尹 坤，曲智林

(東北林業(yè)大學(xué))

*黑龍江省博士后科研啟動(dòng)金資助項(xiàng)目(LBH-Q12175)

0 引言

森林可燃物含水率是影響林火發(fā)生及林火蔓延的重要因素之一，因此研究可燃物含水率的變化規(guī)律對(duì)提高林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和控制林火蔓延都具有極大意義．目前研究森林可燃物含水率變化規(guī)律一般采用建立數(shù)學(xué)模型的方法，多數(shù)采用的方法是平衡含水率法和氣象要素回歸法．平衡含水率法就是利用平衡含水率建立含水率模型，如 Viney［1］模型、Simard［2］模型、Van Wagner［2］模型、Anderson［3-4］模型、Nelson［5］模型等，以及金森［6-8］、曲智林［9-10］等均利用平衡含水率法給出了可燃物含水率的預(yù)測(cè)模型，由于平衡含水率不容易估算，因此給該類模型的應(yīng)用帶來一定的難度．在實(shí)際中氣象要素回歸法顯得更加直接、有效，氣象要素回歸法就是利用回歸理論直接建立氣象要素與可燃物含水率之間的函數(shù)關(guān)系．目前已有一些研究，如杜秀文等［11］，居恩德等［12］均對(duì)幾種森林類型可燃物含水率與氣象因子關(guān)系進(jìn)行了分析．但根據(jù)野外細(xì)小死可燃物含水率的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)直接建立氣象要素與可燃物含水率之間的關(guān)系預(yù)測(cè)誤差較大，因此，該文根據(jù)試驗(yàn)地的觀測(cè)數(shù)據(jù)，給出了一個(gè)具有延遲效應(yīng)，且分段細(xì)小死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型，有效地提高了預(yù)測(cè)精度，從而可為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)林火發(fā)生及林火蔓延提供理論依據(jù)．

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1．1 數(shù)據(jù)來源

該文研究所用的數(shù)據(jù)為2008年4月1日到2008年4月29日國家林業(yè)局在黑龍江省韓家園子林業(yè)局(東經(jīng) 125°10'～ 127°，北緯 50°55'～52°19')設(shè)置的觀測(cè)地的觀測(cè)數(shù)據(jù)．觀測(cè)木為長(zhǎng)20 cm、外直徑為2．6 cm、內(nèi)直徑為2．1 cm 的內(nèi)空的椴木．觀測(cè)木安裝在觀測(cè)儀器上．觀測(cè)儀器每1 h自動(dòng)收錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)．收錄的數(shù)據(jù)包括時(shí)間、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、觀測(cè)木的含水率和溫度等．

該文所涉及的可燃物的含水率為相對(duì)含水率，即

相對(duì)含水率=(濕材重量-全干材重量)/濕材重量×100%

根據(jù)試驗(yàn)地的觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出各影響因子的取值范圍見表1．

表1 各影響因子取值范圍

1．2 模型建立

由于降雨量的多少對(duì)可燃物含水率的變化有較大影響，且它們之間的關(guān)系較為復(fù)雜．因此該文研究的模型建立在多時(shí)無雨的情況下，并在固定區(qū)域和特定時(shí)段內(nèi)采集數(shù)據(jù)，因此可燃物含水率預(yù)測(cè)模型的影響因子選擇大氣的溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速．相關(guān)性分析表明:氣象因子對(duì)單位時(shí)間內(nèi)可燃物含水率改變量的影響有一定的滯后性，即t時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)可燃物含水率改變量由t時(shí)刻可燃物含水率、t-k1時(shí)刻大氣中的溫度、t-k2時(shí)刻相對(duì)濕度和t-k3時(shí)刻風(fēng)速所決定．該文選取

式中:ΔMt為t時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)可燃物含水率改變量(%);Mt為t時(shí)刻的可燃物含水率(%);Tt-k1為t-k1時(shí)刻溫度(℃);Ht-k2為大氣中tk2時(shí)刻的相對(duì)濕度(%);Wt-k3為t-k3時(shí)刻風(fēng)速(級(jí));ε 為隨機(jī)誤差項(xiàng);k1、k2、k3、a、b、c為待定系數(shù)．

t+1時(shí)刻的可燃物含水率為:

則得到可燃物含水率變化預(yù)測(cè)模型

其中:Mt+1為t+1時(shí)刻的可燃物含水率(%)．

利用此模型可由t-k1時(shí)刻的氣溫值、t-k2時(shí)刻的相對(duì)濕度值與t-k3時(shí)刻的風(fēng)速值以及t時(shí)刻可燃物的含水率得到t+1時(shí)刻可燃物的含水率．該文處理數(shù)據(jù)均使用STATISTICA6．0軟件完成．

2 結(jié)果與分析

2．1 相關(guān)性分析

利用試驗(yàn)地2008年4月1日至4月29日的觀測(cè)數(shù)據(jù)(剔除受降雨影響的數(shù)據(jù)，共6700000004個(gè)樣本)和偏相關(guān)系數(shù)公式:

給出了可燃物1 h內(nèi)含水率改變量與之前各時(shí)段空氣中溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速等各影響因子的相關(guān)性關(guān)系．圖1-3給出了不同時(shí)刻的相關(guān)關(guān)系．

從表2可以看出:該觀測(cè)物1 h含水率改變量與之前3 h的氣溫值相關(guān)性較高，并且為負(fù)相關(guān);與之前2 h的相對(duì)溫度相關(guān)性較高，并且為正相關(guān);與之前3 h的風(fēng)速值相關(guān)性最高，并且為負(fù)相關(guān);說明氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速對(duì)可燃物含水率變化影響有一定的滯后性．

表2 單位時(shí)間內(nèi)含水率改變量與不同時(shí)段溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速的相關(guān)性

圖1 單位時(shí)間內(nèi)可燃物含水率改變量與t-k3時(shí)刻氣溫的關(guān)系

圖2 單位時(shí)間內(nèi)可燃物含水率改變量與t-k2時(shí)刻相對(duì)濕度的關(guān)系

2．2 分段可燃物含水率預(yù)測(cè)模型的建立

將選取的580個(gè)數(shù)據(jù)平均分成6段(30%～36%、37% ～43%、44% ～50%、51% ～57%、58% ～64%、65% ～71%)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析理論，分別在每段上建立模型即公式(3)，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，見表3．

圖3 單位時(shí)間內(nèi)可燃物含水率改變量與t-k3時(shí)刻風(fēng)速的關(guān)系

2．3 模型的檢驗(yàn)

利用94個(gè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)分段可燃物含水率模型進(jìn)行檢驗(yàn)，分段可燃物含水率取平均值預(yù)測(cè)模型正確率到達(dá)98%(相對(duì)誤差不超過5%)．并給出了試驗(yàn)地2008年4月29日可燃物含水率的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值見表4．

表3 分段可燃物含水率預(yù)測(cè)模中的參數(shù)估計(jì)值

表4 2008年4月29日試驗(yàn)地可燃物含水率的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值

3 結(jié)論與討論

該文給出了在多時(shí)無雨條件下的分段可燃物含水率預(yù)測(cè)模型，利用該模型，根據(jù)某時(shí)刻的可燃物含水率和之前某時(shí)刻的氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速能夠預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的可燃物含水率，經(jīng)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確率達(dá)到98%，說明這種分段預(yù)測(cè)方法是可行的．該文的研究是以野外細(xì)小死可燃物為研究對(duì)象，該研究方法也可以推廣到野外其它類型的可燃物．另外模型中的風(fēng)速因子使用的是級(jí)，若換成m/s預(yù)測(cè)效果將更好．該文沒有考慮降雨量的影響，以后將對(duì)這類模型繼續(xù)進(jìn)行研究．

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