白山市森林火險(xiǎn)特征及預(yù)報(bào)方法研究

摘要 根據(jù)收集的歷史森林火情數(shù)據(jù)、森林可燃物觀測(cè)數(shù)據(jù)和林木特征數(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)報(bào)員森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，在原有的Nesterov火險(xiǎn)指數(shù)算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)氣象局和國(guó)家林業(yè)局聯(lián)合發(fā)布的修正后的布龍—戴維斯火險(xiǎn)氣象因子及其指數(shù)查對(duì)表（森林火險(xiǎn)查算表），增加風(fēng)速因子，考慮物候和地表影響，建立白山本地的森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)方法。試報(bào)結(jié)果表明，此方法預(yù)報(bào)的森林火險(xiǎn)等級(jí)符合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和森防一線人員的現(xiàn)場(chǎng)判斷，與日常經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)論趨勢(shì)基本吻合，與森林可燃物觀測(cè)結(jié)論對(duì)應(yīng)較好，可以作為實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 火險(xiǎn)指數(shù)；風(fēng)速；全國(guó)森林火險(xiǎn)查算表；森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：S762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）06–0191-03

目前，針對(duì)森林火險(xiǎn)沒(méi)有客觀預(yù)報(bào)方法，基本是采用人工經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)，隨機(jī)性大，無(wú)法保障準(zhǔn)確率，對(duì)森林防火指導(dǎo)針對(duì)性不足。引進(jìn)改進(jìn)的前蘇聯(lián)森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)方法，結(jié)合中國(guó)氣象局和國(guó)家林業(yè)局聯(lián)合發(fā)布的修正后的布龍—戴維斯火險(xiǎn)氣象因子及其指數(shù)查對(duì)表（森林火險(xiǎn)查算表），并考慮白山地表和物候特點(diǎn)，研發(fā)了此預(yù)報(bào)方法。

1 資料來(lái)源

2006年開(kāi)始，吉林省白山市氣象局在白山市和長(zhǎng)白朝鮮族自治縣開(kāi)展森林可燃物觀測(cè)，在防火期（每年3月15—6月15日和9月15—11月15日）每10 d進(jìn)行1次可燃物觀測(cè)，可燃物包括落葉、枯枝、地表低矮植被，特殊情況下進(jìn)行加密觀測(cè)[1]。測(cè)量時(shí)，在樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)選定1 m×1 m的正方形區(qū)域收集全部枯枝落葉與植被的地上部分作為樣品。將樣品攪拌均勻，取部分樣品，稱濕重，然后將樣品烘干，稱干重。森林可燃物含水率計(jì)算公式如下：

森林可燃物含水率（%）=（樣品濕重－樣品干重）/樣品干重×100%（1）

鑒于不同站點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量和數(shù)據(jù)完整性，本研究共收集了來(lái)自白山站和長(zhǎng)白站的森林可燃物樣本數(shù)205個(gè)，其中白山站115個(gè)，長(zhǎng)白站90個(gè)。觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段2006—2014年，期間火災(zāi)有效樣本次數(shù)42。

2 白山森林火險(xiǎn)特征

根據(jù)歷史火情和森林可燃物觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析并總結(jié)了白山森林火險(xiǎn)的時(shí)間和空間特征。

2.1 時(shí)間特征

白山森林火災(zāi)主要發(fā)生在春秋兩季，春季火災(zāi)次數(shù)多于秋季火災(zāi)（表1）。

1989—2011年共發(fā)生66次火災(zāi)，其中春季發(fā)生火災(zāi)52次，占火災(zāi)總數(shù)的79%。

春季火災(zāi)主要發(fā)生在4—5月，尤其是4月下旬到5月上旬為火災(zāi)高發(fā)期，4月19—5月10日共發(fā)生火災(zāi)33次，占春季火災(zāi)總數(shù)的63%。秋季火災(zāi)全部發(fā)生在9月下旬到10月，秋季共發(fā)生火災(zāi)14次。

火災(zāi)出現(xiàn)與季節(jié)、可燃物含水率、干旱程度、氣象條件、人為因素等都有關(guān)聯(lián)。5月1日前后和10月1日前后火災(zāi)多發(fā)，既有本身處于高火險(xiǎn)期的原因，又有山上活動(dòng)人員多、農(nóng)民燒荒多等人為原因[2]。

2.2 地域特征

根據(jù)火災(zāi)發(fā)生規(guī)律，可將白山市劃分為西部和東部2個(gè)區(qū)域，西部包括渾江、江源、靖宇、臨江，該區(qū)域春季出現(xiàn)火災(zāi)次數(shù)明顯多于秋季；東部包括撫松、長(zhǎng)白，秋季出現(xiàn)火災(zāi)次數(shù)明顯多于春季。

白山火災(zāi)主要出現(xiàn)在山腳或山腰，與農(nóng)田或道路相連處。一般以荒草、枯枝或灌木為初始燃燒物，火情嚴(yán)重時(shí)會(huì)向山頂林區(qū)蔓延，引燃林下灌木和落葉等可燃物，形成地表火。

2.3 林區(qū)積雪的季節(jié)特征

春季，林區(qū)積雪與可燃物含水率和火險(xiǎn)等級(jí)密切相關(guān)，陽(yáng)坡和陰坡的積雪融化程度在春季差異巨大，春季陽(yáng)坡積雪在3月初開(kāi)始融化，到3月中旬陽(yáng)坡一般已經(jīng)沒(méi)有冬季積雪。陰坡積雪一般從3月下旬開(kāi)始融化，到4月中旬仍有積雪。在積雪期，林區(qū)陰坡火險(xiǎn)等級(jí)小于3級(jí)，不會(huì)出現(xiàn)高火險(xiǎn)。陽(yáng)坡則相對(duì)復(fù)雜。

白山市防火期從3月15日開(kāi)始，考慮到山區(qū)積雪明顯，3月重點(diǎn)防火區(qū)域?yàn)榘咨轿鞑苛謪^(qū)陽(yáng)坡區(qū)。4月伴隨氣溫回升，積雪區(qū)明顯變小，防火區(qū)逐漸擴(kuò)大至全區(qū)，到4月下旬火險(xiǎn)等級(jí)明顯升高。

2.4 可燃物觀測(cè)數(shù)據(jù)與森林火險(xiǎn)之間的關(guān)系

2.4.1 森林可燃物含水率與森林火險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)相關(guān)性分析 通過(guò)分析森林可燃物含水率與火災(zāi)發(fā)生頻次相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)發(fā)生火災(zāi)的含水率為8%～54%，其中含水率在24%～52%時(shí)發(fā)生火災(zāi)頻率較高。含水率在27%左右時(shí)，發(fā)生火災(zāi)8次。

2.4.2 枯枝落葉層厚度與森林火險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)相關(guān)性分析 觀測(cè)所得枯枝落葉厚度的最小值為0.9 cm，最大值為11 cm（圖1）。通過(guò)分析枯枝落葉層厚度與火災(zāi)發(fā)生頻次的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)枯枝落葉厚度在1.0～4.4 cm之間有火災(zāi)發(fā)生，其中95.1%的火災(zāi)發(fā)生在枯枝落葉厚度層達(dá)到1.8 cm以上。值得關(guān)注的是，3 cm的枯枝落葉厚度是發(fā)生火災(zāi)的峰值區(qū)，歷史上在這一厚度層發(fā)生了25次火災(zāi)，占總火災(zāi)次數(shù)的60.9%。因此，枯枝落葉厚度可以作為森林火險(xiǎn)等級(jí)判定的一個(gè)要素。尤其當(dāng)厚度達(dá)到1.8 cm以上時(shí)，需要精確分析觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的森林火險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)。

3 白山森林火險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算方法

3.1 白山本地化森林火險(xiǎn)指數(shù)構(gòu)建

采用改進(jìn)的Nesterov火險(xiǎn)指數(shù)（IMN指數(shù)），利用實(shí)況觀測(cè)資料進(jìn)行迭代運(yùn)算，迭代結(jié)果加入預(yù)報(bào)的風(fēng)速因子，最后綜合考慮物候系數(shù)和地表系數(shù)，形成白山本地化的森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)方程[1-2]。

具體公式如下：

IMN（n）=IMN（n－1）+T×（T－d）×Kn（1）

Hn=0.71×（IMN（n）+100v×Kn）×c1×c2（2）

式（1）、（2）中，IMN（n）為第n日的IMN指數(shù)，IMN（n-1）為第n-1日的IMN指數(shù)，

T為當(dāng)日14：00氣溫（代表當(dāng)日最高氣溫），d為當(dāng)日14：00露點(diǎn)氣溫，Kn為降水系數(shù)。Hn為白山本地化的森林火險(xiǎn)指數(shù)，v為風(fēng)速因子，c1為物候訂正系數(shù)（即季節(jié)訂正系數(shù)），c2為地表訂正系數(shù)（即可燃物情況訂正系數(shù)）。

式（2）的物理含義如下：綜合考慮了每日氣溫、相對(duì)濕度、無(wú)降水日數(shù)的逐日迭代值，可反映可燃物的干旱條件，即燃燒可能性。v參考了中國(guó)氣象局和國(guó)家林業(yè)局聯(lián)合發(fā)布的修正后的布龍—戴維斯火險(xiǎn)氣象因子及其指數(shù)查對(duì)表（全國(guó)森林火險(xiǎn)查算表）中的風(fēng)速因子，采用簡(jiǎn)單的加權(quán)平均算法。權(quán)重系數(shù)綜合考慮修正后的布龍—戴維斯火險(xiǎn)氣象因子的算法和IMN指數(shù)算法的最大值，并結(jié)合白山本地的森林可燃物含水率等數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)整后得出。

3.2 白山本地化森林火險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算與各因子賦值方法

3.2.1 火險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算與分級(jí) Hn從3月15日開(kāi)始計(jì)算，初值為0。Hn計(jì)算公式如式（2）所示，每日更新計(jì)算1次，計(jì)算時(shí)間在當(dāng)日夜間，每次計(jì)算2個(gè)值（Hn、Hn+1），采取迭代方法計(jì)算當(dāng)日火險(xiǎn)等級(jí)（Hn），再利用當(dāng)日火險(xiǎn)等級(jí)和未來(lái)24 h預(yù)報(bào)天氣要素（預(yù)報(bào)最高氣溫、預(yù)報(bào)最大風(fēng)速、預(yù)報(bào)最大降雨量級(jí)、預(yù)報(bào)最小相對(duì)濕度）計(jì)算未來(lái)24 h火險(xiǎn)等級(jí)（Hn+1）。

具體數(shù)值對(duì)應(yīng)火險(xiǎn)等級(jí)見(jiàn)表2。當(dāng)氣溫T<0 ℃時(shí)，不再具體計(jì)算火險(xiǎn)等級(jí)，直接使Hn=1。當(dāng)T<5 ℃時(shí)，Hn=Hn－1。

3.2.2 天氣因子 風(fēng)速因子（v）和降水系數(shù)（Kn）分別按表3和表4中的對(duì)應(yīng)值進(jìn)行賦值計(jì)算。計(jì)算降水系數(shù)時(shí)，同時(shí)根據(jù)IMN指數(shù)計(jì)算方法加入降雪情況修訂。即當(dāng)預(yù)報(bào)雨夾雪（日常天氣預(yù)報(bào)編碼為06）或陣雪（日常天氣預(yù)報(bào)編碼為03）時(shí)，火險(xiǎn)等級(jí)不超過(guò)2級(jí)。當(dāng)預(yù)報(bào)降雪時(shí)（日常天氣預(yù)報(bào)編碼為14、15、16、16、27、28），火險(xiǎn)等級(jí)為1級(jí)。

計(jì)算溫度露點(diǎn)差（T-d）時(shí)，通過(guò)讀取當(dāng)日最小相對(duì)濕度（rh0），并結(jié)合當(dāng)日降雨量（R0）和未來(lái)24 h降雨預(yù)報(bào)，估算未來(lái)最小相對(duì)濕度值（rh1），再轉(zhuǎn)換成溫度露點(diǎn)差的方法進(jìn)行計(jì)算。具體如下：

（1）當(dāng)日無(wú)降雨（R0=0）、未來(lái)預(yù)報(bào)無(wú)降雨，rh1=rh0；

（2）當(dāng)日有小雨（0< R0<5 mm）、未來(lái)預(yù)報(bào)有小雨，rh1=rh0；

（3）當(dāng)日有中雨以上降雨（R0>5 mm）、未來(lái)預(yù)報(bào)有小到中雨以上降雨（中雨、中到大雨、大雨等），rh1=rh0；

（4）當(dāng)日無(wú)降雨（R0=0）、未來(lái)預(yù)報(bào)有小雨，rh1=rh0+15%；

（5）當(dāng)日無(wú)降雨（R0=0）、未來(lái)預(yù)報(bào)有小到中雨以上降雨，rh1=rh0+30%；

（6）當(dāng)日有小雨（0< R0<5）、未來(lái)預(yù)報(bào)無(wú)降雨，rh1=rh0－10%；

（7）當(dāng)日有中雨以上降雨（R0 >5 mm），未來(lái)預(yù)報(bào)有小雨或無(wú)雨，rh1=rh0－20%。

露點(diǎn)溫度計(jì)算方法如下：

d=（T－ＲＨ）/5（3）

式中，d為露點(diǎn)溫度，RH為相對(duì)溫度（單位：%），T為氣溫。

3.2.3 訂正系數(shù)

物候訂正系數(shù)（c1）根據(jù)白山本地天氣氣候變化，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)人為確定（表5）。地表訂正系數(shù)（c2）取2個(gè)值，分別為1.0和1.2，默認(rèn)值為1，可手動(dòng)選擇，一旦選定則始終不變直到下次修改。

4 試用情況

利用白山本地化的森林火險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算2014年秋季和2015年春季的火險(xiǎn)等級(jí)，包括當(dāng)日和預(yù)報(bào)火險(xiǎn)等級(jí)，計(jì)算時(shí)段分為3月15—6月15日、9月15—11月15日。

試用結(jié)果表明，此方法預(yù)報(bào)的森林火險(xiǎn)等級(jí)符合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和森防一線人員的現(xiàn)場(chǎng)判斷。自動(dòng)運(yùn)算結(jié)果與日常經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)論趨勢(shì)基本吻合，與森林可燃物觀測(cè)結(jié)論對(duì)應(yīng)較好，可以作為業(yè)務(wù)應(yīng)用（圖2）。

5 結(jié)論

（1）白山森林火災(zāi)多為地表火，具有明顯的時(shí)間和空間特征。

（2）森林可燃物觀測(cè)數(shù)據(jù)可在一定程度上反映森林火險(xiǎn)等級(jí)，而白山森林火險(xiǎn)等級(jí)與氣象要素關(guān)系密切。

（3）采用MNI森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)方法可以反映森林火險(xiǎn)等級(jí)變化趨勢(shì)，但缺少風(fēng)速因子和季節(jié)因子。

（4）參考修正后的布龍—戴維斯火險(xiǎn)氣象因子指數(shù)查對(duì)表，增加風(fēng)速、物候及地表因子后，火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)方法符合白山實(shí)際，變化趨勢(shì)符合實(shí)際火險(xiǎn)變化趨勢(shì)。

（5）本研究的預(yù)報(bào)方法可以實(shí)現(xiàn)客觀量化預(yù)報(bào)火險(xiǎn)，具備實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[2] 牛若蕓，翟盤茂，佘萬(wàn)明.森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)的應(yīng)用研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)， 2007（4）：479-489.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Study on the Characteristics and Forecasting Methods of Forest Fire Risk in Baishan City

Guan Zhi-yu （Baishan Meteorological Bureau， Jilin Province， Baishan， Jilin 134300）

Abstract According to the collected historical forest fire data， forest fuel observation data and forest feature data， combined with the forecasters experience in forest fire risk grade prediction， on the basis of the original Nesterov fire risk index algorithm， combined with the revised Bulong-Davis fire risk meteorological factor and its index check table （forest fire risk check table） jointly issued by the China Meteorological Administration and the State Forestry Administration， the wind speed factor was added， and the phenology and surface effects were finally considered， Establish the local forest fire risk grade prediction method in Baishan. The results of the trial report showed that the forest fire risk level predicted by this method was consistent with the actual experience and the on-site judgment of the front-line personnel of forest defense， basically consistent with the trend of the daily experience forecast conclusion， and corresponded well with the observation conclusion of forest fuel， which can be used as a practical business application.

Key word Fire risk index; Wind speed; National forest fire risk checklist; Forest fire risk rating forecast

作者簡(jiǎn)介 關(guān)志宇（1972—），男，吉林白山人，副高級(jí)工程師，主要從事氣象預(yù)報(bào)與服務(wù)方向研究。

收稿日期 2023-02-10