柳州市高森林火險(xiǎn)氣象條件及等級(jí)預(yù)報(bào)研究

李宜爽　劉蕾　吳鎮(zhèn)疆　張凌云　藍(lán)柳茹　鄒穎俊

摘要 利用柳州市7個(gè)國(guó)家氣象站1987—2017年逐日氣象資料和同期的NECP/NCAR逐月再分析資料，以及柳州市2010—2018年的林火資料，分析了柳州市高森林火險(xiǎn)的大氣環(huán)流和氣象條件特征。結(jié)果表明：春季高森林火險(xiǎn)年?yáng)|亞大槽較常年同期偏弱，我國(guó)中西部地區(qū)位勢(shì)高度偏高，冬季高森林火險(xiǎn)年烏拉爾山以西部地區(qū)位勢(shì)高度偏高，低緯地區(qū)為平直的西風(fēng)氣流控制，氣流在長(zhǎng)江流域匯合，廣西維持高溫少雨是森林火險(xiǎn)高的環(huán)流背景;當(dāng)降水在0.2 mm以下（或無(wú)降水）、日最大風(fēng)速在3.0～4.0 m/s、日最高氣溫在24℃～28℃、日最小相對(duì)濕度在20%～40%時(shí)，柳州極易發(fā)生火災(zāi);經(jīng)過(guò)柳州市本地化后的行標(biāo)較國(guó)標(biāo)更能客觀地反映柳州森林火險(xiǎn)氣象條件的危險(xiǎn)程度，可業(yè)務(wù)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 大氣環(huán)流特征;氣象條件分析;森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)

中圖分類號(hào)：S762.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2022）02–0074–05

森林火災(zāi)的發(fā)生是多種因素同時(shí)作用的結(jié)果，大量研究表明氣象條件是最主要的因素，其不僅影響森林中可燃物的易燃性，還直接決定火災(zāi)的蔓延和傳播[1-5]。我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)，牛若蕓[6-7]利用全國(guó)575個(gè)國(guó)家氣象站近34年的氣象觀測(cè)資料，計(jì)算我國(guó)長(zhǎng)序列的歷史逐日森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)，并對(duì)指數(shù)的實(shí)際效果進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)森林火險(xiǎn)指數(shù)（FFDI）適用于我國(guó)大部分地區(qū)，且總體效果好 。全國(guó)不同區(qū)域也根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?，不斷?yōu)化與火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)相關(guān)的溫度、濕度和風(fēng)速等氣象因子，建立適合本地區(qū)的預(yù)報(bào)模型與方法，累計(jì)已有10多種[8-18]。關(guān)于廣西森林火險(xiǎn)的研究，也取得了一些成果：楊望月等[19]1993年基于統(tǒng)計(jì)方法建立了分季節(jié)（月）、分地區(qū)的廣西五大區(qū)域的短中期森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào);2016年，熊文兵等[20]利用GIS技術(shù)、結(jié)合衛(wèi)星遙感產(chǎn)品和中尺度氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等開(kāi)發(fā)了森林火險(xiǎn)等級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，有效地支撐了林業(yè)氣象服務(wù)工作開(kāi)展。

柳州地處桂中北部，森林面積有12 080 km2，森林覆蓋率達(dá)64.9%，森林防火壓力大，發(fā)生的火災(zāi)嚴(yán)重影響了全市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和市民身體健康和生命安全。但相關(guān)研究沒(méi)有開(kāi)展，為此開(kāi)展針對(duì)柳州市高森林火險(xiǎn)氣象條件的分析和預(yù)報(bào)，提高氣象服務(wù)精細(xì)化水平十分必要。

1 資料和方法

研究資料為柳州市7個(gè)國(guó)家氣象站1987—2017年逐日降水、日最高氣溫、日最低氣溫、日最小相對(duì)濕度和日最大風(fēng)速等氣象資料，同期NECP/NCAR逐月再分析資料，以及柳州市森林防火指揮部提供的2010—2018年林火資料。

研究方法是利用綜合了多種氣候因子的森林火險(xiǎn)環(huán)境氣象指數(shù)遴選高森林火險(xiǎn)年，并與林火數(shù)據(jù)對(duì)比檢驗(yàn)指數(shù)遴選結(jié)果的適用性，然后分析大氣環(huán)流和氣象條件特征，并在此基礎(chǔ)上參照中國(guó)氣象局2007年發(fā)布實(shí)施的《森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)（QX/T 77—2007）》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱行標(biāo)）、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì)在2019年實(shí)施的《森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)（GB/T 36743—2018）》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱國(guó)標(biāo)）分別建立了森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)行標(biāo)和國(guó)標(biāo)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[21-22]。

2 柳州市高森林火險(xiǎn)環(huán)流特征

一些重大的森林火災(zāi)通常都發(fā)生在長(zhǎng)期干旱的氣候背景下，氣候背景主要受多年的月平均溫度、月降水量和月平均相對(duì)濕度等因子影響。參考劉刈等[23]建立的森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)定義方法，定義柳州市森林火險(xiǎn)環(huán)境氣象指數(shù)F為：

F=2+T-R-f

公式中，T為月平均氣溫，R為月降水量，f為月平均相對(duì)濕度，其中T、R、f均經(jīng)過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)化處理。F值越高，森林火災(zāi)發(fā)生概率越高，反之亦然。

逐年計(jì)算柳州市1987—2017年春季和冬季F指數(shù)，并根據(jù)其大小分別確定了春季6個(gè)高森林火險(xiǎn)年份（F≥5.00）和6個(gè)低森林火險(xiǎn)年份（F≤1.50），冬季12個(gè)高森林火險(xiǎn)年份（F≥6.00）和6個(gè)低森林火險(xiǎn)年份（F≤3.00），具體見(jiàn)表1。

2010—2018年，柳州市共發(fā)生森林火災(zāi)256次，年均28.4次。冬季和春季是柳州市森林火災(zāi)集中期，占全年林火的81.6%。根據(jù)2010—2018年柳州市春、冬季森林火災(zāi)頻數(shù)發(fā)現(xiàn)：春季2013年發(fā)生的火災(zāi)是22次，為近9年最多，其次是2010年20次，2011年9次，2014年、2016年春季則無(wú)火災(zāi)發(fā)生;而冬季則是2017年最多，為33次，其次是2014年30次，2011年14次，2015年冬季無(wú)火災(zāi)發(fā)生。這與F指數(shù)遴選的高（低）森林火險(xiǎn)年份是對(duì)應(yīng)的，兩者相關(guān)性較高，說(shuō)明F指數(shù)是合理的。

2.1 春季高森林火險(xiǎn)的大氣環(huán)流特征

利用合成分析法分析了柳州市春季和冬季高森林火險(xiǎn)年的平均大氣環(huán)流特征，氣候平均場(chǎng)取1988—2017年NECP/NCAR逐月再分析資料。

由春季高森林火險(xiǎn)年500 hPa平均高度場(chǎng)及距平場(chǎng)（陰影）圖可見(jiàn)，春季高森林火險(xiǎn)年中高緯呈一槽一脊型，中亞地區(qū)受寬廣的高壓脊控制，亞洲大陸東部—日本海一帶為低槽區(qū);低緯地區(qū)氣流較為平直，副高呈帶狀分布位于15°N左右的海上（圖1a）。對(duì)應(yīng)距平場(chǎng)，我國(guó)東北到日本的40°N～70°N大部地區(qū)為負(fù)距平，說(shuō)明東亞大槽較常年同期偏弱20 gpm，我國(guó)中西部地區(qū)的新疆，西藏到云貴高原一帶為正距平，說(shuō)明高度場(chǎng)偏高，這種環(huán)流配置形勢(shì)說(shuō)明春季高森林火險(xiǎn)年的西北氣流較氣候平均態(tài)強(qiáng)。700 hPa平均流場(chǎng)進(jìn)一步證實(shí)了在大陸高壓脊的影響下，我國(guó)大部地區(qū)為西北氣流控制，柳州市正好位于偏北氣流中，天氣晴好，氣溫高，水汽條件差，林區(qū)植被干燥，極易引發(fā)森林火災(zāi)（圖1b）。

2.2 冬季典型高森林火險(xiǎn)的大氣環(huán)流特征

從冬季高森林火險(xiǎn)年情況可以看到，冬季高森林火險(xiǎn)年中高緯也呈一槽一脊型，貝加爾湖以西為寬廣的高壓脊控制，貝加爾湖到日本海一帶為低槽區(qū);低緯地區(qū)氣流較為平直，副高范圍較春季明顯縮小，且位于菲律賓以東的洋面上（圖2a）。對(duì)應(yīng)的距平圖上，冬季高森林火險(xiǎn)年?yáng)|亞大槽較常年同期偏弱8 gpm;烏拉爾山以西地區(qū)為強(qiáng)度達(dá)24 gpm的正距平區(qū)，我國(guó)大部地區(qū)主要處于寬廣脊前西北氣流控制。700 hPa合成場(chǎng)上可見(jiàn)，中高緯地區(qū)為范圍寬廣的氣旋環(huán)流控制，柳州市雖然位于華南東部反氣旋環(huán)流后側(cè)的偏南氣流中，但輻合區(qū)主要位于長(zhǎng)江流域一帶，亦維持高溫少雨的天氣形勢(shì)，從而導(dǎo)致林區(qū)植被干燥，極易引發(fā)森林火災(zāi)（圖2b）。

3 氣象條件特征

基于F指數(shù)與林火頻數(shù)的相關(guān)性，著重分析2010—2018年林火發(fā)生時(shí)期的氣溫、相對(duì)濕度、降水和風(fēng)速等氣象條件特征，以便更好地表述森林火險(xiǎn)與氣象條件的關(guān)系，為預(yù)報(bào)模型的建立提供參考。

3.1 降水量

降水量直接決定森林中可燃物含水量。降水量越少，森林中的可燃物含水量越低，發(fā)生火災(zāi)的可能性也就越低。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2010—2018年柳州市各縣（區(qū)）發(fā)生的256次火災(zāi)中有222次（87%）對(duì)應(yīng)的降雨在0.2 mm以下（或無(wú)降水）?？梢?jiàn)，降水量嚴(yán)重偏少導(dǎo)致森林內(nèi)可燃物含水量下降，加上用火管理不善導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生頻率增大。

3.2 風(fēng)速、氣溫和相對(duì)濕度

除了降水，風(fēng)速、環(huán)境氣溫和相對(duì)濕度也是影響森林火災(zāi)的重要因子。分析2010—2018年期間柳州市林火頻率與日最大風(fēng)速、日最高氣溫、日最小相對(duì)濕度之間的關(guān)系圖發(fā)現(xiàn)：日最大風(fēng)速<1.0 m/s，沒(méi)有森林火災(zāi)發(fā)生;風(fēng)速>1.0 m/s開(kāi)始有林火發(fā)生;風(fēng)速>2.0 m/s森林火災(zāi)頻率明顯增高，而森林火災(zāi)發(fā)生頻率最高的是日最大風(fēng)速在3.0～4.0 m/s，達(dá)29.7%;但日最大風(fēng)速>13.0 m/s，則無(wú)林火發(fā)生;風(fēng)速增大，但林火發(fā)生率下降，這似乎與“風(fēng)高火更急”的常理相悖，為此進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)大風(fēng)出現(xiàn)前期或當(dāng)天都伴有降雨，因此可能降水因素作用更大，加上個(gè)例資料有限，導(dǎo)致大風(fēng)與高火險(xiǎn)相關(guān)不顯著。

對(duì)于日最高氣溫，當(dāng)日最高氣溫在10℃以下時(shí)，森林火災(zāi)發(fā)生概率很小，僅為0.4%。日最高氣溫在10℃以上時(shí)林火發(fā)生概率增大，當(dāng)日最高氣溫在16℃～32℃時(shí)，森林火災(zāi)發(fā)生概率為83.9%，其中概率最高的是日最高氣溫在24℃～28℃，達(dá)27.3%。而當(dāng)日最高氣溫達(dá)36℃以上，森林火災(zāi)發(fā)生概率下降至1.2%。氣溫升高反而林火概率下降的原因，跟風(fēng)速類似，可能是其他因素作用更大。

對(duì)于最小相對(duì)濕度，日最小相對(duì)濕度在20%～40%時(shí)極易發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)頻率在41.8%，日最小相對(duì)濕度>60%時(shí)，火災(zāi)頻率較低，不容易發(fā)生火災(zāi)?？梢?jiàn)，相對(duì)濕度與森林火災(zāi)的相關(guān)性十分顯著，當(dāng)日最小相對(duì)濕度<60%時(shí)，柳州地區(qū)極易發(fā)生火災(zāi)。

4 森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建立及運(yùn)用情況

為了更好地為森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐，參照行標(biāo)和國(guó)標(biāo)分別建立了森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)行標(biāo)和國(guó)標(biāo)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。行標(biāo)是選取標(biāo)準(zhǔn)中的12個(gè)氣象因子作為柳州市森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)的影響因子，利用標(biāo)準(zhǔn)提供的計(jì)算公式計(jì)算各個(gè)因子的森林火險(xiǎn)貢獻(xiàn)度模型，得出柳州市森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)FFDI和對(duì)應(yīng)的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)FFDR對(duì)照表。然后以鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)報(bào)文和CIMISS實(shí)況為基礎(chǔ)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，利用單因子貢獻(xiàn)度數(shù)學(xué)模型和FFDI分級(jí)指標(biāo)，計(jì)算各時(shí)效FFDI和FFDR，制作柳州市各縣（區(qū)）未來(lái)24 h的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)（圖3）。國(guó)標(biāo)是根據(jù)降水、積雪、氣溫、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等氣象條件對(duì)森林火災(zāi)易燃和易蔓延的影響程度劃分氣象影響等級(jí)，其森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)的劃分及其相關(guān)氣象要素的函數(shù)值查對(duì)表均已在標(biāo)準(zhǔn)中給出，系統(tǒng)只需讀取預(yù)報(bào)報(bào)文的相關(guān)氣象要素根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)做簡(jiǎn)單計(jì)算即可（圖4）。行標(biāo)和國(guó)標(biāo)系統(tǒng)在2019年編制完成，根據(jù)這2個(gè)系統(tǒng)近2年的業(yè)務(wù)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)本地化計(jì)算的行標(biāo)比國(guó)標(biāo)更加符合柳州本地形勢(shì)。下面以近期的一次森林火險(xiǎn)氣象條件預(yù)報(bào)為例進(jìn)行分析說(shuō)明。

2021年11月25日，柳州轉(zhuǎn)為槽后偏北氣流影響，地面為冷高壓控制，700 hPa以下相對(duì)濕度較低，預(yù)報(bào)未來(lái)7 d柳州市為多云到晴的天氣。長(zhǎng)時(shí)間天氣晴好，空氣干燥且溫度較高，氣象條件十分有利于林火的發(fā)生。根據(jù)2021年11月28日行標(biāo)和國(guó)標(biāo)預(yù)報(bào)的未來(lái)24 h森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)圖，可以看到行標(biāo)預(yù)報(bào)未來(lái)24 h柳州各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)為3～5級(jí)，提示柳州有較高的森林火險(xiǎn)，局部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)為極高（圖5）。國(guó)標(biāo)森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)未來(lái)24 h預(yù)報(bào)為1～3級(jí)，個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)4級(jí)。國(guó)標(biāo)的預(yù)報(bào)量級(jí)大部地區(qū)比行標(biāo)要低1～2級(jí)。這是不太符合柳州市實(shí)際情況，分析其原因：（1）行標(biāo)的氣象等級(jí)劃分是根據(jù)當(dāng)?shù)氐幕痣U(xiǎn)情況，以及12個(gè)氣象因子氣候特征計(jì)算所得，體現(xiàn)了本地化特征;國(guó)標(biāo)直接分區(qū)域給出森林火險(xiǎn)指數(shù)及其相應(yīng)等級(jí)判別標(biāo)準(zhǔn)，判斷范圍較為廣泛（比如整個(gè)華南地區(qū)是同一判斷標(biāo)準(zhǔn)）。（2）2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)的計(jì)算方法和所用的氣象因子不同，行標(biāo)是用12個(gè)氣象因子計(jì)算貢獻(xiàn)度，國(guó)標(biāo)則是用4個(gè)氣象因子計(jì)算貢獻(xiàn)度。（3）國(guó)標(biāo)涉及連續(xù)無(wú)降雨日和是否干旱的判斷。在天氣有微量降雨時(shí)，連續(xù)無(wú)降雨日即會(huì)中止，這在一定程度上影響了FFDI的計(jì)算。

5 結(jié)論

在分析柳州市高森林火險(xiǎn)年環(huán)境特征以及與森林火險(xiǎn)的密切相關(guān)氣象條件的基礎(chǔ)上，編制了基于行標(biāo)和國(guó)標(biāo)的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并在業(yè)務(wù)運(yùn)行中對(duì)比了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)。主要結(jié)論如下。

（1）2010—2018年，柳州市共發(fā)生森林火災(zāi)256次，年均28.4次。冬季和春季是柳州市森林火災(zāi)的高發(fā)期。

（2）春季高森林火險(xiǎn)年?yáng)|亞大槽較常年同期偏低20 gpm，我國(guó)中西部地區(qū)為位勢(shì)高度偏高，柳州市及其上游地區(qū)主要受脊前西北氣流影響，天氣較好，氣溫高，水汽條件差;冬季高森林火險(xiǎn)年烏拉爾山以西地區(qū)為強(qiáng)度達(dá)24 gpm的正距平區(qū)，低緯地區(qū)為平直的西風(fēng)氣流控制，柳州市上空的偏南氣流在長(zhǎng)江流域一帶匯合，不易成云致雨，持續(xù)氣溫高，林區(qū)植被蒸發(fā)大，極易引發(fā)森林火災(zāi)。

（3）當(dāng)降水在0.2 mm以下（或無(wú)降水）、日最大風(fēng)速在3.0～4.0 m/s、日最高氣溫在24℃～28℃和日最小相對(duì)濕度在20%～40%時(shí)柳州極易發(fā)生火災(zāi)。

（4）經(jīng)過(guò)柳州市本地化后的行標(biāo)較國(guó)標(biāo)更能客觀地反映森林火險(xiǎn)氣象條件的危險(xiǎn)程度，可應(yīng)用于相關(guān)業(yè)務(wù)上。

另外森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)是一項(xiàng)繁雜的綜合性研究工作，影響森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)的因素除了氣象因子以外，還有可燃物、地形和火源等因子，今后將開(kāi)展基于氣象、森林可燃物等因子的綜合林火預(yù)報(bào)方法研究，繼續(xù)完善預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)工作，為柳州市森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)提供有力的技術(shù)支撐與客觀參考。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Meteorological Conditions of Forest Fire Danger and Analysis on Weather Ratings Forecast in Liuzhou

LI Yishuang et al（ Liuzhou Meteorological Bureau， Liuzhou， Guangxi 545001）

Abstract Based on the daily meteorological data at 7 national weather station in Liuzhou during 1987-2017， the homochronous monthly reanalysis data from NECP/NCAR and forest fire data from the headquarter of Liuzhou forest fire prevention during 2010-2018， the variation characteristics of forest fire was investigated by defining the meteorological environment index of the forest fire danger. And on this basis the atmospheric circulation features of the typical years with high forest fire danger were analyzed further in spring and winter， combined with the typical case， the correlativity of meteorological elements and forest fire insurance was studied. The results displayed that： the east asia deep trough of the 500 hPa geopotential height field in typical years of high forest fire danger in spring was negative， and that was positive in central and western of china. In winter， circulation pattern of the 500 hPa geopotential height anomaly field in typical years of high forest fire danger was positive in the western region of Ural Mountains， the low-latitude area was controlled by the horizontal westerly airflow， Thus the cold air was accumulated in the middle and high latitudes， which resulted in the location of the main frontal zone of weather system to northward; There was very prone to fire when the precipitation was below 0.2 mm， no precipitation）， the daily maximum wind speed was between 3 and 4 m/s， the daily maximum temperature was between 24℃ and 28℃ and the daily minimum relative humidity was between 20% and 40%; compared with the national standard， the localized industry standard can objectively reflect the degree of danger of Liuzhou’s forest fire danger meteorological conditions， and can be applied for business.

Key words General circulation of atmosphere characteristics ; Analysis of meteorological conditions; Forest fire-danger weather ratings

基金項(xiàng)目 廣西區(qū)氣象局氣象科研計(jì)劃項(xiàng)目“柳州市森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)本地化研究與預(yù)報(bào)平臺(tái)開(kāi)發(fā)”（桂氣科2019M15）。

作者簡(jiǎn)介 李宜爽（1991—），女，廣西象州人，工程師，主要從事專業(yè)氣象服務(wù)及相關(guān)研究。

收稿日期 2021-12-10