2010—2020年衡陽NOAA監(jiān)測火點時空分布特征分析

曠煜菲， 彭雙姿， 汪文龍， 蘇勇， 許笛， 閆峰

(1.湖南省衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421001；2.湖南省衡東縣氣象局，湖南 衡陽 421400； 3.湖南省常寧市氣象局，湖南 衡陽 421500)

火災是一種極具破壞性的全球性災害。研究表明，全球年均過火面積在3×107hm2以上[1-3]，年均發(fā)生森林火災的次數(shù)20余萬次[4]，森林火災造成直接經(jīng)濟損失大，造成的間接損失更大，不僅造成森林損失，生物質(zhì)燃燒威脅人類生命安全，也破壞碳循環(huán)，影響生態(tài)系統(tǒng)平衡，導致全球氣候變暖[5]，極端天氣增多。我國森林資源日益增長，已進入森林火災易發(fā)期和高危期[6]，在這種趨勢之下，森林防火工作越發(fā)重要，工作任務也越來越重。

對歷史監(jiān)測火點、火源進行時空分布特征分析，有利于更好地發(fā)揮本地森林防火氣象服務，進一步強化防災減災工作，對預防森林火災的發(fā)生、減少火災損失和保護森林生態(tài)系統(tǒng)具有非常重要的意義。遙感監(jiān)測在森林火災監(jiān)測工作中發(fā)揮著重要作用，國內(nèi)許多學者基于各種衛(wèi)星遙感監(jiān)測的火點數(shù)據(jù)，對本地區(qū)林火時空變化特征進行了研究[7-14]，常用的遙感數(shù)據(jù)有MODIS與NOAA系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)等，多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)聯(lián)合使用，有利于滿足全球火災監(jiān)測等需求[15-16]。雖然現(xiàn)在遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測手段很先進，分辨率也很高，但陳興峰等[15]認為火點遙感用于發(fā)現(xiàn)火災仍需要與地面監(jiān)測等手段聯(lián)合使用。

對于湖南省的歷史火點及災情統(tǒng)計情況，孫玉榮等通過基尼系數(shù)、市場集中度指標，對湖南2001—2008年各市州森林火災災情的區(qū)域分異特征進行研究，研究表明衡陽市森林資源豐富，為全省森林火災災情較為嚴重的區(qū)域[17]。闕華斐等[11]指出衡陽南部為林火熱點集中區(qū)域，王雙等[18]基于空間logistic對湖南省森林火災進行了風險評價，得出衡陽市為極高森林火險等級與高森林火險等級的主要分布地區(qū)，而對于衡陽地區(qū)森林火災變化趨勢和火點分布趨勢的相關研究甚少。研究以衡陽市為研究對象，基于NOAA系列衛(wèi)星遙感監(jiān)測，經(jīng)過地面監(jiān)測等途徑核查后的火點數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計、Mann-Kandell趨勢檢驗、反距離權重插值等方法，對衡陽2010—2020年衛(wèi)星遙感火點監(jiān)測數(shù)據(jù)的時空分布等特征進行詳細分析。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

圖1為衡陽市地理信息示意圖。衡陽市位于湖南省中南部，湘江中游，衡山之南，構成典型的盆地地勢。衡陽城區(qū)橫跨湘江，境內(nèi)流域面積在3×105hm2以上，湘江一級支流有舂陵水、蒸水、耒水、洣水。衡陽市轄南岳區(qū)、珠暉區(qū)、雁峰區(qū)、石鼓區(qū)、蒸湘區(qū)、常寧市、耒陽市、衡南縣、衡陽縣、衡山縣、衡東縣、祁東縣。北靠婁底和湘潭市，東臨株洲市，西毗永州市，南接郴州市，地處110°32′16″—113°16′32″E，26°07′05″—27°28′02″N，屬亞熱帶季風氣候。冬季偏暖，春季氣溫偏高，入春后降水較集中，年平均降水量約1 500 mm，下半年夏秋季節(jié)雨水充沛，比較涼爽，雨季結束不明顯。湖南省植被類型以亞熱帶常綠闊葉喬木林為主[19]，截止2020年底，湖南省森林覆蓋率達到59.96%，活力木蓄積量達到6.18×108m3[20]。其中衡陽市國土面積1 530 278.0 hm2，林地面積777 428.5 hm2[21]。

圖1 衡陽市地理信息示意圖Figure 1 Geographic information schematic diagram of Hengyang City

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

目前用于我國森林火災監(jiān)測的主要是美國的NOAA系列衛(wèi)星，還有我國的風云系列衛(wèi)星和美國的EOS衛(wèi)星[22]。NOAA系列衛(wèi)星很適合林火監(jiān)測，星下點分辨率約1 km2，時效性高，對同一地區(qū)的覆蓋頻率達每天4次以上，攜帶的AVHRR掃描輻射計第3通道對高溫熱源非常敏感[23]，對溫度分辨率很強，能分辨0.1 hm2大小的火點。研究中使用的衛(wèi)星遙感監(jiān)測資料由衡陽市林業(yè)局提供，其中多數(shù)來源為NOAA系列衛(wèi)星，少量為風云系列氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，本文用到的所有火點數(shù)據(jù)已經(jīng)過人工核查反饋等地面監(jiān)測途徑進行確認。

采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，按年、月、季節(jié)分析衡陽市在不同時間尺度的衛(wèi)星監(jiān)測火點分布規(guī)律，采用Mann-Kandell趨勢法進行顯著性檢驗[24]，Mann-Kandell趨勢檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，該方法不需要遵循一定分布，不受少量異常值干擾，更適用于時間序列變化的數(shù)據(jù)趨勢檢驗[25]。利用反距離加權插值法，按縣市分析了衛(wèi)星監(jiān)測火點的空間分布特征。反距離加權插值法假定每個測量點都有一種局部影響，而這種影響會隨著距離的增大而減小。

2 火點時空分布特征

2.1 年際變化

圖2為2010—2020年衡陽市衛(wèi)星監(jiān)測火點個數(shù)年變化，可以看出，2010—2020年監(jiān)測火點個數(shù)整體呈下降趨勢(如圖2)，但在2013—2015年年際波動較大，2013—2014年火點個數(shù)大幅增長，在2015年以后由于人為管控大幅下降，2015年之后火點維持在較少且穩(wěn)定的水平。運用Mann-Kandell趨勢顯著性檢驗分析2010—2020年火點時間變化，結果表明，衡陽市火點個數(shù)呈顯著下降趨勢，并且通過了0.05的顯著性檢驗。結論與闕華斐等[11]研究結果一致。

2010—2020年平均監(jiān)測到火點114個，其中2014年監(jiān)測到火點總個數(shù)最多，為286個，其次為2013年，監(jiān)測到火點204個，2010—2014年監(jiān)測到的火點個數(shù)較多，平均每年監(jiān)測到火點195個，2015—2020年發(fā)生火點個數(shù)大幅下降，減少到平均每年只有46個，其中2020年監(jiān)測火點個數(shù)最少，只有21個。

圖2 2010—2020年火點個數(shù)年變化Figure 2 Annual change of fire spots in 2010—2020

2.2 月變化

表1為2010—2020年火點月頻數(shù)逐年統(tǒng)計。近11年來，12月—4月衛(wèi)星監(jiān)測火點發(fā)生頻數(shù)較高，共監(jiān)測到火點1 009個，約占總數(shù)的80.70%，其中最高的為2月311個，其次為1月和3月，分別為249個、184個，為林火預防、撲救的重點時段?；瘘c發(fā)生頻數(shù)最少的為6月，5—7月火點發(fā)生頻數(shù)少，5—7月11年來共監(jiān)測到火點12個，僅占總數(shù)的0.90%，該時段為衡陽地區(qū)強降水集中期，十年平均雨量5月、6月最高。8—11月11年來共監(jiān)測到火點230個，約占總數(shù)的18.40%。2014年1月監(jiān)測火點頻數(shù)最高為183個，其次為2011年2月66個、2010年2月61個。2014年、2015年的1月為火點監(jiān)測頻數(shù)最高的月份，2010年、2011年、2016年、2018年、2020年火點監(jiān)測頻數(shù)最高的月份為2月。從圖3(a)多年累計火點的月變化可看出，發(fā)生火點的月份集中，具有明顯的差異性，1—4月、8—12月為火點發(fā)生集中月份，5—7月火點發(fā)生概率低。

表1 2010—2020年火點月頻數(shù)逐年統(tǒng)計(單位：個)Table 1 Statistics of monthly frequency of fire spots annually from 2010 to 2020 (Unit:Individual)

2.3 季節(jié)變化

根據(jù)氣象學的季節(jié)劃分，12月—2月為冬季，3月—5月為春季，6月—8月為夏季，9月—11月為秋季。由圖3(b)多年平均火點個數(shù)季節(jié)變化可以看出，衡陽地區(qū)火點季節(jié)變化十分明顯。冬季和春季為發(fā)生火點個數(shù)較多的季節(jié)，冬季2010—2020年平均監(jiān)測火點個數(shù)為73個，占總數(shù)的58.11%，春季平均火點個數(shù)為29個，占總數(shù)的23.02%。夏季和秋季較低，其中夏季最低，平均火點個數(shù)為7個，僅占總數(shù)的5.60%，秋季平均火點個數(shù)為17個，占總數(shù)的13.27%。由2000—2017年湖南省四季NDVI變化研究可知，冬季部分植被進入落葉期，夏季降水充沛，溫度較高，植被生長較快，夏季植被處于生長最旺盛時期[19]。衡陽地區(qū)夏季降雨集中，植被和土壤含水量高，枯枝落葉少，火點發(fā)生的概率較低。

從2010—2019年逐日累計火點個數(shù)來看(圖4)，監(jiān)測火點集中在1月中旬至2月，均有較多火點發(fā)生，1月31日監(jiān)測到54個火點，另一個較高的峰值在3月下旬到4月上旬(清明節(jié)前后)，4月3日監(jiān)測到37個火點。秋季呈明顯減少趨勢，10月26日累計火點個數(shù)為19個。在夏季監(jiān)測到的火點個數(shù)明顯減少，為十年累計火點個數(shù)最低，夏季累計最高的火點個數(shù)出現(xiàn)在8月6日(10個)。

圖3 2010—2020年火點個數(shù)月變化(a)與季節(jié)變化(b)Figure 3 Monthly changes of fire spots (a) and seasonal Changes (b) from 2010 to 2020

圖4 2010—2019年逐日累計火點個數(shù)分布Figure 4 Daily distribution of cumulative number of fire spots from 2010 to 2019

2.4 空間分布

表2為2010—2020年衡陽各縣市區(qū)逐月火點頻數(shù)統(tǒng)計，由表可知，2010—2020年耒陽市為火點發(fā)生頻次最高的縣，衛(wèi)星共監(jiān)測到火點446個，占全市總數(shù)的35.65%，耒陽市火點發(fā)生時間主要集中在12月—2月；其次為常寧市，共出現(xiàn)298個，占全市的23.82%，火點出現(xiàn)時間主要集中在12月—3月；衡東縣、衡陽縣、祁東縣火點發(fā)生頻次較高，這三縣火點出現(xiàn)時間集中在1月—3月，衡南縣、衡山縣、衡陽市區(qū)火點發(fā)生頻次較低，南岳區(qū)近11年沒有監(jiān)測到火點。市區(qū)森林、草原面積極小，南岳區(qū)面積小，且林區(qū)主要處在衡山4A景區(qū)內(nèi)，所以市區(qū)和南岳區(qū)發(fā)生火點概率低，除了市區(qū)與南岳區(qū)外，衡山縣是火點發(fā)生頻次最低的縣，僅占全市的1.60%，衡山縣火點出現(xiàn)頻次最高的月份為1月。用反距離權重插值進行分析，得出2010—2020年全市火點發(fā)生頻次空間分布(圖5)，總體來看，全市火點個數(shù)分布不均，發(fā)生火點頻次最高的為耒陽市，其次為常寧市，頻次最低為南岳區(qū)和市區(qū)，總體呈現(xiàn)南高北低的特征，衡陽地區(qū)火點發(fā)生頻次南部高于北部，東部高于西部，中部及偏北一帶發(fā)生頻次最低。對比闕華斐等進行的時空熱點分析模型研究，衡陽南部為持續(xù)或連續(xù)熱點[11]，故耒陽市、常寧市在每年火點頻發(fā)時段(12月至次年3月)需高度關注。

表2 2010—2020年衡陽各縣市區(qū)逐月火點頻數(shù)統(tǒng)計(單位：個)Table 2 Monthly fire frequency statistics in each county of Hengyang City from 2010 to 2020 (Unit:Individual)

圖5 2010—2020年衡陽火點頻次空間分布Figure 5 Spatial distribution of fire spot frequency in Hengyang from 2010 to 2020

3 火源分布特征

表3為2010—2020年衡陽市火源種類逐月統(tǒng)計，圖6為衡陽市火源種類及比例餅狀圖。衡陽市火源種類主要分為林火、荒火、煉山、農(nóng)用火、灌木火及其他，其中荒火是主要火源，所占比例為41.09%(圖6)，主要發(fā)生在耒陽市、衡東縣、常寧市等地，衡南縣、衡山縣、市區(qū)、南岳區(qū)發(fā)生較少，荒火主要發(fā)生的月份為1月—3月，說明在該時段需嚴格管控火源，加強火點監(jiān)測；其次發(fā)生較多的火源種類為煉山，比例為21.50%，多發(fā)生在耒陽市、常寧市，煉山主要發(fā)生在12月—2月，煉山是人為火源，火險等級高時加強防火宣傳可以有效減少該火源發(fā)生頻率。農(nóng)用火所占比例為10.63%，常寧市發(fā)生的頻次最多，其次為耒陽市、衡南縣，多發(fā)于2月，其次為12月、3月、1月，農(nóng)用火如秸稈焚燒，焚燒時間一般集中在晚冬和初春。林火與灌木火為種類比例最少火源，比例分別為2.32%、3.12%。

表3 2010—2020年火源種類逐月統(tǒng)計(單位：個)Table 3 The type of fire source monthly statistics from 2010 to 2020 (Unit:Individual)

圖6 衡陽市火源種類及比例Figure 6 Types and proportion of fire sources in Hengyang City

4 結論與討論

4.1 結論

根據(jù)對2010—2020年衡陽市NOAA系列及風云系列氣象衛(wèi)星監(jiān)測火點數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到近11年衡陽市衛(wèi)星監(jiān)測火點與火源的時空分布特征：

(1)在α=0.05顯著水平下，2010—2020年監(jiān)測火點個數(shù)呈現(xiàn)明顯下降趨勢，2013—2014年呈上升趨勢，2015年以后加強人為管控措施，火點個數(shù)大幅下降。

(2)12月—4月衛(wèi)星監(jiān)測火點發(fā)生頻數(shù)高，占總數(shù)的80.70%，其中2月、1月、3月火點發(fā)生頻數(shù)最高，為林火預防、撲救的重點時段，5—7月為火點發(fā)生頻數(shù)最少的三個月，僅占總數(shù)的0.90%，每年的1—4月、8—12月為火點發(fā)生集中月份。

(3)從季節(jié)分布來看，冬季火點個數(shù)最多，監(jiān)測火點集中在1月中旬至2月，其次為春季，峰值在3月下旬到4月上旬(清明節(jié)前后)，夏季和秋季監(jiān)測火點個數(shù)較少，其中夏季最低，僅占總數(shù)的5.60%。

(4)從空間分布來看，發(fā)生火點頻次最高的縣市為耒陽市，其次為常寧市，頻次最低為南岳區(qū)和衡陽市區(qū)，總體呈現(xiàn)南高北低的特征，衡陽地區(qū)火點發(fā)生頻次南部高于北部，東部高于西部，中部及偏北一帶發(fā)生頻次最低。

(5)荒火為主要火源種類，發(fā)生月份主要為1月—3月，耒陽市、衡東縣、常寧市等地多發(fā)，其次為煉山、農(nóng)用火，煉山多發(fā)生在耒陽市、常寧市，農(nóng)用火常寧市發(fā)生頻次最高。

4.2 討論

(1)近年來為預防森林火災發(fā)生，林業(yè)與應急管理部門出臺相關政策，加強人為管控力度，從火點趨勢可以看出防災減災效果十分顯著。常寧市、耒陽市、衡南縣均以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)為主，加之這些縣區(qū)行政區(qū)域面積較大，火點出現(xiàn)頻率較高，在火險等級較高時，應加強對三地森林防火工作，特別是防火宣傳以及對農(nóng)、林業(yè)的火源管控措施。冬、春季枯枝落葉積累較多，火災易蔓延，夏季植被生長速度快，植被、土壤水分含量高，由于衡陽地區(qū)氣候條件，雨水集中在夏季，夏季森林火災風險低。在冬、春季火點的高發(fā)時段(12月—3月)，包括清明節(jié)前后，相關部門應加強火源管控、火點監(jiān)測，加強上下部門聯(lián)動，及時發(fā)現(xiàn)，及時撲救，日常工作應多進行防火宣傳，提高大眾防火意識。

(2)目前衡陽市森林防滅火工作相關部門采用NOAA系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，本文基于從林業(yè)及應急管理部門獲取的系列衛(wèi)星資料分析，從實際業(yè)務工作出發(fā)，總結了火點時空分布特征及原因分析，缺點是遙感資料較為單一，現(xiàn)在衛(wèi)星遙感資料多樣且應用廣泛，下一步可結合多源衛(wèi)星火點數(shù)據(jù)、承災體信息及實際過火面積等災情信息，分析衡陽市森林火險風險區(qū)劃，進一步加大森林火災的防范力度。