東北地區火季節嚴重程度對野火發生的影響

李曉梅

摘 要：氣候和可燃物是野火事件發生最為重要的影響因素。該文基于中國東北地區2001—2017年17年的MODIS火產品數據以及火季節嚴重程度數據，通過ArcGIS的核心密度估計函數對東北地區野火火點進行空間分析以及R語言進行其與火季節嚴重程度的相關分析，對研究區內野火火點密度與野火季節嚴重程度進行了相關研究。結果表明，野火密度最高的區域位于根河市中部、呼瑪縣、鄂倫春自治旗、阿榮旗、牙克石市、阿榮旗等區域，且最高密度達到3.94次/km2;野火火點密度高的區域，其野火季節嚴重程度也較高，相關系數最高達0.82。

關鍵詞：野火;火季節嚴重程度;東北地區

中圖分類號 S435.72文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）13-0060-04

Abstract：Climate and combustibles are the most important factors which influence wildfire events. Based on the MODIS fire product data and fire seasonal severity rating data from 2001 to 2017 in Northeast China， this paper conducted a related study on the wildfire point density and wildfire seasonal severity rating in the study area. The spatial analysis of wildfire points in Northeast China by the core density estimation function of ArcGIS and the correlation analysis with the fire seasonal severity rating by R are performed. The study found that the areas with the highest wildfire density are located in the central part of Genhe City， Huma County， Elunchun Autonomous Banner， Arong Banner， Yakeshi City， Arong Banner， etc.， and the highest density reaches 3.94 times/km2. The severity of wildfire seasons in areas with high wildfire firepoint density is also higher， with a correlation coefficient of up to 0.82.

Key words：Wildfire; Fire seasonal severity rating; Northeast China

野火泛指發生在野外植被中的火[1-2]，包括林火、灌叢火以及草原火。野火的發生不僅是自然生態系統中重要的干擾因素[3]，也是自然生態系統重要的驅動過程。野火的發生不僅會給當地的生態系統造成破壞，而且對人民的生命構成威脅，造成巨大的經濟損失[4]。因此，當前對于野火的時空分布格局以及影響其發生的自然因素和人為因素的研究越來越多，這些研究為野火災害管理提供了預報以及技術支持。

野火可分為由于閃電雷擊、火山爆發、滾石火星、摩擦及自燃等引起的自然火和某些人為原因造成的人為火（包括計劃火燒）[5]，其中閃電是自然火發生的最主要原因[7，6]。引起野火發生的因素是多方面的，國內外學者已開展了大量的研究，得出影響野火的主要因素有植被類型、植被覆蓋度、降水的季節以及年變化、人類活動和地形等[8]。其中，氣候因素是決定野火事件最為重要的因素之一。近幾十年來，世界各地的野火規模和嚴重程度都在增加，并且都集中在氣溫升高、春季積雪融化時期，以及較長時間的火季節[9-11]。因此，氣候對野火的影響研究十分重要。氣候對野火的影響主要是把各種氣候模型與火險預報模型耦合，預測未來不同氣候情景下的火險和火行為的變化。例如，加拿大火氣象指數（FWI，Canadian Fire Behaviour Prediction）系統[12]是表示森林火險的一個優秀的指標，也是當前應用最廣泛的系統。FWI將氣象數據、可燃物以及火險結合到一起。但是目前很少有研究使用衛星數據產品來表征FWI，以及是否適用于中國。

東北地區有著全國最豐富的森林資源，總量約占全國的1/3，草原資源也十分豐富，是全國重要的自然生態系統。東北地區野火的發生較為嚴重，尤其是在長期氣候變化的趨勢下，野火的發生更加頻繁。為此，本研究基于火災季節性嚴重程度數據以及MODIS火燒產品數據，分析了東北地區野火的發生和氣候的關系，為相關部門的野火災害管理提供科學依據。

1 研究區概況

東北地區（115°E～135°E，48°N～55°N，）位于亞洲東部太平洋西岸，處于中國東北部，包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內蒙古東部，面積約為152萬km2（圖1）。東北地區的東部是典型的溫帶季風氣候，西部地區為溫帶大陸性氣候，四季分明，夏季溫熱多雨，冬季寒冷干燥。年降水自東南向西北從濕潤區、半濕潤區過渡到半干旱區，降水量從1000mm降至300mm以下。東北地區森林覆蓋率高，是野火發生較多的地區。

2 數據和方法

2.1 數據收集與處理

2.1.1 火季節嚴重程度 使用火災季節性嚴重程度數據（Seasonal severity Rating ，SSR）來表征東北地區1個月內的平均火險。火災季節性嚴重程度數據產品來源于全球火災天氣數據庫，時間分辨率為1個月，空間分辨率為0.625°×0.625°。SSR數據整合了影響植被火災開始和蔓延可能性的不同天氣因素，包括溫度、相對濕度、風速和雪深估計值。用ArcGIS將下載到的.NC格式的數據轉換成為Geo，TIFF格式。將處理后得到的數據利用ArcGIS中的掩膜提取工具，使用東北地區的矢量邊界數據對影像進行提取，得到東北地區的SSR數據。

2.1.2 野火火點 使用中成像光譜儀（MODIS）直接檢測燃燒面積產品（MCD64A1）估算2001—2017年野火在東北地區的燃燒面積。MCD64A1將Terra和Aqua是2顆衛星觀測的數據經過合成處理所得，使用500m表面反射、MODIS 1km火點和陸地覆蓋產品來描繪燃燒區域。為了得到野火火點數據，使用MRT將下載的數據進行影像的鑲嵌和重新投影的處理。經過處理后的數據，使用數據中的火掩膜信息，每個火掩膜里儲存8位無符號科學數據集代表火發生的情況，且每個像元都被賦予了0～9數字中的某一個值，0～9數字代表的含義如表1所示。將處理后得到的數據利用掩膜提取工具，得到東北地區的影像。提取像元值為低、中、高置信火3個級別的數據，并將提取的數據用ArcGIS先轉成面，再轉成點，并采用2001—2017年共17年空間分辨率為500m的土地覆蓋數據，對2001—2017年的全部火點進行提取，從而得到研究期間東北地區的野火火點數據。

2.1.3 土地覆蓋 使用MODIS土地覆蓋類型產品（MCD12Q1）來提取東北地區2001—2017年的野火區域。MCD12Q1是將Terra和Aqua 2顆衛星觀測的數據經過合成處理所得，為MODIS的3級土地覆蓋產品。MCD12Q1提供了5種不同的土地覆蓋類型的分類方案，本文使用了國際地圈-生物圈計劃（IGBP）全球植被分類方案確定的7種土地覆蓋類型，如表2所示。在得到數據產品后，利用MRT進行影像的鑲嵌和重新投影的處理，并將原始的數據格式轉換成為Geo.TIFF格式，并使用東北地區的矢量邊界數據對影像進行提取，最后移除非植被（水體、永久冰雪）、人造（農田、城市及建設用地、農田/天然植被鑲嵌）和濕地等土地覆蓋類型。

2.2 研究方法

2.2.1 核心密度估計 函數核心密度估計函數是一種從隨機采樣點重建概率密度函數的方法，它是用來反映點要素分布的相對集中程度，將離散的野火火點數據通過插值生成連續的數據來表明東北地區的野火火點的空間分布格局。本研究通過ArcGIS軟件空間分析模塊中的核密度分析工具對東北地區2001—2017年共17年的野火火點的空間分布密度計算。核心密度函數的定義為：

式中，x代表空間上的任意點，k（）是雙變量的概率密度函數，d>0為帶寬，是以x為中心的一個圓的半徑。此公式中可以通過調整帶寬d來得到不同尺度下野火火點的空間分布密度。

2.2.2 簡單相關分析 利用Pearson相關系數來評價17年東北地區的野火火點空間密度于火季節嚴重程度之間的密切關系，本文使用了R語言來計算相關系數。

3 結果與分析

3.1 野火火點的空間分布特征 經過對東北地區2001—2017年的野火火點統計發現，研究區的野火發生的高峰期為春季（每年的3—5月），春季發生野火的次數為36304次，占全部野火火點的46.84%，所以將春季作為研究時間段。根據研究區的幾何特征的特點，在做核密度分析時發現將貸款設為50km較為合理。經過對東北地區17年春季的野火火點進行核密度空間分析（圖2），發現東北地區17年野火發生的次數在3.94次/km2以內。密度最高的區域位于根河市中部、呼瑪縣、鄂倫春自治旗、阿榮旗、牙克石市、阿榮旗、扎蘭屯市、遜克縣、嘉萌縣、慶安縣、綏棱縣、林甸縣等，最高密度達到3.94次/km2，而其他地區的野火火點密度較小，甚至為0。

3.2 野火季節嚴重程度對野火的影響 為了得到SSR與東北地區野火火點之間的關系，通過R語言將2001—2017年的SSR和野火火點核密度逐個像元進行相關分析，用Pearson相關系數作為相關性密切的程度，結果如圖3所示。從圖3可以看出，東北地區17年內不同區域的SSR和野火火點核密度的關系有所不同，呼倫貝爾市的南部和赤峰市的中西部以及通化市的西部呈現出負相關，而其余地區呈明顯的正相關，尤其是在大興安嶺地區、呼倫貝爾市的東部和北部、齊齊哈爾市、白城市等相關性較高，最大相相關系數達0.82，表明野火火點密度高的區域其野火季節嚴重程度也較高。而朝陽市、通遼市、丹東市和延邊朝鮮自治州等區域的相關系數也較高，表明野火火點密度低的區域，其野火季節嚴重程度也較低。

4 結論與討論

本研究結果顯示，野火密度最高的區域位于根河市中部、呼瑪縣、鄂倫春自治旗、阿榮旗、牙克石市、阿榮旗等區域，最高密度達到3.94次/km2。通過相關分析表明，野火火點密度高的區域，其野火季節嚴重程度也較高，野火火點密度低的區域;其野火季節嚴重程度也較低。

氣候因子作為影響野火發生的重要影響因素，一直是學者研究的熱點問題。本研究基于MODIS火燒跡地產品數據和火季節嚴重程度產品數據，在多年的時間尺度上研究了氣候因子和可燃物對野火的綜合作用。不同區域的火季節嚴重程度與野火火點核密度的關系有所不同，這為當地有關部門野火的管理和監控提供了科學依據。野火的發生是一個復雜的過程，與人為因素有關，今后可將人為因素、氣候因素和可燃物一起綜合考慮對野火發生的影響。

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