北京市楊柳飛絮氣象指數(shù)設計及應用*

戴 健 程月星 占俊杰

（1.北京市朝陽區(qū)氣象局，北京 100016；2.北京市順義區(qū)氣象局，北京 101316）

北京市主要的楊樹種類有毛白楊Populus tomentosa、加楊P.×canadensis等，楊樹屬于雌雄異株，而產(chǎn)生飛絮的是楊樹的雌株。以毛白楊為例，花芽于前一年秋季形成，于3 月初開始萌發(fā)，3 月中旬雄株花穗開放后脫落，不形成飄絮現(xiàn)象。雌株花穗則不脫落，繼續(xù)發(fā)育、生長。雌株花穗上生有若干小蒴果，4 月中旬，蒴果成熟后開裂，種絮從中間露出[1]。種絮由于受到太陽輻射的影響，水分迅速蒸發(fā)散失，結(jié)構(gòu)變?yōu)樗缮⒌男踅z狀，極易飄散在空氣中，產(chǎn)生飄絮現(xiàn)象。飛絮屬于極易燃物，遇煙頭等明火極易發(fā)生火災，是城市防火工作的重點隱患[2-3]。

本文通過分析飛絮期內(nèi)氣溫、相對濕度、風等氣象因素的特征，得出氣象條件與飛絮的關系，設計飛絮氣象指數(shù)，對飛絮期開展氣象條件預報。為更好地評估楊柳飛絮所造成的火災風險隱患，根據(jù)植被分布情況和易燃易爆場所密度，將飛絮引發(fā)火災風險與影響進行系統(tǒng)性分析，根據(jù)分析結(jié)果開展風險區(qū)劃，提升火災風險防范工作的精細化程度。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 氣象站點及數(shù)據(jù)

本文數(shù)據(jù)來源于北京市朝陽區(qū)國家氣象觀測站（54433）1981—2021 年氣象數(shù)據(jù)。朝陽國家氣象站位于北京市朝陽區(qū)東風南路6 號，站點位置為116°30′03″E，39°57′09″N。將高于0℃的日平均氣溫累加得到有效積溫，風速數(shù)據(jù)使用的是10 min平均風速。

1.2 飛絮氣象指數(shù)設計方法

利用朝陽區(qū)國家氣象觀測站歷史觀測資料及楊柳絮生長發(fā)育特征，對影響楊柳飛絮產(chǎn)生的氣象要素進行綜合分析，設計朝陽區(qū)飛絮氣象指數(shù)，并對飛絮氣象等級進行劃分。本文采用因子加權(quán)法對影響楊柳飛絮的氣象因子賦予不同的權(quán)重[4]，其中，對氣象指數(shù)貢獻越大的因子，加權(quán)的分值越大。確定影響楊柳絮飛散的主要氣象因子為平均氣溫、風力、相對濕度、有無降水。根據(jù)統(tǒng)計，楊柳飛絮期在4 月上旬至5 月中旬，積溫在480～1 400 ℃、平均氣溫在14～27 ℃之間。另外，飛絮與相對濕度和風速也存在一定關系，根據(jù)專家打分法，認為相對濕度＜40%，風力2、3 級條件下，有利于飛絮飄散。

另外，根據(jù)王建紅[5]、陳連俠等[6]的研究，除了氣象因子外，時間和下墊面等其它因素也對飛絮產(chǎn)生影響。如每日10:00—16:00 時由于太陽輻射較強，氣溫逐漸升高，氣流擾動增強，有利于雌株蒴果的成熟與炸裂，是楊柳飛絮的高發(fā)時段。不同下墊面也對楊柳絮飛散有著不同的影響。柏油路、公路等硬質(zhì)路面由于不利于楊柳絮的固著，且地面與空氣溫差較大，容易形成局部空氣對流，加劇了飛絮的飄散，增加了空氣中飛絮的濃度。而土壤、綠地等軟質(zhì)下墊面有利于飛絮的固著，使得空氣中飛絮濃度下降。因此，飛絮氣象指數(shù)由影響層和影響因子兩部分。影響層分為氣象條件、其它條件，并以積溫和平均氣溫劃定開始和結(jié)束期。氣象條件包括積溫、風力、相對濕度和降水情況；其它條件包括時段和下墊面類型，具體劃分情況如表1。

綜合考慮以上影響因子，楊柳飛絮氣象指數(shù)的公式為：

其中，I為飛絮氣象指數(shù)，表示氣象條件引發(fā)飛絮的程度。I值越大，氣象條件越有利于楊柳絮飛散。wi為氣象條件影響因子，包括積溫、風力、相對濕度、有無降水；Di,j為其他條件的影響因子，包括時段和下墊面類型；T為上文提到的是否開始飄絮的判識條件，包括積溫和平均氣溫。通過專家打分法，依據(jù)各因子對氣象災害的影響程度大小，為7 項影響因子賦予權(quán)重分值，得出飛絮氣象指數(shù)等級，應用于飛絮氣象服務中。具體情況如表2 所示。

表2 飛絮氣象指數(shù)等級劃分Table 2 Exponential grading of poplar catkin meteorological index

1.3 飛絮引發(fā)易燃易爆場所火災風險評估方法

根據(jù)區(qū)域災害風險評估理論，飛絮的風險影響與區(qū)域孕災環(huán)境敏感性、致災因子等息息相關的。區(qū)域孕災環(huán)境敏感性主要指朝陽區(qū)加油站、加氣站等易燃易爆場所分布情況，致災因子指楊柳飛絮情況。歸一化植被指數(shù)（NDVI）是一種通過衛(wèi)星遙感方式監(jiān)測地面植被覆蓋情況的指標。歸一化植被指數(shù)越接近1，則很有可能對應的是茂密的綠葉。通過分析歸一化植被指數(shù)（NDVI）,來近似估算楊柳樹分布特征，從而評估區(qū)域楊柳飛絮情況。

本文使用的歸一化植被指數(shù)（NDVI）來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站的公開數(shù)據(jù)，利用arcgis 提取出北京市朝陽區(qū)的數(shù)據(jù)，得出2020 年朝陽區(qū)歸一化植被指數(shù)（圖5a）。易燃易爆場所數(shù)據(jù)來自2020年北京市朝陽區(qū)易燃易爆場所分布臺賬，包括加油站、加氣站、換瓶站、危險化學品生產(chǎn)企業(yè)共148 家，利用arcgis 進行點密度分析得出朝陽區(qū)易燃易爆場所分布情況。使用歸一化方法對密度分析結(jié)果進行歸一化處理，將數(shù)據(jù)處理成無量綱量。綜合考慮孕災環(huán)境敏感性（易燃易爆場所分布）、致災因子危險性（NDVI 分布）的基礎上，利用Arcgis 對朝陽區(qū)歸一化植被指數(shù)分布和易燃易爆場所分布柵格數(shù)據(jù)進行疊加分析，得出朝陽區(qū)飛絮引發(fā)易燃易爆場所火災風險區(qū)劃，風險等級分級標準見表3。

表3 飛絮引發(fā)易燃易爆場所火災風險等級劃分Table 3 Classification of fire risk in explosive places caused by flying catkins

2 結(jié)果與討論

2.1 楊柳飛絮與氣象條件關系

根據(jù)相關研究[6]，當日平均氣溫大于0℃才適宜楊樹生長發(fā)育，累積溫度達到480 ℃，且平均氣溫達到14 ℃時，楊樹的果實開始進入成熟期并具備開裂條件，楊絮開始飄飛。因此確定飛絮始期的條件為滿足：（1）日平均氣溫大于14 ℃；（2）＞0 ℃的積溫達480 ℃。

按照北京市朝陽區(qū)國家氣象觀測站1981—2021 年氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，4 月15 日前后，日平均氣溫穩(wěn)定超過14 ℃；4 月18 日前后，大于0 ℃的積溫達480 ℃，具備楊絮飄飛的氣象條件。若無明顯降水、降溫、大風天氣，兩天后則開始進入第一次飛絮高發(fā)期，持續(xù)約5 天，4 月下旬至5 月上旬進入第二次飛絮高發(fā)期，5 月中旬飛絮期基本結(jié)束[4]。

圖1 為1981 年至2021 年朝陽區(qū)飄絮開始日期及年平均氣溫逐年變化情況。如圖所示，朝陽區(qū)飄絮開始日期受氣溫和積溫影響，波動較大，但總體呈逐年提前的趨勢。平均飄絮開始日期為4 月18日，最早為4 月5 日（2021 年），最晚為4 月30日（1984 年）。此期間，年平均氣溫為15.3 ℃，且平均溫度呈逐年升高的趨勢。其中最高為18.6 ℃（2017 年），最低為11.4 ℃（2010 年）。平均氣溫和飄絮開始時間呈一定負相關關系，主要表現(xiàn)為圖中平均氣溫較低的年份，對應飄絮開始日期較晚，如1984 年、1984 年、2010 年等，均比平均飄絮如期晚6～10 天。相反，平均氣溫較高年則對應較早的飄絮開始期。

圖1 北京朝陽區(qū)飄絮開始日期及年平均氣溫逐年變化Fig.1 The start date and average annual temperature change of Beijing Chaoyang district from year to year

2.2 飛絮氣象指數(shù)預報

根據(jù)上述方法，計算飄絮期飛絮氣象指數(shù)的變化情況。其中氣溫、相對濕度、平均風速使用的是1981—2021 年北京市朝陽區(qū)國家氣象觀測站的日平均值，地面為硬質(zhì)下墊面、時段為10：00—16：00 時，其變化序列如圖2 所示。在無降水情況下，4—5 月飛絮氣象指數(shù)變化呈“雙峰型”趨勢，第一個高峰出現(xiàn)在4 月15 日前后，根據(jù)王建紅等[5-6]的研究，北京飄絮期通常在4 月10 日前后開始，為毛白楊飄絮期。從圖2 中看出，由于4 月上旬積溫及平均氣溫未達到飄絮的氣象條件，因此飛絮指數(shù)為0。4 月10 日前后逐漸上升，4 月15 日前后達到第一個高峰，飄絮氣象指數(shù)為“較高”，隨后下降。4 月底至5 月初迎來第二個飄絮高峰期，此時由于加楊開始飄絮[7]，導致飄絮氣象指數(shù)較高，5 月下旬飄絮指數(shù)逐漸下降。

圖2 飛絮氣象指數(shù)常年平均變化時序Fig.2 Changes in poplar catkin meteorological inde

2.3 楊柳飛絮預報服務

為進行2021 年楊柳飛絮氣象預報服務工作，在北京市朝陽區(qū)將臺站、高碑店站、奶東公園站等5 處地面氣象觀測站周邊搭建楊柳樹實景觀測設備。根據(jù)楊柳絮飄飛氣象預報條件，結(jié)合春季氣候預測及楊柳樹物候期實況觀測結(jié)果，得出的楊柳飛絮始飛期預測結(jié)果，并于3 月22 日形成朝陽區(qū)楊柳飛絮預報防控作業(yè)示意圖，如圖3 所示。由圖可知，朝陽區(qū)2021 年楊柳飛絮日期最早開始于4 月4 日，最晚開始于4 月11 日，跨度有7 天。其中，城區(qū)飄絮始期為4 月4 日至7 日，城郊結(jié)合區(qū)域為4 月9 日至11 日。相比常年平均飄絮期的4 月18 日，2021 年飄絮期偏早14 天。2021 年1—3 月平均氣溫為3.4 ℃，較常年1.0 ℃明顯偏高，降水量為44.7 mm，較常年15.9 mm 也明顯偏多，有利于楊樹生長發(fā)育，導致飄絮期較常年有所提前。

圖3 2021 年北京市朝陽區(qū)楊柳飛絮預報防控作業(yè)示意Fig.3 Flying catkins forecast in Chaoyang district

根據(jù)實景觀測（圖4）對預測結(jié)果進行驗證，其中高碑店出現(xiàn)飄絮的日期為4 月8 日，與預測的結(jié)果一致；位于朝陽區(qū)東部循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園出現(xiàn)飄絮的日期為4 月9 日，比預測日期偏早2天；位于朝陽區(qū)北部的奶東公園出現(xiàn)飄絮的日期為4 月12 日，比預測日期偏晚2 天。

2.4 飛絮引發(fā)易燃易爆場所火災風險區(qū)劃

通過對孕災環(huán)境敏感性、致災因子危險性2個因子進行綜合分析[8-10]，構(gòu)建朝陽區(qū)飛絮引發(fā)易燃易爆場所火災風險評價的指標體系和方法，對風險程度進行評價和等級劃分如圖5 所示。

從朝陽區(qū)飛絮引發(fā)易燃易爆場所火災風險各影響因子均一化分布圖中可看出（圖5），在植被分布影響因子中，朝陽區(qū)植被主要集中在北部和東北部，這里集中分布著奧林匹克森林公園、清河營郊野公園以及溫榆河沿線綠化帶等，下墊面植被較多。西部、西南部城區(qū)等城市化程度高，下墊面多為建筑物和硬化地面，植被指數(shù)較低。朝陽區(qū)易燃易爆場所分布密度較高的區(qū)域為酒仙橋、將臺、望京等中部、北部及朝陽路沿線的東部，每平方公里加油站、加氣站等易燃易爆場所的個數(shù)接近1 個，其次是十八里店等南部區(qū)域。

根據(jù)上述結(jié)果，進行飛絮引發(fā)易燃易爆場所火災風險等級分析結(jié)果如圖6 所示。朝陽區(qū)風險較高的地區(qū)有2 處，一是酒仙橋、四元橋、望京等北部中部地區(qū)一帶，此區(qū)域由于加油站等易燃易爆場所分布較密集，綠化面積較多，導致飛絮期內(nèi)飛絮濃度較高，從而較易引發(fā)易燃易爆場所火災風險。另一處是朝陽路沿線高碑店、管莊等地區(qū)，此處同樣易燃易爆場所較為集中，分布在朝陽路北、路南兩側(cè)，導致風險較高。

圖6 北京市朝陽區(qū)飛絮引發(fā)易燃易爆場所火災風險區(qū)劃示意Fig.6 Catkins cause fire risk zoning in inflammable and explosive places in Chaoyang district

3 結(jié)論

3.1 利用北京市朝陽區(qū)國家氣象觀測站數(shù)據(jù)，分析楊柳飛絮期與氣象要素之間的關系，根據(jù)平均氣溫及積溫，得出北京市朝陽區(qū)平均飄絮開始日期為4 月18 日，最早為4 月5 日（2021 年），最晚為4 月30 日（1984 年），飄絮開始日期與平均氣溫的高低存在著負相關關系。

3.2 利用氣溫、風速、相對濕度、降水、下墊面及時段等因子，設計飄絮氣象指數(shù)，預報2020 年北京市朝陽區(qū)飄絮開始日期，并以實景觀測對預測結(jié)果進行驗證，取得了較好的服務效果。

3.3 根據(jù)區(qū)域災害風險評估理論，利用歸一化植被指數(shù)及易燃易爆場所分布情況，開展飛絮引發(fā)易燃易爆場所火災風險等級分析，劃定風險區(qū)域。朝陽區(qū)風險較高的地區(qū)有2 處，分別為酒仙橋、四元橋區(qū)域及管莊、高碑店區(qū)域。由于植被分布密集，加油站等易燃易爆場所較多，因此飛絮堆積較易引發(fā)引燃易爆場所火災隱患。