王艷霞 周汝良 丁 琨

(西南林業(yè)大學，昆明，650224)

森林火險天氣等級預報，主要根據能反應天氣干濕程度的氣象因子來預報天氣條件能否引起森林火災的可能性。這種林火預報對實現(xiàn)有針對性的排兵布陣、撲救資源調度、火源檢查與巡護、火情監(jiān)測與瞭望等，對全社會涉林人員杜絕林區(qū)火源、警惕并預防林火發(fā)生，都具有十分重要的現(xiàn)實意義［1］。作為影響森林火災的主要因素之一，降水可增加可燃物的含水量從而降低火險系數(shù)，是各國火險天氣等級預報的必要因子［2］。因此，較為準確地描述地表實際水分狀態(tài)，特別是復雜多變的山地區(qū)域，對進一步提高中長期火險天氣等級預報的準確性和可靠性具有重要作用。

《全國森林火險天氣等級》根據最高空氣溫度、最小相對濕度、前期或當日的降水量及其后的連續(xù)無降水日數(shù)、最大風力等級、物候等因子預報森林火險天氣等級?，F(xiàn)有標準以每日為時間單位進行短期火險天氣等級預報。當森林防火工作需中長期(如以旬、月為時間單位)火險天氣等級預報時，氣溫、濕度、風力、物候等預報因子可根據氣象站(臺)觀測的資料獲取，而降水量及其連旱天數(shù)所代表的降水火險指標，難以直接用于森林火險的預報工作。一方面，現(xiàn)有標準認為降水過后如果連續(xù)無降水日數(shù)越多，火災發(fā)生的危險性越大，這種方式難以表達出一段時間內的可燃物水分散失情況，從而不適合開展中長期森林火險天氣等級預報。另一方面，現(xiàn)有國家標準指數(shù)計算的本質是分段函數(shù)模型，存在嚴重的階躍問題，往往微小差異數(shù)據計算出來的火險等級差異較大，存在較大的預報誤差。

目前，許多研究者提出了森林火險天氣等級預報的方法，但針對中長期火險天氣等級預報的文獻較少見。張學藝［3］參考國內外火險天氣等級預報方法研究的思路及森林火險等級劃分標準，針對寧夏的實際情況，對指標體系進行逐月調整，運用多個氣象因子和綜合因子之間相關關系，來確定森林火險天氣等級標準。馮家沛等［4］通過對連云港市1987—1993年大小不同的111 次林火查找原因并進行天氣分析，指出原全國森林火險天氣等級方法的不合理部分，并加以改進，增加了實效雨量、積雪深度等預報因子。高仲亮［5］選取1950—2010年云南省各地州的降水量、平均相對濕度、蒸發(fā)量、溫度和風速數(shù)據，建立了蒸發(fā)量的線性回歸模型，計算降水量和蒸發(fā)量之間的差值作為有效保水量，預報云南森林火險天氣等級。王艷霞等［6－9］使用1950—1980年云南氣象觀測數(shù)據，采用高橋公式計算了蒸發(fā)量，通過累積求和計算有效保水量，提出了預報云南森林火險等級方法。以上預報方法，對行業(yè)標準中的不準確問題做了改進，但改進模型的普遍適應性、可行性存在一定不足或不全面。例如:降水在下墊面作用下的徑流分配與土壤滲透、無積雪區(qū)域預報、降水在連續(xù)干旱條件下的蒸發(fā)與再吸水、經驗統(tǒng)計回歸模型的跨區(qū)域實用性、預報因子的計算精度等問題，都有待進一步研究解決。

1 研究區(qū)概況

云南地處中國西南邊陲，位于北緯21°8'32″ ～29°15'8″，東經97°31'39″ ～106°11'47″，東西橫跨864.9 km，南北縱距990 km，總面積3.94 ×105km2。北回歸線橫貫云南省南部，其山地區(qū)域地形復雜，高差起伏大，山地微氣候特征突出。“十里不同天、一山分四季”，是云南山地微氣候時空分布格局的真實寫照。同時，由于云南干濕季分明，冬春季節(jié)幾乎無降水，造成了森林火災高發(fā)、頻發(fā)的自然格局。云南山地地形復雜多樣，森林可燃物類型多樣，載量變化快，山區(qū)林農交錯分布，火源多而復雜。

2 研究方法

2.1 數(shù)據收集

收集云南119 個常規(guī)氣象站1993—2007年的觀測數(shù)據，主要包括1—12月月均降水量、溫度、濕度等指標。收集山地環(huán)境梯度數(shù)據，主要有:高程數(shù)據(DEM)、緯度、坡度、坡向、溝谷指數(shù)、緯度、坡向指數(shù)等。

研究區(qū)地形及山地微氣候復雜，氣象觀測站稀少，分布不均勻。為了盡可能反映山區(qū)地形對氣象要素分布的影響，本研究使用1∶ 250 000 比例尺的DEM，其數(shù)據空間分辨率重采樣為100 m。利用地理信息系統(tǒng)中的空間模擬方法(如關聯(lián)函數(shù)法、克里金法)對溫度、濕度、風速等氣象因子進行空間連續(xù)化模擬，收集除降水火險因子之外的其他因子的空間分布數(shù)據。

2.2 模型的建立

陸面蒸發(fā)量的計算:由于蒸發(fā)量觀測的準確資料很少，蒸發(fā)量的計算依賴于間接計算。根據譚冠日等［10］的檢驗，認為傅抱璞［11］蒸發(fā)量計算公式誤差較小，且公式較嚴密，具有普遍意義，傅抱璞根據水熱平衡原理提出的陸面蒸發(fā)量計算公式為:

式中:E 為陸面蒸發(fā)量;E0為蒸發(fā)力;R 為降水量;m為下墊面參數(shù)。

使用對高橋公式進行修正并增加了海拔高度訂正項后E0模型［10］:

式中:ta為溫度;R 為降水量;h 為海拔;A、B 為訂正系數(shù)，A=1.2 ×10－3，B=8 ×10－5。

下墊面參數(shù)的空間模擬:地表徑流越大，森林土壤的含水率越少，降水對降低火險的作用越小。傅抱璞［11］認為下墊面的透水性好壞決定了地表植被、地表徑流的情況，故將下墊面參數(shù)(m)引入到陸面蒸發(fā)計算模型中。當m 取極小值1 時，表示下墊面透水性最差，植被最少，地面坡度最大，地表徑流最強，陸面蒸發(fā)為0，即降水量全部以地表徑流形式流走，未參加地面蒸發(fā)過程。反之，下墊面透水性好，其覆蓋的植被多，地形平坦，地面徑流就小，m 值就越大，表示全部降水都參加了地面蒸發(fā)過程。

譚冠日等［10］以云南為研究對象，指出下墊面參數(shù)與地形起伏度有較好的關系，提出了m 的計算公式:

其中:m 為下墊面參數(shù);U 為地形起伏度;Ct為研究區(qū)域經緯線與等高線的交點總數(shù);Lm為經緯線總長度;ΔH 為等高線間距;Km為地圖比例尺。

利用ArcInfo 的柵格運算功能，采用DEM 的窗口分析法，在GRID 模塊下基于DEM 提取地形起伏度，其計算理論為一定區(qū)域內最大高程和最小高程的差［12］，即:U =Hmax－Hmin。其中，Hmax為分析窗口中的最大高程值;Hmin為分析窗口中的最小高程值。用1∶ 250 000 的DEM 作地形起伏度計算時，最佳分析窗口取21 ×21 大?。?3］。

地表有效保水量計算模型:將地表有效保水量估算為地表降水量與同時期陸面蒸發(fā)量差值的動態(tài)累加值，即:Rx=其中，Rx為地表有效保水量;Ri為降水量;Ei為陸面蒸發(fā)量。

云南11月至次年4月為旱季，在此期間，地面蒸發(fā)量很大，在當年的雨季所保有的水分大部分在旱季結束前蒸發(fā)。本研究視旱季結束，雨季到來之前，即前一年4月結束時，森林火災常發(fā)地區(qū)的地表有效保水量達最小值，從5月份開始，以0 值開始重新計算地表有效保有水分。

地表有效降水火險天氣指標模型的建立:由于森林火險指數(shù)的確定主觀因素比較大，沒有客觀定量的評述標準，因此將降水火險指標按照［0，50］的取值范圍，按研究區(qū)多年月平均保水量的總體情況，定義有效保水量(Rx)的區(qū)間取值，根據經驗確定其打分值，得到森林火險天氣指數(shù)(F)，結果如表1所示。

表1 有效保水量對應的森林火險天氣指數(shù)打分表

采用表1地表有效保水量各區(qū)間的中間值和其對應森林火險指數(shù)建立樣本點集合:{(117，45)，(243，40)，(369，35)，(495，30)，(621，25)，(687，20)}。由于火險有最高和最低限制，本研究采用S形曲線形狀的Logistic 生長曲線模型［14］(函數(shù)形式為:Y=(1/u+b0bx1)－1，其中u 為上限值)，則u =50。將表1所反映的分段打分函數(shù)改為連續(xù)函數(shù)形式，得到有效保水量的森林火險天氣指數(shù)計算模型:F=50/(1 +50 ×0.002 ×1.004Rx)。其中，F(xiàn) 為有效保水量的森林火險指數(shù);Rx為地表有效保水量。

氣象因子的空間連續(xù)化模擬:預報因子的空間連續(xù)化是實現(xiàn)森林火險天氣等級預報精細化的重要步驟。周汝良等［15］提出“對于許多宏觀生態(tài)學、氣象學、地表過程中一些物理指標的連續(xù)化模擬，如果只有少量稀疏樣本數(shù)據，關聯(lián)函數(shù)法應該是最好的內插方法”。因此，基于前人研究基礎，使用關聯(lián)函數(shù)法，對降水量、溫度、濕度、風速等預報因子進行空間模擬，通用函數(shù)表達式如下:y =β0+β1x1+… +βpxp+ε 其中，y 為因變量，指降水量、溫度、濕度等氣象因子;x1、x2…xp為自變量，指海拔、經度、緯度等地理要素;p 為自變量的個數(shù);β0為常數(shù)，β1、β2…βp為系數(shù);ε 為誤差。

3 結果與分析

3.1 降水量空間模擬

使用SPSS 軟件，將氣象站點觀測的降水量數(shù)據及其環(huán)境梯度因子數(shù)據構成的樣本集，使用逐步回歸方法建立降水量關聯(lián)函數(shù)內插模型，以4月月均降水量為例，公式為:R =1692.276－58.729A +2.342Cuv+9.896Slp。其中:R 為降水量(單位:0.1 mm);A 為緯度;Cuv為溝谷指數(shù);Slp為坡度。該方程和系數(shù)均通過顯著性和有效性檢驗。將緯度、溝谷指數(shù)、坡度柵格數(shù)據代入上述模型，使用ArcGIS 軟件的柵格計算功能，計算得出連續(xù)化的降水量空間分布，如圖1所示。

圖1 連續(xù)化降水量空間分布圖

3.2 地表有效保水量計算

下墊面參數(shù)空間模擬:云南省下墊面參數(shù)結果如圖2所示，滇西、滇北的地形坡度大，下墊面透水性差，地表徑流強，下墊面參數(shù)小，集中在1.1 ～2.5的范圍內。滇東地形比滇西北平坦，植被覆蓋多，下墊面透水性較好，m 值大，集中在3 以上。特別地區(qū)的m 值在圖中顯示為NODATA，表示U 值為0，m 值為無窮大，這表明地形平坦的地方，地表徑流影響很小。

圖2 云南省下墊面參數(shù)分布圖

蒸發(fā)量計算:當下墊面參數(shù)m 為無窮大，在蒸發(fā)力空間分布(如圖3)上以NODATA 值顯示時，表明降水參加地表徑流的部分很少，可視為沒有。這種情況下，如果這些區(qū)域蒸發(fā)力值E0大于降水量R，則E=R;如果這些區(qū)域的蒸發(fā)力E0小于等于降水量R 時，則E=E0。

在旱季時，即使降水為0 時，云南省陸面蒸發(fā)量能達到5 ～15 mm。因此本文在計算蒸發(fā)量時若遇到降水量為零或計算的蒸發(fā)量不足15 mm 的月份時，默認此月的蒸發(fā)量為15 mm。將降水量、下墊面參數(shù)、蒸發(fā)力代入蒸發(fā)量計算的模型得到蒸發(fā)量的空間連續(xù)化分布圖，如圖4所示。從圖中可以看出，緯度愈低，氣溫愈高，蒸發(fā)能力越強，蒸發(fā)量也就越大?？傮w上滇北溫度、降水低于滇南，蒸發(fā)力小于滇南，其蒸發(fā)量也相對小。

圖3 蒸發(fā)力分布示意圖

圖4 蒸發(fā)量分布示意圖

地表有效保水量計算:從圖5看出，某些地方保水量值為負值，僅僅表示截止4月份的蒸發(fā)量值大于降水量，該地區(qū)比較干旱。當雨季到來，大規(guī)模的降水便會為這些地區(qū)補充水分。另外，林內植物夜間反吸水作用也緩解了蒸發(fā)對干旱的貢獻。保水量為負值的地區(qū)的天氣條件與保水量為正值的地區(qū)比較起來，干旱較嚴重，火險等級指數(shù)較高。從圖中可以看出，保水量分布總體上南部多北部少，西部多東部少，這與云南旱季降水量分布趨勢大體一致。

3.3 基于地表有效保水量的森林火險天氣等級預報

云南4月月均保水量火險天氣指數(shù)，見圖6。從圖中可以看出，該火險天氣指數(shù)呈現(xiàn)空間連續(xù)變化的特點，不存在因一個縣只有一個氣象站點而出現(xiàn)的整個縣域只有一個火險天氣指數(shù)值的情況。火險天氣指數(shù)較好的反映了云南歷年因降水而表現(xiàn)出的森林火災風險程度。全區(qū)域分東西兩大階梯變化，滇東大部分地區(qū)具有較大的火險天氣指數(shù)，但具有大河谷存在的落雪和玉溪東南部地區(qū)火險天氣指數(shù)相對較小;滇西北、哀牢山以西的滇西和滇南火險天氣指數(shù)相對較小，紅河干熱河谷地帶具有明顯較高的火險天氣指數(shù)，呈條帶狀沿元江、紅河從滇中延伸至滇東南。

圖5 有效保水量分布示意圖

圖6 地表有效保水量對應的火險天氣指數(shù)圖

根據云南省中長期火險天氣等級預報模型，計算得出云南省歷年4月月均森林火險天氣等級(圖7)。比較現(xiàn)有以行政區(qū)劃為單位的火險天氣等級預報(圖8)，本文的預報結果因地理環(huán)境的不同而表現(xiàn)出連續(xù)變化的火險等級，從圖7可以看出，火險等級呈逐級過渡，不存在相鄰地區(qū)跨越2 級的地方。云南省4月份月均森林火險等級均較高，沒有火險天氣等級是1 級、2 級的區(qū)域，省內大部分地區(qū)為5級火險，火災發(fā)生的危險性很高。滇北火險天氣等級較滇南高，河谷火險天氣等級卻比周圍地區(qū)高。各大河流域內火險等級相對低，但也在3 級到4 級，火災較易發(fā)生。

圖7 云南省4月份火險天氣等級預報圖

圖8 以行政區(qū)劃為單位的森林火險天氣等級預報圖

4 討論與結論

在考慮地表徑流的陸面蒸發(fā)量的基礎上，探討了云南地表有效保水量的機理模型，提出了使用表征干旱程度的地表有效保水量，衡量地表水分對森林可燃物的影響。進而建立了基于地表有效保水量的長期森林火險天氣指數(shù)的連續(xù)化模型，并以柵格像素大小為單元預報了森林火險天氣等級。

使用地表有效保水量代替降水量和連旱天數(shù)，充分考慮火險期內，連續(xù)時間上的地表降水的補充與蒸發(fā)消耗，建立的森林火險天氣等級預報，彌補了現(xiàn)有國家標準的不足，具有較強的可推廣性。與現(xiàn)有的國家森林火險天氣等級預報標準、云南省及其他省份關于森林火險天氣等級預報的改進方法［16－19］相比，本文所提出的地表有效保水量模型和連續(xù)化的火險天氣指數(shù)模型，輸入因子容易獲取，方便建立計算機可實現(xiàn)的算法，結合GIS 的空間分析、地學統(tǒng)計分析、空間數(shù)據表達等功能，將預報因子空間連續(xù)化，可得到連續(xù)化分布的火險天氣等級精細化預報圖。預報結果能夠預報出行政單位內部微地理區(qū)域上的火險情況，適用于山地起伏變化、氣候變化異常的地理區(qū)域。

改進國家火險天氣等級預報標準中的地表水分火險指數(shù)計算方法，將分段函數(shù)改進為連續(xù)曲線函數(shù)，克服了原有指標存在的階躍性問題。連續(xù)化的火險指數(shù)模型更加符合火災發(fā)生規(guī)律。

以1∶ 250 000 比例尺的DEM 和稀疏觀測站點所測得的氣象數(shù)據為基礎，數(shù)據的精度存在進一步提高的空間。由于計算保水量的關鍵模型——陸面蒸發(fā)量計算模型，是傳統(tǒng)較成熟的機理模型，且獲取一年內有效保水量的實測數(shù)據較為困難，因此，未對蒸發(fā)量和保水量進行定量的真實性檢驗。如何結合熱紅外衛(wèi)星影像反演地表溫度、地表濕度等技術方法，縮短預報期限，進一步提高火險天氣預報的實時性、準確性是后續(xù)研究的方向。

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