基于時間序列遙感數據評估氣候變化對尼泊爾森林火災的影響

(江西理工大學建筑與測繪工程學院 江西 贛州 344100)

引言

隨著遙感技術的發展，林火及氣候的空間監測技術不斷提高，遙感在森林火災監測及氣候變化評估方面的應用越來越廣泛[1-3]。本研究以尼泊爾為例，基于2001-2014年時間序列氣候要素數據集，提取多個與林火相關的氣候參量，計算各氣候參量與林火的空間相關性，以明確影響尼泊爾森林火災的主要氣候要素，為該地區森林火災管理及火災早期預警提供理論基礎及科學依據。

一、研究區與數據

(一)研究區概況

尼泊爾屬于亞熱帶季風性氣候，氣候分布受地形影響變化很大，降雨區域性差異大，年均降水量達1530mm，有著明顯的干濕季，其中每年的春季(3-5月)和冬季(12-2月)為尼泊爾旱季，也是尼泊爾的火災高發季節。

(二)數據獲取與預處理

(1)格網數據

本研究創建了分辨率為0.15°×0.15°的三種格網數據，分別為年際格網、冬季格網、春季格網，以保證研究中所使用數據為一致分辨率。夏季和秋季由于基本沒有火災因此未予考慮。格網數據基于TRMM3B43降水量數據生成，首先用ArcGIS將分辨率為0.25°×0.25°的TRMM3B43降水量數據重采樣至0.15°，然后創建格網，格網數據中網格大小與位置與重采樣后降水量數據像元完全匹配。

(2)遙感數據獲取及預處理

本研究使用的火災數據是2000年12月至2014年11月MCD14ML全球月火點數據集(http://modis-fire.umd.edu/pages/ActiveFire.php?target=GetData)。氣候數據為同期 MOD16A2全球月蒸散發數據集以及TRMM3B43 V007 全球月降水量數據集。其中MOD16A2空間分辨率1公里，包含蒸散發與潛在蒸散發(http://files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD16)。本文利用NASA提供的MODIS重投影工具MRT(MODIS Reprojection Tool)對其進行批量鑲嵌、重采樣、重投影等步驟，并生成GeoTIFF的多時序影像。TRMM3B43 V007空間分辨率為0.25°×0.25°，本文在ArcGIS中將其重采樣至0.15°×0.15°。

土地覆蓋數據為USGS提供的2001年至2014年500米分辨率的MCD12Q1數據(https://lpdaac.usgs.gov)，采用國際地圈生物圈計劃的土地覆蓋分類體系，有17大地類，其中像元值為1-10的地類為非農業植被類，本研究將這些地類設為易于發生火災的森林區域，其他像元值作為非森林區域。DEM數據是從地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)上獲取的分辨率為30米的ASTER GDEM V2數據。

二、研究方法

火點密度數據生成，氣候參量數據處理和生成， 格網數據處理，火災密度與各氣候參量相關分析。

三、結果與分析

(一)2001-2014年林火與氣候參量相關性

逐網格計算2001-2014年期間火點密度與各氣候參量之間的相關系數，據結果顯示：蒸散發、降水量及蒸散發與潛在蒸散發比值與森林火災呈負相關關系，潛在蒸散發與森林火災呈正相關關系。年際各氣候參量與森林火災相關性通過P<0.05檢驗的網格較少，表明年際各氣候參量的變化不是影響年火災總量的主要因素，年際火災活動可能受到除這些氣候因素以外的影響。

春季蒸散發與火點密度呈負相關且通過P<0.05檢驗的網格較多，占整個地區的32.7%，主要分布于尼泊爾丘陵及高山區。降水量則與火點密度相關性不高，通過P<0.05檢驗的網格僅占16.6%，且主要分布于尼泊爾西部平原及丘陵區。蒸散發與潛在蒸散發比值與火點密度相關性最強，通過P<0.05檢驗的網格占34.0%。潛在蒸散發與火點密度呈正相關且通過P<0.05檢驗的網格占整個地區的31.6%，主要分布于尼泊爾西部區域。由此我們可以看出春季火災受蒸散發、潛在蒸散發、蒸散發與潛在蒸散發比值影響較大，而降水量則對火災影響不大。

冬季各氣候參量與火點密度通過P<0.05檢驗的網格普遍較少，且主要分布于高山區。其中降水量占12.1%，蒸散發占14.6%，潛在蒸散發占23.4%，蒸散發與潛在蒸散發比值占16.4%，這種情況是由于冬季火災數量遠低于春季且火災位置主要分布于高山區造成的(本研究火災與氣候參量時空分布狀況均未展示)。與春季相似，冬季火災同樣受蒸散發、潛在蒸散發、蒸散發與潛在蒸散發比值影響較大，而與降水量相關性不大。

(二)尼泊爾年際火災季節變化原因分析

降水是陸地水資源的重要來源，它控制著陸地水資源的分布和數量。而蒸散發是受各種環境因素(風、濕度、溫度)影響并使地表及植物水分返回大氣的結果，潛在蒸散發則是上述環境因素的綜合反映。因此相比于蒸散發，潛在蒸散發反映了大氣對于水的實際需求量，所以蒸散發值通常小于或等于潛在蒸散發值。如果陸地水資源缺乏，那么蒸散發與潛在蒸散發值之間的差異則會增大，這種差異的大小表明了陸地的干旱狀況。降水會增加陸地水資源，但如果潛在蒸散發量大于降水量，造成植被可用水不足，使植被趨于干燥，森林可燃物逐漸增多。

從結果已知影響冬春季火災的主要氣候參量為蒸散發，潛在蒸散發，蒸散發與潛在蒸散發比值，因此本研究進一步統計了尼泊爾地區14年年際、春季、冬季蒸散發與潛在蒸散發比值變化趨勢。如圖1所示，可以看出，春季蒸散發與潛在蒸散發比值最低，冬季次之，年際最高。圖2為尼泊爾14年年際、春季、冬季火點數量變化趨勢，可以看出尼泊爾地區火災呈上升趨勢，春季火災數量遠多于冬季。與圖1對比后發現，火點數量與蒸散發與潛在蒸散發比值聯系密切，林火災害越嚴重的年份該比值越低，2009年火點數最多，同年該值也為最低，冬春季亦如此，表明低蒸散發與潛在蒸散發比值是造成尼泊爾地區易于發生火災的原因。

冬季蒸散發、潛在蒸散發值由于受到各種環境因素的影響，值都比較小，且降水量在有些年份大于蒸散發，而Gao的研究表明干旱狀況下降水可以通過增加植被可用水從而使蒸散發值增大，進而使得冬季蒸散發與潛在蒸散發比值較大，這是冬季火災較少的原因。與年際、春季蒸散發分布情況不同，冬季蒸散發值高山區要低于丘陵及平原區蒸散發值，造成高山區蒸散發與潛在蒸散發比值較小，火災增多。此外由于冬季潛在蒸散發大于降水量，使得該區域往干燥的方向發展，可燃物逐漸積累。

春季降水量相比于冬季雖然有所增加，但蒸散發值變化卻不大，潛在蒸散發值則急劇上升，致使春季期間尼泊爾地區干旱程度加劇，而前期冬季已積累了較多可燃物，春季則達到頂峰。因此一旦出現火源，就會出現較大火災。從春季蒸散發與潛在蒸散發分布來看，尼泊爾地區海拔越低處，蒸散發值越低，潛在蒸散值越高，造成低海拔地區蒸散發與潛在蒸散發比值非常低，而平原區多為尼泊爾農業用地，因此春季火災主要發生于丘陵區。

圖1 年際、季節(春季、冬季)蒸散發與潛在蒸散發比值變化趨勢

圖2 年際、季節(春季、冬季)火點變化趨勢

四、結論

本研究基于時間序列遙感數據，提取了多個與林火相關的氣候參量，計算了年際、春季及冬季火點密度與各氣候參量空間相關性，分析了尼泊爾年際火災季節變化的原因，結果表明：

(1)年際各氣候參量變化不足以解釋尼泊爾地區火災活動，季節火災活動與蒸散發，潛在蒸散發，蒸散發與潛在蒸散發比值變化聯系密切，降水量的變化不是引起該地區火災活動變化的主要因素。

(2)低蒸散發與潛在蒸散發比值是造成尼泊爾地區易于發生火災的原因，蒸散發與潛在蒸散發之間的相對變化是影響尼泊爾地區森林火災季節變化的重要因素。

(3)本研究以尼泊爾為例分析了火災與氣候變化之間的聯系，而全球氣候系統與火災活動之間的聯系需要進一步的研究，本文所用方法可用于評估東南亞區域氣候變化對火災活動的影響。

然而本研究也存在一定的局限性，TRMM降水量數據分辨率較低，數據精度較低，可能與實際降水量值存在一定的誤差，造成降水量與火災相關性大小存在偏差。此外森林火災除了受到各種氣候因素的影響之外，還受到其他人為因素及地形的影響，本文并未將其考慮在內，未來的研究中將對這些因素做進一步的思考。