氣候變化背景下云南松林火災害的響應規律研究*

高仲亮,魏建珩,龍騰騰,李智,周汝良,舒立福,王秋華

(1.西南林業大學 土木工程學院，云南 昆明 650224;2.中國林科院森林生態環境與保護研究所，北京 100091)

隨著工業發展和人類生產生活需要，以及化石能源、燃料燃燒排放大量CO2和溫室氣體，極大增強 “溫室效應”。在1906—2005年100年間全球平均氣溫升高0.56～0.92 ℃，后50 a增速為0.13 ℃/10 a，接近前期增速的兩倍。眾多預測均指出未來一段時間內全球氣溫將持續攀升，升溫速度約2 ℃/ 100a[1]。全球性氣候變暖趨勢使世界各地森林火災發生頻次呈明顯上升，近年頻發的森林火災是受氣候變化干擾最明顯的標志之一。

國內外眾多學者開展了氣候變化對森林火災的影響研究。Wotton等[2]運用大氣環流模型(general circulation model，GCM)與HadCM3 GCM模型耦合結合歷史氣候數據與未來氣候情況進行模擬，表明未來20 a間火災次數將增加18%，21世紀末期將增加50%。Flannigan等[3]應用GCM結合北美氣候、森林火災數據預測出21世紀中期防火期的火災季節性嚴重程度(SSR)將升高10%～50%。Brown等[4]利用并行氣候模型(parallel climate model，PCM)模擬出21世紀末期美國西部地區將大面積干旱。國內學者開展其研究起步較晚，大多基于國外學者研究的模型和成果進行模擬和應用。趙鳳君[5]指出我國自然環境因素復雜、降水極不均衡、火險期時間長及火災發生率高。田曉瑞等[6]指出全球氣候變暖使森林植被瘋狂增長，增加有效森林可燃物載量，極大增加火災發生概率。劉曉東等[7]認為我國森林火災發生的周期大概為10～30 a。李德等[8]得出各氣候因子與火災呈顯著線性關系。我國是森林火災比較嚴重的國家，森林防火形勢歷來十分嚴峻，頻繁的極端天氣事件對我國森林火災產生了嚴重影響，尤其云南省是火災最嚴重的省份之一，分布有廣泛的易燃針葉林。云南松(Pinusyunnanensis)作為云南省主要植被樹種之一，其易燃特性導致分布區域火災多發，深入研究云南松林火災與氣候變化間的響應規律有利于分布區域的火災防范。

1 研究方法

1.1 研究區概況

云南省地處21°8′32″～29°15′8″N，97°31′39″～106°11′47″E，屬于低緯度、高海拔區域，氣候類型多樣，區域的氣候差異和垂直變化明顯，年溫差小、日溫差大，干濕分明，年均降水量約1 100 mm，但時間、空間分布不均勻，春、冬季為云南省大部分地區的火災多發季節。云南松是我國西南地區的鄉土樹種和主要綠化造林樹種，云南省境內分布范圍廣泛，占全省森林總面積50%以上。近年氣溫升高影響云南松的生理特征，長時間高溫干旱使云南松針葉提前枯黃下落、枝干表面產生大量油脂，極易燃燒，同時長時間高溫會使林分地表可燃物載量大幅增加、含水率極低，增加森林火災的發生概率。

1.2 數據來源

氣象數據來源于中國國家氣候局官方網站共享數據，選取1989—2018年云南省云南松分布區域內多個氣候站的逐月平均氣溫、平均相對濕度、平均風速、降水量數據，并統計計算分布區域內各氣象指標的年均值與防火期平均值。1990—2018年云南松森林火災數據來源于《中國林業統計年鑒》《云南減災年鑒》，以及云南省圖書館、云南省林業和草原局防火指揮部辦公室數據與互聯網數據。

1.3 氣象指標篩選

現階段全球氣候變化主要體現在向溫暖和干旱兩方面轉變，這兩個因素是誘發森林火災發生的重要原因。根據美國西部森林火災的調查記錄顯示，氣候變化使森林處在利于火災發生的環境，提高火災發生概率[9]。眾多研究表明氣溫、風速、降水量及相對濕度4個氣象指標是最具有代表性的林火驅動因子[5,10-14]。

1.4 變化趨勢分析析方法

Mann-Kendall趨勢檢驗法是一種突變和趨勢非參數統計檢驗法，又稱無分布檢驗。該方法不要求樣本數據遵從分布特征，允許有缺失值且不受異常值干擾，適用于氣候數據的非線性突變和趨勢檢驗，廣泛用于氣候、水文和植被等方面的缺失和突變分析研究[15]。采用Mann-Kendall方法分析主要氣候因子與云南松森林火災動態的變化趨勢。

對于具有n個樣本的時間序列Xt=(x1，x2，x3，…xn)，趨勢檢驗的統計量為：

①

②

③

④

式中：xj為時間序列的第j個數值，n為樣本長度，ti是第i組的數據點的數目；

當n>10時，UFk收斂于標準正態分布。原假設時間序列為無趨勢，采用雙邊趨勢檢驗，設定顯著性水平α并從正態分布表查得臨界值Uα/2。當|UFk|Uα/2，則拒絕原假設，表明趨勢顯著。按時間序列逆序構建Xt=(xn，xn-1，…，x1)，使UBk=-UFk。若UBk和UFk兩條曲線在臨界線間出現交點，則交點對應時刻為突變開始時間[16]。

設定顯著性水平α=0.05，UFk和UBk臨界區間為(-1.96，1.96)。若UFK>0，表明序列呈上升趨勢；若UFK<0，則表明序列呈下降趨勢。若|UFk|<1.96時變化趨勢不顯著，|UFk|>1.96時變化趨勢顯著。

1.5 相關性分析

相關性分析是指對兩個或多個具有相關性的變量進行整理與分析，并以此判斷兩個或多個變量之間的相關程度，采用Pearson相關系數開展研究，公式為：

⑤

以相關系數范圍判斷變量相關強度：0.8～1.0為極強相關；0.6～0.8為強相關；0.4～0.6為中等程度相關；0.2～0.4為弱相關；0.0～0.2為極弱相關或無相關。

2 結果與分析

2.1 氣象指標趨勢變化

將云南省云南松分布區1990—2018年的年均氣溫、防火期平均氣溫、年均相對濕度、防火期平均相對濕度、年降水量、防火期降水量、年均風速、防火期平均風速計8個指標進行Mann-Kendall趨勢分析，并分別進行一元線性回歸。

由圖1可看出在云南松分布區整個時間序列內，年均氣溫突變年份出現在1991年、1992年、1994年和2016年；防火期平均氣溫在1998—2018年達顯著上升水平，突變年份出現在1994年；年降水量突變年份出現在2002年和2015年；防火期降水量在1990—1991年、1997—2008年呈增長趨勢，其余年份呈下降趨勢；年均相對濕度、防火期平均濕度均呈下降趨勢，均于1995—2018年均達到顯著下降水平；年均風速、防火期平均風速在1995—2004年均達到顯著下降水平，防火期平均風速在2013—2018年達顯著上升水平。其他年份氣象指標上升或下降均未達到顯著水平。

圖1 氣象指標Mann-Kendall法趨勢分析Fig.1 Meteorological factors by Mann-Kendall method trend analysis

將各氣象指標的變化曲線進行一元線性回歸，結果見表1。

表1 氣象指標一元線性擬合方程Tab.1 Meteorological factors linear equation

結合表1各氣象指標線性回歸方程的斜率和圖2各氣象指標的變化曲線可知，年均氣溫呈下降趨勢，防火期平均氣溫呈小幅上升趨勢。年均、防火期平均相對濕度呈明顯下降趨勢，相同區域時間內的變化趨勢相同。年降水量呈上升趨勢，防火期降水量呈下降趨勢，防火期降水量波動幅度稍大。年均、防火期平均風速均呈上升趨勢，防火期平均風速的波動幅度較大。

圖2 氣象指標與火災次數關系Fig.2 Relationship between meteorological factors and number of fires

2.2 云南省云南松森林火災變化趨勢分析

將云南松火災次數應用Mann-Kendall進行趨勢校驗分析結果見圖3，并對其進行一元線性回歸。

由圖3可看出，在整個時間序列范圍內，森林火災次數在2005—2007年上升趨勢顯著，突變年份出現為2016年，其他年份上升或下降趨勢不顯著。

圖3 火災次數的Mann-Kendall法趨勢分析Fig.3 Fire number by Mann-Kendall method trend analysis

由圖4可看出，火災次數曲線基本符合y=-0.030x+104.710的變化趨勢，變化幅度范圍比較小，總體呈下降趨勢。

圖4 火災次數一元線性擬合Fig.4 Linear fitting analysis of fire number

2.3 云南松火災與氣象指標的相關性分析

將各氣象指標進行自動標準化并保存為變量，消除指標間的差異影響。在此基礎上，利用SPSS軟件進行KMO和Bartlett檢驗，結果顯示K-B球形度檢驗為0.608>0.5，以及Bartlett檢驗為0，該組數據適合指標分析，建立相關系數矩陣，計算特征值與相關系數矩陣，以特征值大于1為標準提取指標，提取方法為主成分分析法，結果見表2。對初始指標載荷進行正交旋轉，計算云南省森林火災氣象指標評價得分并進行排序，結果見表3。

由表2看出，氣象指標對森林火災的影響程度大小排序為：年均氣溫>防火期平均氣溫>防火期平均相對濕度>年均相對濕度，上述4個指標均達極顯著水平(P<0.01)，其他指標呈弱度相關。火災次數與年均氣溫呈強正相關，系數為0.751，與防火期平均氣溫成中等正相關，系數為0.519，當分布區內年均氣溫上升或下降將強烈影響火災發生次數；火災次數與年均相對濕度、防火期平均相對濕度成中等負相關，系數分別為- 0.479和-0.483，分布區相對濕度升高時，火災發生可能性較小，反之則較大；火災次數與降水量、風速呈極弱相關。綜上所述，氣溫與相對濕度是影響云南松森林火災發生的最主要因素之一。

表2 火災次數與氣象指標的相關系數矩陣Tab.2 Matrix of correlation coefficients between fire number and meteorological factors

由表3可看出云南省火災氣象指標評價得分總體呈上升趨勢，分為6個階段：第一階段(1990—1991年)為高位平穩階段，得分范圍0.84～1.33；第二階段(1992—1997年)為震蕩下降階段，得分范圍0.22～0.60；第三階段(1998—2006年)為震蕩變化階段，得分范圍-2.01～0.04；第四階段(2007—2008年)為平穩階段，得分范圍0.54～0.56；第五階段(2009—2014年)為低位震蕩階段，得分范圍-1.89～0.46；第六階段(2015—2018年)為快速上升階段，得分范圍0.84～1.88。

表3 云南省火災氣象指標評價得分Tab.3 Scores of fire meteorological factor evaluation in Yunnan Province

2.4 云南松火災與氣象指標的變化趨勢關系

氣溫波動與火災次數起伏變化幅度基本一致，氣溫發生較大改變時，火災次數變動將會增大，符合正相關關系。相對濕度與云南松火災次數的變化趨勢相反，相對濕度較低的年份火災次數明顯多于相對濕度較高的年份，二者符合負相關關系。降水量對云南松火災次數影響十分有限，短時期內有明顯影響，較長時間影響不明顯；2010—2018年年降水量的持續上升使每年火災的發生次數明顯減少。風速與云南松火災次數的變化趨勢基本一致，呈正相關關系。1999年火災次數突然增多可能是其他因素所導致。

2000、2008、2011及2013年等年份出現火災次數與氣溫、風速呈負相關、與降水量呈正相關，究其原因，這些年份可能受到人為因素影響較大，政府管理部門采取：加大森林防火經費投入、加強森林防火管理、廣泛動員全民防火等措施，從而削弱氣象指標對森林火災的影響。

3 結論與討論

3.1 結論

基于1990—2018年云南省云南松林火災歷史數據和氣溫、相對濕度、降水量、風速等4類主要林火氣象因子，利用Mann-Kendall趨勢檢驗、線性回歸、對比分析以及相關性分析研究氣象指標與森林火災的變化及其關系，結論如下：

(1)防火期平均氣溫在1998—2018年上升趨勢達顯著水平，突變年份出現在1994年；年降水量突變年份出現在2002年和2015年；年均相對濕度、防火期平均濕度在1995—2018年下降趨勢均達顯著水平，突變年份出現在1994年；年均風速、防火期平均風速在1995—2004年下降趨勢均達顯著水平，防火期平均風速在2010—2018年上升趨勢達到顯著水平。

(2)年均氣溫、相對濕度和防火期降水量、平均相對濕度呈下降趨勢，其他氣象指標呈上升趨勢。氣象指標年際變化幅度大，長期變化不明顯。

(3)氣象指標子對森林火災影響程度強弱為：年均氣溫>防火期平均氣溫>防火期平均相對濕度>年均相對濕度，4個指標均達到極顯著水平(P<0.01)，其中年均氣溫呈強正相關，系數為0.751，防火期平均氣溫呈中等正相關，系數為0.519，年均和防火期的平均相對濕度呈中等負相關，系數分別為-0.479和-0.483。

(4)火災氣象指標評價得分總體呈上升趨勢，分為1990—1992年高位平穩、1993—1997年震蕩下降、1998—2006年震蕩變化、2007—2008年平穩、2009—2014年低位震蕩、2015-2018年快速上升等6個階段，其分值為：0.49～1.33、0.22～0.60、-2.01～0.04、0.54～0.56、-1.89～0.46、0.84～1.88。

(5)云南松火災次數年際波動較大，總體呈下降趨勢。1990—2010年云南松火災次數在氣象因素作用下呈總體上升趨勢且該時段火災年均次數遠高于研究時間區域的后半時間段(2010—2018年)；2011—2018年氣溫與風速下降趨勢明顯，降水量和相對濕度上升，該時段火災次數明顯減少。云南松林火災受氣候變化影響程度總體上較為嚴重。

3.2 討論

隨著全球氣溫持續升高以及極端天氣事件增多，我國森林防火工作將會迎來更加嚴峻的挑戰。研究結果顯示，氣象變化趨勢在1989—2018年變化幅度較小，但很大程度影響了云南松森林火災的波動趨勢，表明即使是小幅度氣象波動也能影響火災發生[17]，云南松分布區域氣象指標在2010年前除年均氣溫、年均風速條件以外，其余指標皆呈下降趨勢，這與田曉瑞等[15]、陳鋒[18]研究結果一致，延長研究時間可發現氣象變化趨勢有明顯改變。2010—2018年，防火期平均氣溫、平均風速和降水量呈上升趨勢，防火期平均濕度、年均相對濕度呈下降趨勢，其余氣象數據變化不明顯，相較前一段研究期，該時間段內防火期濕潤度有所上升，火災次數減少，與馬文苑研究結果一致[19]。在1989—2018年時間段內，氣象變化趨勢與云南省松林火災次數呈顯著相關性，但后半段時期(2010—2018年)云南松林火災與氣象變化趨勢相關性有所降低。隨著近年防火技術進步、林火研究深入，氣象變化可被及時監測與預警，削弱了森林火災對氣象條件的響應，相較于自然因素，人為因素對林火的控制程度有所上升，意味著對林火驅動因子研究可以隨時間變化而做出相應調整。但目前在相關研究中多以生態地理區、季節變化、林區分布等作為分類方式研究林火發生的驅動因子[18,20]，在劃分時間段的基礎上研究林火驅動因子較少，本研究具有一定現實意義，可細化林火發生規律研究。同時云南松作為云南省主要森林植被樹種，其易燃性造成分布區域火災頻發，選擇在云南省森林火災數據的基礎上提取云南松林火災數據開展研究，比區域范圍、地州市為研究單位得出的規律更具針對性。

本文選擇的4個氣象指標是眾多學者認為最具有代表性的林火驅動因子，但在北方林地火災的氣象驅動因子研究中，日最高氣溫、日累計降水量等氣象指標對林火發生也具有一定影響[21]，這對后期深入研究具有一定參考意義。氣候條件雖然是影響火災的最主要因素，但人為因素同樣起著重要作用，頻繁的人類活動造成林內地表可燃物載量減少，可燃物含水率增大，燃燒性降低[22]。近年隨著管理部門對林火預防、管控的力度加大，加深了人為因素對森林火災的影響程度。2010—2018年云南松林火災發生對氣候變化的響應程度較低，這與政府對森林防火的宣傳、管控加強密不可分，在今后研究中分時段討論人為因素與氣象因素對林火發生的影響將更有利于掌握氣候變化下林火的發生規律。