我國(guó)森林死可燃物含水率與氣象和土壤因子關(guān)系模型研究

李海洋，胡海清，孫　龍

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

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我國(guó)森林死可燃物含水率與氣象和土壤因子關(guān)系模型研究

李海洋，胡海清，孫龍*

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

摘要：死可燃物含水率是森林火災(zāi)發(fā)生及蔓延的主要影響因子，也是林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵參數(shù)之一。死可燃物含水率預(yù)測(cè)方法中氣象要素回歸法相對(duì)簡(jiǎn)單，預(yù)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確且適用性強(qiáng)。本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)近年來(lái)死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型，對(duì)各種氣象因子對(duì)可燃物含水率的影響及其響應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)述。結(jié)果表明：①氣象要素回歸法在國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，但研究比較分散，主要集中在黑龍江省和云南省；②針對(duì)研究區(qū)域可燃物含水率預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確，但受制于地形和林型條件難以在尺度上進(jìn)行更大范圍的應(yīng)用和推廣；③前期氣象因子和土壤因子是影響可燃物含水率變化的重要因素，結(jié)合前期氣象因子和土壤因子模型預(yù)測(cè)效果較好。

關(guān)鍵詞：死可燃物含水率；氣象因子；土壤因子；預(yù)測(cè)模型；森林火災(zāi)

0引言

森林可燃物作為森林燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)是影響林火發(fā)生發(fā)展自然因素中人類(lèi)能控制的因子之一[1]。可燃物含水率影響著可燃物達(dá)到燃點(diǎn)的速度和可燃物釋放熱量的多少[2]，決定著森林火災(zāi)的發(fā)生和蔓延。因此可燃物含水率一直是林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要因子之一。當(dāng)前，可燃物含水率主要有4種預(yù)測(cè)方法：氣象要素回歸法、平衡含水率法、遙感估測(cè)法和過(guò)程模型法。這4種方法中平衡含水率法主要應(yīng)用于美國(guó)、加拿大等國(guó)家的森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)[3-4]；過(guò)程模型法完全基于物理描述，過(guò)程比較復(fù)雜，沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用；遙感估測(cè)法起步較晚，隨著遙感技術(shù)出現(xiàn)，適用于大尺度上的可燃物含水率的預(yù)測(cè)，但精度低于其他方法。氣象要素回歸法研究最早，采用統(tǒng)計(jì)方法，精度較高，但受制于研究區(qū)域的林型和地形，若想廣泛應(yīng)用需進(jìn)行大量實(shí)際監(jiān)測(cè)工作。

以上4種方法中，氣象要素回歸法最為簡(jiǎn)單，只需采用統(tǒng)計(jì)方法將氣象數(shù)據(jù)與可燃物含水率數(shù)據(jù)建立關(guān)系。目前野外氣象站布設(shè)愈發(fā)健全，氣象數(shù)據(jù)精度也在逐漸提高，其適用性廣的優(yōu)勢(shì)日益凸顯，是我國(guó)主要預(yù)測(cè)死可燃物含水率的方法。

1相關(guān)原理介紹

1.1基本方法介紹

氣象要素回歸法主要用來(lái)預(yù)測(cè)死可燃物的含水率。氣象要素回歸法相對(duì)簡(jiǎn)單，將可燃物含水率數(shù)據(jù)與相對(duì)應(yīng)的氣象因子(氣象站數(shù)據(jù)、野外實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù))，通過(guò)逐步回歸，建立可燃物含水率與氣象因子關(guān)系模型，達(dá)到預(yù)測(cè)可燃物含水率的目的。

1.2氣象因子對(duì)可燃物含水率的影響機(jī)理

氣象因子對(duì)可燃物含水率的影響主要包括以下幾個(gè)方面。①氣溫：氣溫影響可燃物自身的水分蒸發(fā)和擴(kuò)散，氣溫越高，水分的蒸發(fā)和擴(kuò)散越快，可燃物含水率降低。②地表溫度(土壤溫度)：地表溫度越高，土壤水分蒸發(fā)越快，可燃物含水率越低。③空氣相對(duì)濕度：空氣中水分直接與可燃物水分進(jìn)行交換，直接影響可燃物內(nèi)部水分的蒸發(fā)和擴(kuò)散。空氣相對(duì)濕度越大，可燃物含水率越高。④太陽(yáng)輻射：太陽(yáng)輻射直接影響了可燃物的水分蒸發(fā)和擴(kuò)散，間接影響了可燃物周?chē)h(huán)境的氣溫和相對(duì)濕度，太陽(yáng)輻射量越大，可燃物含水率越低[5]。⑤連旱天數(shù)：長(zhǎng)期干旱天氣使相對(duì)濕度降低，從而降低可燃物含水率。⑥土壤含水率：土壤直接與可燃物下層進(jìn)行水分交換，土壤含水率越高，可燃物含水率越大。⑦降水：降水能降低氣溫，增加林分內(nèi)的空氣濕度，同時(shí)增加可燃物表面的水分。降水量越大，可燃物含水率越高。⑧風(fēng)速：風(fēng)可以加速可燃物表面水分蒸發(fā)，風(fēng)速越大，可燃物含水率越低。

可燃物含水率的變化受多種氣象因子影響，但不同氣象因子對(duì)可燃物含水率變化的影響程度是不同的，相同氣象因子對(duì)不同區(qū)域、不同林型可燃物含水率變化的影響程度也是不同的。

2國(guó)內(nèi)現(xiàn)有可燃物含水率與氣象因子關(guān)系模型

國(guó)內(nèi)對(duì)于森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)的研究工作起步比較晚，主要是在國(guó)外林火預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)森林情況進(jìn)行研究的。很多研究集中于氣象要素和可燃物情況相結(jié)合的林火發(fā)生預(yù)報(bào)。通過(guò)預(yù)測(cè)可燃物含水率來(lái)進(jìn)行森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)。國(guó)內(nèi)具有開(kāi)創(chuàng)性的研究始于王正非修正的雙指標(biāo)法[6]，該方法結(jié)合日本城市防火預(yù)測(cè)方法，根據(jù)中國(guó)林區(qū)的實(shí)際情況，采用每日最小相對(duì)濕度和最高溫度確定著火指標(biāo)，采用最大風(fēng)速和實(shí)效濕度確定林火蔓延指標(biāo)，然后根據(jù)兩個(gè)指標(biāo)的綜合來(lái)確定火險(xiǎn)等級(jí)。國(guó)內(nèi)大量關(guān)于可燃物含水率的研究始于20世紀(jì)80年代中期，很多學(xué)者將氣象因子與可燃物含水率建立聯(lián)系，探尋了不同因子對(duì)可燃物含水率的影響。

2.1東北地區(qū)現(xiàn)有可燃物含水率預(yù)測(cè)模型

杜秀文[7]等利用黑龍江省帽兒山林場(chǎng)老山人工林3種林型的可燃物含水率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了3種林型春秋兩季可燃物含水率與溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)量和降雨量的多元回歸模型。王棟[8]在黑龍江省老爺嶺5種可燃物類(lèi)型含水率的預(yù)測(cè)研究將連旱天數(shù)加入到預(yù)測(cè)模型中，同時(shí)以最小相對(duì)濕度和最高溫度作為溫濕度指標(biāo)，結(jié)合風(fēng)速、降雨量構(gòu)建的柞木林回歸模型精度達(dá)到95%。居恩德等人[9]將可燃物表面溫度作為自變量加入到可燃物含水率預(yù)測(cè)模型中，與大興安嶺韓家園子林區(qū)7種林型可燃物含水率進(jìn)行多元分析后構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，經(jīng)檢驗(yàn)后呈顯著相關(guān)性。何忠秋[10]等人根據(jù)平衡含水率理論將大興安嶺死可燃物劃分為1、10、100、1 000時(shí)滯4種類(lèi)型，結(jié)合溫度、相對(duì)濕度和降水量構(gòu)建了2種林型的可燃物含水率預(yù)測(cè)模型，取得較好的預(yù)測(cè)效果。覃先林[11]考慮相對(duì)濕度與降水量顯著相關(guān)，分析降水與相對(duì)濕度關(guān)系后，將降水量與相對(duì)濕度合并成一個(gè)因子。且該研究認(rèn)為當(dāng)前時(shí)刻可燃物含水率與前一時(shí)刻可燃物含水率顯著相關(guān)。單延龍等人[12]分別使用昨日氣象因子與當(dāng)日氣象因子與可燃物含水率構(gòu)建回歸模型，研究結(jié)果表明當(dāng)日氣象因子更適合用來(lái)預(yù)測(cè)可燃物含水率。張廣英等[13]分別比較了當(dāng)日氣象因子和前5 d氣象因子與可燃物含水率的相關(guān)性。結(jié)果表明，前5 d的氣象因子相關(guān)性普遍優(yōu)于當(dāng)日氣象因子。這與單延龍等人的結(jié)論不同，導(dǎo)致這個(gè)結(jié)果的原因可能是研究地區(qū)的不同，氣象因子對(duì)可燃物含水率的影響程度不同。張大明等人[14]建立了吉林省長(zhǎng)白山紅松闊葉林不同月份可燃物含水率預(yù)測(cè)模型，研究表明不同月份氣象因子對(duì)可燃物含水率的影響程度是不同的，模型的預(yù)測(cè)效果較好。齊永峰等人[15]將凋落物表面溫度，腐殖質(zhì)表面溫度作為自變量預(yù)測(cè)大興安嶺地區(qū)興安落葉松人工林細(xì)小可燃物含水率，經(jīng)檢驗(yàn)可燃物含水率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的平均誤差為4.58%。金森[16]為探究加拿大森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)能否在我國(guó)森林中應(yīng)用，將加拿大火險(xiǎn)天氣指標(biāo)系統(tǒng)(FWI)結(jié)合氣象要素回歸法預(yù)測(cè)黑龍江省慶安縣曙光林場(chǎng)地表死可燃物含水率，研究表明以相對(duì)濕度、降雨量為自變量的氣象要素回歸模型更適合用來(lái)預(yù)測(cè)該地區(qū)的可燃物含水率。見(jiàn)表1。

2.2西南地區(qū)現(xiàn)有可燃物含水率預(yù)測(cè)模型

傅美芬[17]將日平均氣溫和日均相對(duì)濕度與云南松地被可燃物含水率進(jìn)行回歸分析后構(gòu)建了二元回歸模型。李世友[18-19]建立的云南松林和華山松林凋落物表面細(xì)小可燃物含水率的預(yù)測(cè)模型采用氣溫，相對(duì)濕度，凋落物表面溫度和腐殖質(zhì)表面溫度為自變量，經(jīng)檢驗(yàn)呈顯著相關(guān)性，且研究認(rèn)為樹(shù)木持續(xù)落葉也會(huì)影響預(yù)測(cè)模型的精度。金森等[20]在云南省昆明市結(jié)合FWI方法和氣象要素回歸方法對(duì)6種林型的細(xì)小可燃物含水率進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，結(jié)果表明，一些加入FWI指標(biāo)的氣象要素回歸模型預(yù)測(cè)效果較好。見(jiàn)表2。

表2　西南地區(qū)現(xiàn)有的可燃物含水率預(yù)測(cè)模型

2.3西北地區(qū)現(xiàn)有可燃物含水率預(yù)測(cè)模型

王得祥等人[21]將前3 d氣溫均值、蒸發(fā)量均值、降水量均值和相對(duì)濕度均值加入到可燃物含水率預(yù)測(cè)模型中，分析當(dāng)日14時(shí)的氣象因子以及前3 d氣象因子對(duì)可燃物含水率變化的綜合影響。建立的預(yù)測(cè)模型回歸效果十分顯著。王金葉等人[22]選取溫度、相對(duì)濕度、降雨量、連旱天數(shù)和風(fēng)速作為可燃物含水率預(yù)測(cè)的自變量，構(gòu)建祁連山地區(qū)青海云杉枯落物的含水率預(yù)測(cè)模型。羅永忠等人[23]在王金葉等人的研究基礎(chǔ)上，分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)對(duì)可燃物含水率的影響不明顯，故剔除風(fēng)速自變量，建立了祁連山地區(qū)4種可燃物類(lèi)型的含水率預(yù)測(cè)模型。經(jīng)檢驗(yàn)呈顯著相關(guān)性。

表3　西南地區(qū)現(xiàn)有的可燃物含水率預(yù)測(cè)模型

2.4其他地區(qū)現(xiàn)有可燃物含水率預(yù)測(cè)模型

張思玉[24]以地表溫度、氣溫和相對(duì)濕度為自變量構(gòu)建了福建省南平市杉木幼林地表可燃物含水率預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)效果較好。薛家翠等人[25]以晴雨、日照時(shí)數(shù)、日平均相對(duì)濕度和日最高氣溫為自變量，建立了湖北省恩施市兩個(gè)林區(qū)11月～4月的可燃物含水率預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值非常接近。王超等[26]建立了河北省塞罕壩林區(qū)3種死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型并分別分析了當(dāng)日氣象因子，前一日氣象因子和3 d累積氣象因子與可燃物含水率的相關(guān)性。結(jié)果表明當(dāng)日氣象因子與可燃物含水率相關(guān)關(guān)系最顯著。楊國(guó)福等[27]將平均土壤含水率與空氣濕度、風(fēng)速、溫度共同構(gòu)建了浙江省千島湖姥山島4種林型可燃物含水率的預(yù)測(cè)模型，模型的精度在76%以上。盧欣艷等人[28]采用以上5種氣象因子建立4種林型可燃物含水率的預(yù)測(cè)模型，分析北京西林林場(chǎng)不同可燃物含水率的季節(jié)變化。馬麗芳等人[29]將土壤含水率和不同高度的氣溫和空氣相對(duì)濕度加入到含水率預(yù)測(cè)模型當(dāng)中，經(jīng)分析后確定了北京市郊林場(chǎng)4種可燃物含水率的預(yù)測(cè)模型，經(jīng)檢驗(yàn)呈顯著相關(guān)。金森等[30]分析了江西省南昌市茶園山林場(chǎng)5種林型死可燃物與氣象要素的關(guān)系，并結(jié)合氣象要素回歸法和FWI方法對(duì)該地區(qū)可燃物含水率進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，研究結(jié)果表明，對(duì)于該地區(qū)，F(xiàn)WI系統(tǒng)是適用的，但考慮到簡(jiǎn)單方便，可采用氣象要素回歸法對(duì)該地區(qū)可燃物含水率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表4　其他地區(qū)現(xiàn)有的可燃物含水率預(yù)測(cè)模型

3研究展望

對(duì)于氣象要素回歸模型，氣象因子的獲取是影響模型精度的關(guān)鍵因素，選取氣象因子應(yīng)充分考慮本身的物理意義和相關(guān)性。羅永忠、張大明和張思玉等人的研究結(jié)果表明風(fēng)速對(duì)可燃物含水率的影響不明顯，主要原因是由于林分的阻擋以及野外觀測(cè)的風(fēng)速是瞬時(shí)風(fēng)速，導(dǎo)致可燃物含水率難以作出實(shí)時(shí)響應(yīng)。但以往的研究[7]表明風(fēng)速與可燃物含水率呈負(fù)相關(guān)且風(fēng)是影響火行為的重要因子。所以，如何準(zhǔn)確的將風(fēng)速應(yīng)用到死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型中應(yīng)進(jìn)行更深入的研究。同時(shí)，未來(lái)研究應(yīng)考慮更系統(tǒng)、更全面的氣象因子。如Wotton[31]考慮了太陽(yáng)輻射對(duì)可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化影響。

以往很多研究采用的氣象因子數(shù)據(jù)取自氣象站，有些預(yù)測(cè)模型精度不高[32]，實(shí)際上林下氣象數(shù)據(jù)與氣象站數(shù)據(jù)存在差異，如何將可以簡(jiǎn)單獲得的氣象站數(shù)據(jù)與林下實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)建立聯(lián)系從而應(yīng)用到預(yù)測(cè)模型是未來(lái)研究工作的重點(diǎn)。另外，國(guó)內(nèi)很多研究[12-22]所使用的氣象數(shù)據(jù)多采用日平均氣象數(shù)據(jù)或當(dāng)日某一時(shí)刻氣象數(shù)據(jù)，缺乏當(dāng)日連續(xù)的氣象數(shù)據(jù)。根據(jù)可燃物含水率的日變化規(guī)律，夜間可燃物含水率高于白天，發(fā)生火災(zāi)的概率較低。但夜間發(fā)生火災(zāi)很難撲救，更易造成巨大的固有性系統(tǒng)損失[33]。因此，有必要獲取24h連續(xù)的氣象數(shù)據(jù)建立全天模型對(duì)可燃物含水率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

地形因素影響可燃物含水率的動(dòng)態(tài)變化，我國(guó)現(xiàn)有的可燃物含水率預(yù)測(cè)模型很少考慮地形要素。而實(shí)際上，坡度、坡向和坡位以及海拔等地形因素，也會(huì)導(dǎo)致局地氣象要素的變化，直接或間接地影響可燃物含水率的變化[5]。因此在未來(lái)的可燃物含水率預(yù)測(cè)研究中應(yīng)充分的考慮地形因素的影響。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，很多學(xué)者進(jìn)行了一些降雨量和土壤屬性以及森林健康度的模擬研究[34-38]，而地理信息系統(tǒng)技術(shù)能否應(yīng)用在可燃物含水率的空間模擬中有待探究。

我國(guó)地域遼闊，可燃物類(lèi)型復(fù)雜，當(dāng)前的研究?jī)H僅是針對(duì)每個(gè)地區(qū)的不同森林類(lèi)型建立的預(yù)測(cè)模型，研究比較分散，所建立的可燃物含水率預(yù)測(cè)模型精度也各不相同。有的研究[9]通過(guò)點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)，將可燃物含水率預(yù)測(cè)模型與初始引燃含水率或熄滅含水率相結(jié)合，從而建立森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)。可燃物含水率的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的誤差會(huì)降低火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。如果預(yù)測(cè)誤差過(guò)大，就會(huì)造成火險(xiǎn)預(yù)報(bào)的錯(cuò)誤。因此，未來(lái)的研究需全國(guó)范圍內(nèi)統(tǒng)一布設(shè)氣象站點(diǎn)和可燃物含水率連續(xù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，并需要統(tǒng)一可燃物模型構(gòu)建參數(shù)與方法，為未來(lái)構(gòu)建國(guó)家級(jí)火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供更為可靠的模型與參數(shù)。

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Research on Relational Models of Moisture Content of Dead ForestFuel with Meteorological Factors and Soil Factors in China

Li Haiyang，Hu Haiqing，Sun Long*

(School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：The moisture content of dead fuel is the main influence factor of forest fire occurrence and spread，and the key parameter of forest fire prognosis and prediction.The method of meteorological element regression is relatively simple，and the predict result is very accurate and applicable.The effects of a variety of meteorological factors on dead fuel moisture content and the responses were comprehensively reviewed by analyzing the prediction models in recent years in this paper.The results showed that：① the method of meteorological element regression was widely applied in China，but the research regions were decentralized，mainly in Heilongjiang and Yunnan province.② The prediction of fuel moisture was relatively accurate in the research area，but can’t be applied and promoted in wider scale due to the restriction of complex topographies and different forest types.③ Early meteorological factors and soil were the important factors for the varieties of dead fuel moisture.The prediction models with these factors had better prediction results.

Keywords：moisture content of dead fuel；meteorological factors；soil factors；prediction model；forest fire

中圖分類(lèi)號(hào)：S 762.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2016)03-0001-06

作者簡(jiǎn)介：第一李海洋，碩士研究生。研究方向：可燃物含水率模型。*通信作者：孫龍，教授，博士。研究方向：林火生態(tài)與管理。E-mail：381362219@qq.com

基金項(xiàng)目：林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201404402)

收稿日期：2015-11-12

引文格式：李海洋，胡海清，孫龍.我國(guó)森林死可燃物含水率與氣象和土壤因子關(guān)系模型研究[J].森林工程，2016，32(3)：1-6.