蘭明才 周莉 劉紅武 周盛 丁玄 彭月 周長青

摘要 利用1971—2016年長沙市常規(guī)氣象資料，計(jì)算綜合氣象干旱指數(shù)，分析長沙地區(qū)干旱的時(shí)空分布特征及氣象成因，并利用2003—2015年森林火災(zāi)資料進(jìn)一步研究干旱對森林火災(zāi)的影響。結(jié)果表明，近46年來長沙地區(qū)干旱頻率有所下降，干旱的年代際變化明顯，呈三峰型。最長干旱持續(xù)天數(shù)和干旱總?cè)諗?shù)的年變化對應(yīng)較好，長沙、瀏陽、寧鄉(xiāng)3站年際變化基本一致，且3站干旱分級特征具有較高的空間一致性。長沙地區(qū)以夏秋干旱最為常見，持續(xù)時(shí)間最長，最主要的氣象原因?yàn)榇髿猸h(huán)流的影響。干旱情況下，森林等植被含水率下降，下降到一定程度，森林火災(zāi)容易發(fā)生。最長干旱持續(xù)日數(shù)和森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)、受災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù)超過0.05信度水平。2007年的火災(zāi)情況分析表明，森林火災(zāi)多發(fā)生在干旱條件下的連晴時(shí)段內(nèi)。

關(guān)鍵詞 干旱；時(shí)空分布特征；綜合氣象干旱指數(shù)；森林火災(zāi)；影響

中圖分類號 S167；P466 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）29-0174-06

Spatial and Temporal Distribution of Drought and Its Impact on Forest Fire in Changsha Area

LAN Mingcai，ZHOU Li，LIU Hongwu et al

（Hunan Province Meteotological Observatory， Changsha，Hunan 410118）

Abstract Based on the conventional meteorological data of Changsha City from 1971 to 2016， the comprehensive meteorological drought index was calculated， and the temporal and spatial distribution characteristics of drought in Changsha area and meteorological factors were analyzed.The effects of drought on forest fires were further studied by using forest fires data from 2003 to 2015.The results showed that the frequency of drought in Changsha area decreased in the past 46 years， and it had a obvious decadal variation of triple peak type.The annual variation of the longest consecutive dry days quite matches with the total dry days， the decadal variations of the longest annual consecutive dry days and the total annual dry days of Changsha， Ningxiang and Liuyang stations were consistent， and the consistency was found in hierarchical drought characteristics of the three stations.Drought of Changsha area occured mostly in summer and autumn，and lasted for a long time on account of atmospheric circulation.Under drought conditions，the forest vegetation water content decreased down to a certain extent， which was beneficial to forest fire.The correlation coefficient of the longest annual consecutive dry days and the numbers of forest fires and the affected area exceeded the reliability level of 0.05.Analysis of forest fire in 2007 showed that forest fire easily occured in a period of consecutive sunny days during a drought.

Key words Drought； Temporal and spatial distribution characteristics； Integrated meteorological drought index；Forest fire；Effect

基金項(xiàng)目

湖南省氣象局預(yù)報(bào)預(yù)測能力建設(shè)項(xiàng)目“湖南省強(qiáng)天氣指數(shù)和短期預(yù)報(bào)方法研究及應(yīng)用”“湖南干旱期人工增雨潛力研究”；湖南省氣象局橫向課題“湖南省分縣地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃研究”“湖南省精細(xì)化天氣要素預(yù)報(bào)”。

作者簡介 蘭明才（1984—），男，湖南長沙人，工程師，碩士，從事天氣預(yù)報(bào)預(yù)測及短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)研究。

收稿日期 2017-08-28

干旱是湖南主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，幾乎每年都有發(fā)生。因土壤質(zhì)地、植被條件、水利設(shè)施以及耕作制度等不同，干旱有成塊分布和插花分布等特征，旱災(zāi)所造成的損失表現(xiàn)形式比洪澇災(zāi)害緩慢，但它造成災(zāi)害的時(shí)間長、范圍廣、后續(xù)潛在影響大[1-3]。長沙作為湖南省省會(huì)，位于湖南省東部偏北，湘江下游和長瀏盆地西緣，人口密集，工農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)，需用水量大[4]，由于降水的時(shí)空分布不均，容易發(fā)生季節(jié)性干旱，在一些地方也出現(xiàn)程度不同的水資源短缺現(xiàn)象。長沙市在一般干旱年缺水率達(dá)21.9%，特殊干旱年缺水率達(dá)28.3%[5]。干旱嚴(yán)重影響水資源的供需矛盾，制約了長沙地區(qū)持續(xù)的城市發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展增長。為建設(shè)生態(tài)長沙，近年來長沙地區(qū)不斷加快城鄉(xiāng)綠化建設(shè)，并取得了顯著成效，全市林業(yè)用地61.63萬hm2，森林覆蓋率達(dá)53%左右[6]。森林火災(zāi)作為一種自然災(zāi)害，能直接、迅速減少森林覆蓋率。一些研究表明[7-8]，森林火災(zāi)的發(fā)生與干旱有密切的聯(lián)系，大的森林火災(zāi)多發(fā)生在干旱高溫季節(jié)。通過長沙干旱的特征及與森林火災(zāi)的關(guān)系研究對建設(shè)綠色長沙、生態(tài)長沙有重要現(xiàn)實(shí)意義。

采用氣象方法從統(tǒng)計(jì)方面研究降水量的分布規(guī)律，來反映旱澇的程度和持續(xù)時(shí)間的指數(shù)很多[9-12]。綜合氣象干旱指數(shù)（CI）是以標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、相對濕潤指數(shù)（MI）為基礎(chǔ)建立的一種干旱綜合指數(shù)[13]，該指數(shù)同時(shí)考慮了降水和蒸發(fā)能力因子，綜合考慮了前期的天氣狀況，具有較好的時(shí)空對比性，比單純利用降水量的干旱指數(shù)具有較大的優(yōu)越性，蒸發(fā)能力的計(jì)算也比較簡便，目前國家氣候中心運(yùn)用該指數(shù)對全國范圍的干旱實(shí)況進(jìn)行逐日滾動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，業(yè)務(wù)實(shí)踐效果良好。筆者利用長沙市1971—2016年氣溫、日照、降水等常規(guī)氣象資料計(jì)算CI，根據(jù)干旱監(jiān)測結(jié)果及干旱影響程度對CI進(jìn)行等級劃分，分析長沙地區(qū)干旱時(shí)空分布特征及氣象成因，并利用2003—2015年森林火災(zāi)資料研究長沙干旱對森林火災(zāi)的影響。

1 資料與方法

1.1 資料來源 所用資料為湖南省氣候中心提供的長沙、寧鄉(xiāng)、瀏陽三站1971—2016年的逐日降水、溫度、相對濕度等氣象要素觀測數(shù)據(jù)；長沙市林業(yè)局、林業(yè)站提供的2003—2015年森林火災(zāi)資料。

1.2 分析方法

1.2.1 綜合氣象干旱指數(shù)。

綜合氣象干旱指數(shù)（CI）是利用近30 d（相當(dāng)月尺度）和近90 d（相當(dāng)季尺度）降水量標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，以及近30 d相對濕潤指數(shù)進(jìn)行綜合而得，該指標(biāo)既反映短時(shí)間尺度（月）和長時(shí)間尺度（季）降水量氣候異常情況，又反映短時(shí)間尺度（影響農(nóng)作物）水分虧欠情況。該指標(biāo)適合實(shí)時(shí)氣象干旱監(jiān)測和歷史同期氣象干旱評估[13]。CI的計(jì)算公式為：

CI=aZ30+bZ90+cM30 （1）

式中，Z30、Z90分別為近30 d和近90 d SPI值；a為近30 d標(biāo)準(zhǔn)化降水系數(shù)，由達(dá)輕旱以上級別Z30的平均值除以歷史出現(xiàn)的最小Z30值得到，平均取0.4；b為近90 d標(biāo)準(zhǔn)化降水系數(shù)，由達(dá)輕旱以上級別

Z90的平均值除以歷史出現(xiàn)最小Z90值得到，平均取0.4；c為近30 d相對濕潤系數(shù)，由達(dá)輕旱以上級別M30的平均值，除以歷史出現(xiàn)最小M30值得到，平均取0.8；M30為近30 d相對濕潤度指數(shù)。

相對濕潤度指數(shù)是表征某時(shí)段降水量與蒸發(fā)量之間平衡狀況的指標(biāo)之一。該等級標(biāo)準(zhǔn)反映作物生長季節(jié)的水分平衡特征，適用于作物生長季節(jié)旬以上尺度的干旱監(jiān)測和評估。

相對濕潤度指數(shù)的計(jì)算公式為：

MI= P-PE PE （2）

式中，P為某時(shí)段的降水量；PE為某時(shí)段的可能蒸散量，用FAO Penman-Monteith或Thornthwaite 方法計(jì)算。

1.2.2 干旱等級。

CI分為5個(gè)等級：1級，CI>-0.6，無旱，表現(xiàn)為降水正常或較常年偏多，地表濕潤，無旱象；2級，-1.21.2.3 干旱過程。

干旱過程的確定為當(dāng)CI連續(xù)3 d為輕旱以上等級，則確定為發(fā)生一次干旱過程。干旱過程的開始日為第1天CI指數(shù)達(dá)輕旱以上等級的日期。在干旱發(fā)生期，當(dāng)CI連續(xù)2 d為無旱等級時(shí)干旱解除，同時(shí)干旱過程結(jié)束，結(jié)束日期為最后1次CI指數(shù)達(dá)無旱等級的日期。干旱過程開始到結(jié)束期間的時(shí)間為干旱持續(xù)時(shí)間。

1.2.4 趨勢分析。氣候變化分析使用了趨勢分析方法，其中線性修正趨勢分析法是根據(jù)歷史上各期的實(shí)際資料求出平均數(shù)，然后利用求出的平均數(shù)建立趨勢預(yù)測模式，求出趨勢值，在此基礎(chǔ)上計(jì)算折算系數(shù)，最后結(jié)合折算系數(shù)和趨勢預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測的方法[14]。

2 干旱時(shí)空分布特征

2.1 干旱頻次的年變化趨勢

從圖1可看出，近46年來長沙干旱頻率有所下降，速率為0.007 6次/a，干旱的年代際變化明顯，呈三峰型。20世紀(jì)70年代—80年代初干旱頻次緩慢增大，在1983年達(dá)到峰值，達(dá)5.7次/a；80年代中期—90年代中期，干旱頻次明顯減少，在1994年達(dá)到谷值，為0.3次/a， 1995和1996年有一次明顯躍增，1995年達(dá)4.0次/a， 1996年達(dá)5.7次/a；之后，干旱頻次明顯減少，在2002年達(dá)到谷值，為1.0次/a，隨后干旱頻次再次增加，在2011年達(dá)到46年的最大值，為6.0次/a，隨后干旱頻次減少。20世紀(jì)70年代、80年代、90年代、2000—2009年、2010—2016年干旱頻次的平均值分別為3.6、4.3、3.2、3.3、3.6次/a，說明20世紀(jì)80年代干旱整體發(fā)生頻繁。

2.2 干旱日數(shù)的變化特征

從圖2可看出，近46年來長沙、瀏陽、寧鄉(xiāng)三站干旱日數(shù)的年際變化基本一致。長沙地區(qū)年干旱日數(shù)為6 d（1994年）～186 d（2007年），多年平均干旱日數(shù)為73 d，每一年都會(huì)出現(xiàn)干旱，且年代際變化比較明顯，70、80年代年干旱日數(shù)在平均值附近上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度80年代比70年代大；到了90年代，長沙干旱日數(shù)基本在平均值以下，2000年以后，波動(dòng)幅度明顯增大， 2007年干旱日數(shù)達(dá)到最大，為186 d。

從年干旱日數(shù)線性趨勢看（圖2），長沙、瀏陽、寧鄉(xiāng)三站年干旱日數(shù)均呈下降趨勢，平均下降速度為0.4 d/a，其中長沙站下降速度最慢，為0.2 d/a，瀏陽站下降速度最快，為0.6 d/a。

從圖3可看出，近46年來長沙地區(qū)最長干旱持續(xù)天數(shù)和干旱總?cè)諗?shù)的年變化對應(yīng)較好。長沙地區(qū)年最長干旱持續(xù)天數(shù)呈下降趨勢， 平均下降速度為0.2 d/a。20世紀(jì)70—80年代最長干旱持續(xù)天數(shù)的波動(dòng)幅度較大，到了90年代，最長干旱持續(xù)天數(shù)基本在平均值以下，2003年最長干旱持續(xù)天數(shù)為最低值，不足3 d，但到2004年最長干旱持續(xù)天數(shù)有一個(gè)飛快躍增，達(dá)140 d。2004—2016年是呈一個(gè)緩慢遞減的狀態(tài)。

從圖4可看出，長沙、瀏陽、寧鄉(xiāng)三站在46年間大多數(shù)年份以輕旱為主，中旱、重旱次之，特旱比較少見，且出現(xiàn)的年份基本一致，可見干旱分級特征具有較高的空間一致性，因此3區(qū)平均的年分級干旱日數(shù)年際變化具有一定的代表性。1978年之前，長沙地區(qū)以輕旱和中旱為主，每年平均在40 d左右，重旱的時(shí)間分布呈單峰型，特旱幾乎沒有出現(xiàn)；1979—1992年，干旱程度顯著增強(qiáng)，幾乎每年都有特旱發(fā)生；1993—2002年，干旱程度明顯緩解，中旱、重旱、特旱都鮮有發(fā)生；2003—2015年，干旱程度再度增強(qiáng)，尤其是2007年，中旱、重旱、特旱分別達(dá)72、59、17 d。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年

圖5顯示，1971—2016年長沙地區(qū)各年代干旱等級均以輕旱（46%～57%）為主，中旱（29%～35%）、重旱（10%～16%）次之，特旱（3%～6%）最少，其中20世紀(jì)80年代干旱程度最輕，輕旱占57%，特旱僅占比3%；2000—2009年干旱程度最重，輕旱占47%，特旱和重旱占比21%。

2.3 干旱氣象成因分析

長沙區(qū)域內(nèi)每年都有不同程度的干旱發(fā)生，冬旱、春旱、夏秋干旱（夏秋干旱又包括夏旱、秋旱和夏秋連旱）均有出現(xiàn)，但以夏秋干旱最為常見，年年都有發(fā)生，持續(xù)時(shí)間最長。近46年來長沙地區(qū)干旱日數(shù)呈明顯的單峰型，從2月開始至8、9月，干旱日數(shù)顯著增加，從50 d左右增加至500 d，10月以后干旱日數(shù)顯著減少（圖6）。

夏秋干旱最主要的氣象原因?yàn)榇髿猸h(huán)流的影響。大氣環(huán)流的規(guī)律性運(yùn)動(dòng)和異常是形成長沙規(guī)律性干旱和特大干旱的主要因素。常年6月以后，長沙地區(qū)常受西伸北躍的西太平洋副熱帶高壓控制，雨帶北移，各地雨季相繼結(jié)束，天氣晴朗，氣溫高，南風(fēng)大，蒸發(fā)強(qiáng)，引起干旱發(fā)生。如常年7—9月，長沙總雨量多在300 mm以下，水分的不足常常引起旱象出現(xiàn)；大氣環(huán)流異常，前期副熱帶高壓很弱，脊線位置偏南，在長沙冷暖空氣交匯少，雨季降水不足，后期副熱帶高壓過強(qiáng)、過早并長時(shí)間控制長沙地區(qū)，則出現(xiàn)長期無雨或少雨的現(xiàn)象，引起嚴(yán)重干旱。氣溫高、蒸發(fā)量大是形成干旱的又一個(gè)重要原因。6—9月是一年中月平均氣溫最高的4個(gè)月份。持續(xù)酷暑高溫，使蒸發(fā)量大增，若遇長時(shí)間少雨天氣，干旱程度愈加嚴(yán)重。

3 干旱對森林火災(zāi)的影響

3.1 干旱與森林火災(zāi)

統(tǒng)計(jì)2003—2015年長沙市森林火災(zāi)的發(fā)生次數(shù)和火災(zāi)受災(zāi)面積情況（圖7）發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)次數(shù)和受災(zāi)面積均表現(xiàn)為2009年前數(shù)值較大，2009年后數(shù)值減少明顯。

將2003—2015年森林火災(zāi)受災(zāi)次數(shù)面積與相對應(yīng)時(shí)段的干旱日數(shù)、頻次進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)分別為0.25和0.20，相關(guān)系數(shù)不高，但通過α=0.10信度檢驗(yàn)。說明森林火災(zāi)次數(shù)面積與干旱日數(shù)、干旱頻次有一定的對應(yīng)關(guān)系。進(jìn)一步分析2009年之前發(fā)生森林火災(zāi)情況發(fā)現(xiàn)，森林火災(zāi)一般發(fā)生在干旱持續(xù)時(shí)間比較長的時(shí)段內(nèi)。引入最長持續(xù)干旱天數(shù)指標(biāo)（圖3），2003—2015年最長持續(xù)干旱天數(shù)總體趨勢也表現(xiàn)為2009年以后明顯減少，6階多項(xiàng)式曲線的波峰與森林火災(zāi)次數(shù)、受災(zāi)面積基本一致，在2007年前后，最長持續(xù)干旱天數(shù)與森林火災(zāi)次數(shù)、受災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù)分別是0.42、0.45，明顯比年干旱日數(shù)、干旱頻次與森林火災(zāi)次數(shù)、受災(zāi)面積的相關(guān)性好，且通過了α=0.05的信度檢驗(yàn)。

3.2 森林火災(zāi)個(gè)例

干旱是在氣溫、降水等氣象因子共同作用下發(fā)生。干旱情況下，降水較少，空氣濕度低，蒸發(fā)大，可造成植被含水量下降，而可燃物含水率與森林火災(zāi)的發(fā)生有密切關(guān)系[15-16]。從長沙2007年溫度和降水狀況看，長沙年平均氣溫為18.5 ℃，較常年偏高1.4 ℃，屬異常偏高年份，超過2006和1998年極值0.3 ℃， 成為第一高值年。從季節(jié)年（前一年12月—當(dāng)年11月）來看，整體偏高1.4 ℃（表1）。

2007年全市降水偏少3成，年總降水量僅為997.3 mm（表2），各站超過歷史最小值年，成為有記錄以來最小值年；上半年偏少3～4成，下半年除寧鄉(xiāng)偏少14%外，其他站偏少近3成。

2007年長沙出現(xiàn)春旱、特大春夏連旱、特大秋冬連旱，因此造成森林火災(zāi)頻發(fā)。全市共發(fā)生森林火災(zāi)302起，受災(zāi)森林面積達(dá)335.39 hm2，損失林木、成林蓄積3 831.8 m3；森林火災(zāi)主要集中在2、4、8、12月，以4月最多，占全年的36%，火災(zāi)大多發(fā)生在干旱時(shí)段內(nèi)，尤其8、12月主要因?yàn)楦珊怠Ｓ杀?可知，長沙森林火災(zāi)基本發(fā)生在干旱連晴天氣時(shí)段內(nèi)，部分火災(zāi)由于干旱撲滅困難。

4 結(jié)論與討論

利用1971—2016年長沙市常規(guī)氣象資料，計(jì)算綜合氣象干旱指數(shù)，對長沙地區(qū)干旱的時(shí)空分布特征及氣象成因進(jìn)行分析，并利用2003—2015年森林火災(zāi)資料進(jìn)一步研究干旱對森林火災(zāi)的影響，得出以下結(jié)論。

（1）近46年來長沙地區(qū)干旱頻率有所下降，速率為0.007 6次/a，干旱的年代際變化明顯，呈三峰型。20世紀(jì)80年代干旱整體發(fā)生頻繁。

（2）近46年來長沙地區(qū)平均干旱日數(shù)為73 d，且年代際變化比較明顯。長沙、瀏陽、寧鄉(xiāng)3站干旱日數(shù)年際變化基本一致，均呈下降趨勢，其中長沙站下降速度最慢，瀏陽站下降速度最快。

（3）1971—2016年長沙地區(qū)最長干旱持續(xù)天數(shù)和干旱總?cè)諗?shù)的年變化對應(yīng)較好。最長干旱持續(xù)天數(shù)呈下降趨勢，平均下降速度為0.2 d/a。2004年最長干旱持續(xù)天數(shù)有一個(gè)飛快躍增，達(dá)到140 d。

（4）長沙、瀏陽、寧鄉(xiāng)3站在46年間大多數(shù)年份以輕旱為主，中旱、重旱次之，特旱比較少見，且出現(xiàn)的年份基本一致，干旱分級特征具有較高的空間一致性。

（5）長沙地區(qū)以夏秋干旱最為常見，持續(xù)時(shí)間最長。夏秋干旱最主要的氣象原因?yàn)榇髿猸h(huán)流的影響。氣溫高、蒸發(fā)量大是形成干旱的又一個(gè)重要原因。干旱情況下，森林等植

表3 2007年長沙地區(qū)干旱與森林火災(zāi)情況

Table 3 Drought and forest fires in Changsha area in 2007

時(shí)間Time 干旱情況Drought situation 森林火災(zāi)情況Forest fires situation

1—3月January-March 8 d 1月末連續(xù)8 d的連晴干燥天氣催生了十余起森林火災(zāi)

4月April 4月11—28日 4月上中旬就發(fā)生104起火警，到4月末，受災(zāi)面積達(dá)120 hm2

5月May 5月5—31日 發(fā)生林火239起，受災(zāi)面積15.06 hm2

6—8月June-August 連續(xù)2個(gè)月持續(xù)干旱 由于干旱導(dǎo)致山塘缺水，長沙縣星沙鎮(zhèn)的一起森林大火撲救延誤

9—12月September - December 10月9日—12月20日 11月26日寧鄉(xiāng)縣一次森林大火，持續(xù)近28 h，燒毀山林20 hm2以上

被含水率下降，下降到一定程度，森林火災(zāi)容易發(fā)生。2007年的火災(zāi)情況分析表明，森林火災(zāi)多發(fā)生在干旱條件下的連晴時(shí)段內(nèi)。

森林火災(zāi)部分由人為原因引發(fā)， 上述分析由于資料限制，沒有排除人為原因火災(zāi)，如在火災(zāi)情況分析中，能剔除掉部分人為原因火災(zāi)，則干旱對森林火災(zāi)影響分析能夠更加客觀。

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