境溫度也是影響森林火災(zāi)的因子之一，氣溫越高，可燃物水分蒸發(fā)越快，干燥的速度也快；可燃物自身溫度也隨之升高，有助于接近燃點(diǎn)。森林火災(zāi)期間，湖南高低空受上下一致的西南氣流控制，低層850 hPa西南急流達(dá)14 m/s左右，配合地面暖低壓倒槽發(fā)展（圖5b），使得地面氣溫升高。從2018年2月17日地面最高溫度分布（圖6）可知，湖南省日最高溫度除湘西北部分地區(qū)以外，其他地區(qū)均＞15℃。因此，氣溫條件有利于增大森林火災(zāi)發(fā)生頻次。

圖6 2018年2月17日地面最高溫度

森林火災(zāi)發(fā)生后，若風(fēng)速加大，能加快燃燒速度及火災(zāi)蔓延速度，影響火災(zāi)的傳播方向。這次森林火災(zāi)期間平均風(fēng)速一般超過0.5 m/s，火災(zāi)嚴(yán)重時(shí)段風(fēng)速加大到4～6 m/s（圖5b），風(fēng)向以偏東風(fēng)和偏南風(fēng)為主。風(fēng)速較大有利于森林火災(zāi)向西、向北方向傳播。

圖5 2018年2月18日08時(shí)850 hPa高度場(chǎng)（a）（單位：gpm）以及地面環(huán)流場(chǎng)（b）（單位：gpm）

2.2 氣象要素特征

從MODIS和VIIRS監(jiān)測(cè)的高分辨率數(shù)據(jù)分析（圖7），過程森林火災(zāi)次數(shù)為436次，受災(zāi)面積廣，湖南省72個(gè)縣市致災(zāi)，其中最嚴(yán)重時(shí)段發(fā)生在2月18—19日，主要分布在湘中及湘東北地區(qū)，婁底、邵陽和衡陽受災(zāi)尤其嚴(yán)重。從婁底站各氣象要素隨時(shí)間的演變圖（圖8）可看出，森林火災(zāi)事件過程中無降水發(fā)生，日最高氣溫在18日前均超過10℃，最高在17日達(dá)到20℃，日最小相對(duì)濕度在18日前均＜50%，風(fēng)速在0～6 m/s，17日火災(zāi)旺盛時(shí)期最大風(fēng)速增大到接近6 m/s，整個(gè)過程主要為偏東風(fēng)，有利于火災(zāi)的蔓延加強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致最強(qiáng)的時(shí)段出現(xiàn)在18—19日，20日氣溫明顯下降，并且出現(xiàn)了降雨，導(dǎo)致火勢(shì)減弱、火災(zāi)過程結(jié)束。

圖7 18日VIIRS監(jiān)測(cè)森林火點(diǎn)

圖8 2月14—19日森林火災(zāi)期間婁底站氣溫、降水、相對(duì)濕度（a）和風(fēng)速、風(fēng)向（b）逐時(shí)演變

有利的氣象條件是影響森林火險(xiǎn)的主要因素之一，森林火險(xiǎn)與氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速風(fēng)向及降水等氣象因子有著密切的關(guān)系。

3 結(jié)論

利用高低空氣象觀測(cè)資料和2008—2017年湖南森林火災(zāi)數(shù)據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星MODIS和VIIRS監(jiān)測(cè)的高分辨率產(chǎn)品，研究了湖南森林火災(zāi)時(shí)空分布特征及氣象條件成因。結(jié)論如下：

（1）湖南森林火災(zāi)高發(fā)月份是2—4月，其中3月最多，總次數(shù)為3 800次，其次是10月—次年1月，5—9月是森林火災(zāi)發(fā)生最少月份。森林火災(zāi)在邵陽發(fā)生次數(shù)最多，郴州、長(zhǎng)沙和永州次之，張家界和岳陽較低，且2008—2017年湖南森林火災(zāi)發(fā)生頻次逐年減少。

（2）2008—2017年湖南森林火災(zāi)受災(zāi)面積最大的是永州、懷化和邵陽，達(dá)6 800～7 500 hm2，湘潭受災(zāi)面積最小，為600 hm2左右。

（3）通過衛(wèi)星MODIS和VIIRS監(jiān)測(cè)的高分辨率數(shù)據(jù)分析，2018年2月14—19日湖南出現(xiàn)了一次嚴(yán)重的持續(xù)性森林火災(zāi)過程，森林火災(zāi)次數(shù)為436次，最嚴(yán)重時(shí)段為18—19日，主要分布在湘中及湘東北地區(qū)，婁底、邵陽和衡陽受災(zāi)尤其嚴(yán)重。

（4）融合高低空環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)及氣象因子分析典型個(gè)例，發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)期間，氣溫較高、相對(duì)濕度較小、降水量少、平均風(fēng)速一般超過0.5 m/s，火災(zāi)嚴(yán)重時(shí)段最大風(fēng)速增大到接近6 m/s，有利于火災(zāi)的蔓延加強(qiáng)，風(fēng)向以偏東風(fēng)和偏南風(fēng)為主，湖南高低空受上下一致的西南風(fēng)氣流控制，天氣形勢(shì)較穩(wěn)定。