張 恒，孫子健，張運(yùn)林，金 森，王玉霞

（1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010019）

森林火災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大，嚴(yán)重影響森林生態(tài)系統(tǒng)的平衡［1］。地表細(xì)小可燃物的含水率作為林火預(yù)報(bào)的重要因子決定著林火發(fā)生的可能性及一系列的火行為［2－3］，因此，掌握林火發(fā)生和發(fā)展的變化首先需精確掌握細(xì)小可燃物含水率的變化［4］，地表細(xì)小可燃物含水率的研究對(duì)于火險(xiǎn)預(yù)報(bào)意義重大［5－6］。目前，細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)的氣象要素回歸法簡(jiǎn)單實(shí)用，通過(guò)分析各種氣象因子（降水量、風(fēng)速、氣溫和濕度等），建立相應(yīng)的含水率預(yù)測(cè)模型，小尺度范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)精度高［7-9］。20世紀(jì)20年代，國(guó)外學(xué)者［10－12］就建立過(guò)有關(guān)氣象要素回歸法的含水率預(yù)測(cè)模型，中國(guó)學(xué)者［13－17］也建立了若干森林細(xì)小可燃物含水率氣象要素預(yù)測(cè)模型。細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)模型獲取氣象數(shù)據(jù)主要有以下幾種方法：①歷史資料。主要來(lái)自各地市氣候中心編制的氣象資料，數(shù)據(jù)類別比較單一。②實(shí)時(shí)和整編匯總歷史氣象數(shù)據(jù)。主要來(lái)自各氣象臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)及中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn/），氣象數(shù)據(jù)類別完整，包括逐年、逐月和逐日數(shù)據(jù)［18］。③手持小型氣象站或在樣地內(nèi)設(shè)置便攜式移動(dòng)氣象站，進(jìn)行短期監(jiān)測(cè)。其中方法一和方法二得到的氣象數(shù)據(jù)大部分都從林外架設(shè)的氣象臺(tái)站獲取的，而林內(nèi)小氣候與外界差異很大，在一定程度上對(duì)含水率預(yù)測(cè)精度造成影響；雖然方法三得到的是林內(nèi)氣象數(shù)據(jù)，但進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)不現(xiàn)實(shí)，實(shí)際中很難開(kāi)展。獲取氣象數(shù)據(jù)的位置與細(xì)小可燃物含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離遠(yuǎn)近對(duì)模型精度影響和誤差具體有多大，對(duì)未來(lái)開(kāi)展氣象要素回歸法進(jìn)行含水率預(yù)測(cè)研究意義重大［17］。為解決以上問(wèn)題，本研究以大興安嶺盤古和塔河的細(xì)小可燃物含水率為研究對(duì)象，分析不同距離氣象要素對(duì)細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)模型精度的影響。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

盤古林場(chǎng)位于大興安嶺塔河林業(yè)局（52°41′57.1″N， 123°51′56.5″E）， 塔河氣象站距離盤古氣象站為96 km，實(shí)驗(yàn)樣地與盤古氣象站距離不到10 km。 寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫為－5.0℃，年降水量為350～500 mm，降水集中于7－8月，相對(duì)濕度為70%～75%，常出現(xiàn)高溫低濕及大風(fēng)天氣。植被類型是以興安落葉松Larix gmelinii為優(yōu)勢(shì)的寒溫帶針葉林［19－20］，主要林分類型為樟子松Pinus sylvestris var.mongolica-興安落葉松-白樺Betula platyphylla混交林，樟子松林和白樺林，還有少量的紅皮云杉Picea koraiensis林。春秋兩季為森林防火多發(fā)期［17］。

1.2 細(xì)小可燃物含水率和氣象因子監(jiān)測(cè)

野外觀測(cè)日期為2010年5月29日至6月27日（春季森林防火期）和9月23日至10月13日（秋季森林防火期），共50 d。在盤古林場(chǎng)陽(yáng)坡選白樺林、樟子松林和興安落葉松林等3種林型，樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 樣地信息Table 1 Information of sampling plots

1.2.1 細(xì)小可燃物含水率監(jiān)測(cè) 在每個(gè)樣地內(nèi)，在林中空地和樹(shù)冠下細(xì)小可燃物分布較均勻處設(shè)置樣筐，分別挖取20.0 cm×20.0 cm小樣方1個(gè)·點(diǎn)－1。由于可燃物層密實(shí)度是影響火行為的一個(gè)重要因素，測(cè)量并計(jì)算可燃物厚度、質(zhì)量和體積，并最終得到可燃物密實(shí)度（表2），然后保持其自然狀態(tài)，分別放入樣筐中，再放回原位，保持可燃物的原始狀態(tài)。使用5號(hào)塑料方篩（265.0 mm×205.0 mm×85.0 mm），在其底部及四壁用尼龍網(wǎng)（18目，1.0 mm）加襯，上方加蓋粗眼尼龍網(wǎng)（8目，2.5 mm），并在盛裝樣品后使用尼龍?jiān)K固定，以防止新凋落的樹(shù)木葉片進(jìn)入到容器內(nèi)，也避免容器內(nèi)的樣品因風(fēng)或小型動(dòng)物的活動(dòng)而變化。樣筐上掛上號(hào)牌，號(hào)牌上記錄樣地與樣點(diǎn)編號(hào)，以免重復(fù)觀測(cè)時(shí)發(fā)生混淆。使用塑料容器而沒(méi)有使用金屬容器的原因是，金屬容器長(zhǎng)期處在潮濕環(huán)境中會(huì)發(fā)生銹變而影響質(zhì)量。每日14：00（誤差＜10 min），按同樣的樣地順序稱量樣筐2個(gè)·樣地－1的質(zhì)量并記錄，記做濕質(zhì)量。稱量時(shí)小心取出容器，不破壞容器中可燃物和周圍可燃物的結(jié)構(gòu)。為了便于在野外稱量，選用便攜式電子天平［美國(guó)雙杰（G&G）生產(chǎn)的JJ600Y型］，稱量時(shí)使用預(yù)先制作的折疊板在地表水平展開(kāi)，安置并校準(zhǔn)天平后在板盒內(nèi)進(jìn)行稱量，以排除風(fēng)的干擾。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)采集 氣象數(shù)據(jù)由塔河林業(yè)局氣象站和盤古林場(chǎng)氣象觀測(cè)站獲得，包括2010年5月24日至6月27日（春季森林防火期）和9月18日－10月13日（秋季森林防火期），共60 d，于采樣前5日起采集氣象數(shù)據(jù)。采集氣象要素包括日每小時(shí)平均氣溫（T），相對(duì)濕度（H）和風(fēng)速（W），以及日降水量（R）和前n d降水量之和（Ran）。

表2 3種林型下可燃物床層結(jié)構(gòu)的量化Table 2 Quantification of bed structure of combustible materials under three forest types

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Pearson法對(duì)氣象因子和細(xì)小可燃物含水率進(jìn)行相關(guān)性分析，并作Duncan差異顯著性檢驗(yàn)，采用配對(duì)t檢驗(yàn)比較不同對(duì)照的精度差異。利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和建模，利用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

1.3.1 細(xì)小可燃物含水率計(jì)算 細(xì)小可燃物含水率計(jì)算公式：

式（1）中：M為細(xì)小可燃物含水率（%）；mH為細(xì)小可燃物濕質(zhì)量（g）；mD為細(xì)小可燃物干質(zhì)量（g）。采用2個(gè)不同郁閉度含水率的算術(shù)平均值作為該樣地當(dāng)日14：00時(shí)采樣方法的含水率，春季數(shù)據(jù)共30 d（組）， 秋季數(shù)據(jù) 20 d（組）。

1.3.2 氣象數(shù)據(jù)處理 整理塔河林業(yè)局氣象站和盤古林場(chǎng)氣象站提供的氣象數(shù)據(jù)：前n（n=1～5）d氣象因子（累積量）、n d前當(dāng)日氣象因子（當(dāng)日量）等，其中前n d氣象因子和n d前當(dāng)日氣象因子以采樣當(dāng)日0：00為基準(zhǔn)。將前幾天氣象因子設(shè)為a，幾天前當(dāng)日氣象因子設(shè)為b，均以下標(biāo)表示，其后數(shù)字代表n值，如4 d前當(dāng)日平均氣溫記為Tb4，前3 d降水量之和記為Ra3，前2 d平均相對(duì)濕度記為Ha2，連旱天數(shù)記為d。

1.3.3 不同距離氣象數(shù)據(jù)對(duì)模型精度的誤差 根據(jù)Pearson相關(guān)性分析確定對(duì)細(xì)小可燃物含水率有顯著影響的因子，剔除實(shí)驗(yàn)中的異常數(shù)據(jù)后，以每個(gè)樣地的細(xì)小可燃物含水率或全部的含水率（以下稱混合數(shù)據(jù)）為因變量，以氣象要素為自變量通過(guò)逐步回歸方法建立多元線性方程。具體形式為：

式（2）中：M為細(xì)小可燃物含水率（%）；Xi為所選用的氣象因子；bi為待估計(jì)參數(shù)，采用混合數(shù)據(jù)建模的目的是確定該方法能否提高模型精度。采用n-Fold交叉驗(yàn)證法［21］計(jì)算模型精度［22］對(duì)于某樣地的n個(gè)含水率數(shù)據(jù)，用n－1個(gè)含水率和氣象要素進(jìn)行逐步回歸，建立多元線性模型，然后用剩余的一個(gè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，計(jì)算誤差，重復(fù)n次。計(jì)算平均誤差，對(duì)不同對(duì)照的誤差進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（配對(duì)t檢驗(yàn)），顯著性水平為 α=0.05［23］， 誤差按式（3）和式（4）計(jì)算。

式（3）和式（4）中：Mi為細(xì)小含水率實(shí)測(cè)值（%），M＾i為細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)值（%），n為樣本數(shù)。繪制利用不同數(shù)據(jù)建模進(jìn)行比較分析的混合模型實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的1∶1線，用以研究預(yù)測(cè)效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)小可燃物含水率與氣象因子的相關(guān)關(guān)系

圖1給出了3個(gè)林型采樣細(xì)小可燃物含水率和實(shí)驗(yàn)地不同距離的盤古和塔河氣象站提供的有顯著關(guān)系的氣象因子之間的Pearson相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明：不同距離的氣象因子與不同林型細(xì)小可燃物含水率的影響因子相關(guān)性存在差異。利用盤古氣象站數(shù)據(jù)構(gòu)建的氣象因子中日降水量（R）和Ran，以及平均相對(duì)濕度（Han）（n=1～2）顯著正相關(guān)。另外，春季和秋季分別與日最高氣溫（Tmax）和連旱天數(shù)（d）呈顯著負(fù)相關(guān)，n（n=1～5）d前當(dāng)日氣象因子對(duì)細(xì)小可燃物含水率也有影響，但不如前3類因子更普遍，利用塔河氣象站數(shù)據(jù)構(gòu)建的氣象因子中與細(xì)小可燃物含水率相關(guān)性較強(qiáng)的都是與濕度相關(guān)的因子（Ha1和Ha2），氣溫和風(fēng)速與含水率相關(guān)性較差。因此，在進(jìn)行含水率預(yù)測(cè)時(shí)，只需采用濕度和降水量2個(gè)變量即可。

圖1 細(xì)小可燃物含水率與氣象因子相關(guān)性分析Figure 1 Correlation analysis between moisture content and meteorological factors

2.2 不同距離氣象要素對(duì)細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

通過(guò)多元線性逐步回歸篩選出不同氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)模型所采用的預(yù)測(cè)因子以及模型參數(shù)（表3，表4），盤古模型日降水量（R）和Ran，前1 d降水量和Ra1以及前2 d平均相對(duì)濕度Ha2是影響細(xì)小可燃物含水率變化最重要的因子，塔河模型采樣前1 d的降水量和濕度為主要影響因子。

2.3 不同距離氣象數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)模型精度的影響

由圖2可知：采用盤古氣象數(shù)據(jù)建模的8個(gè)含水率的平均相對(duì)誤差（EMR）為42.0%，平均絕對(duì)誤差（EMA）為9.4%，而采用塔河氣象數(shù)據(jù)建模的EMR和EMA分別為64.6%和12.1%。利用盤古氣象數(shù)據(jù)建模的2種誤差都要低于塔河數(shù)據(jù)。另外，全部數(shù)據(jù)混合建模的誤差還要高于某些單獨(dú)建模的誤差，并沒(méi)有改善模型的精度。主要原因是不同采樣地的細(xì)小可燃物含水率對(duì)不同氣象因素的響應(yīng)不同。

對(duì)不同氣象數(shù)據(jù)建模的2種誤差進(jìn)行t檢驗(yàn)結(jié)果表明：盤古模型的EMA（n=8，t=－4.155，P＜0.01），EMR（n=8，t=－4.258，P＜0.01）極顯著低于塔河模型；對(duì)于春季2種氣象模型t檢驗(yàn)的結(jié)果表明：盤古模型與塔河模型的 EMA（n=4， t=－2.707， P=0.073）差異不顯著， 而 EMR差異顯著（n=4， t=－3.387，P＜0.05）。秋季盤古模型的EMA顯著低于塔河模型（n=4，t=－3.274，P＜0.05），EMR極顯著低于塔河模型（n=4，t=－8.151，P＜0.01）?？傮w上，2種誤差變化趨勢(shì)基本一致。3個(gè)林型在春季和秋季，盤古模型的2種誤差都要顯著低于塔河模型。這表明利用盤古氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的效果更好?？傮w來(lái)說(shuō)，利用不同距離的氣象數(shù)據(jù)建模對(duì)模型精度的影響很大，距離試驗(yàn)地較近的盤古氣象數(shù)據(jù)模型的預(yù)測(cè)效果最好，而塔河模型

的誤差較大，預(yù)測(cè)效果不好。

表3 盤古細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)模型Table 3 Prediction model of moisture content of fine fuel in Pangu

表4 塔河細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)模型Table 4 Prediction model of moisture content of fine fuel in Tahe

圖2 2種氣象數(shù)據(jù)模型誤差對(duì)比Figure 2 Comparison of errors in the two meteorological models

由圖3可知：盤古春季細(xì)小可燃物含水率顯然比塔河春季更加靠近1∶1線，塔河數(shù)據(jù)在含水率高于90%段離散程度加大，且存在較低實(shí)測(cè)值而預(yù)測(cè)偏高的情況，相對(duì)來(lái)說(shuō)，秋季盤古和塔河數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離程度相差不大，盤古模型相對(duì)于塔河模型實(shí)測(cè)細(xì)小可燃物含水率高于50%的樣點(diǎn)較多，預(yù)測(cè)偏高。這表明：盤古氣象數(shù)據(jù)所建模型的預(yù)測(cè)精度更高。

圖3 不同氣象數(shù)據(jù)模型細(xì)小可燃物含水率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)照Figure 3 Comparison of measured and predictive values by meteorological data of different methods

3 結(jié)論與討論

本研究使用距離試驗(yàn)地不同的氣象數(shù)據(jù)建立的細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)模型的精度差異明顯。塔河氣象站與盤古氣象站距離為96 km，從氣象距離角度劃分，100 km左右屬于中尺度距離。實(shí)驗(yàn)樣地與盤古氣象站的距離不到10 km。小氣候與大氣候之間有著密切的關(guān)系，任一地點(diǎn)的各個(gè)氣象要素值，總是由大氣候背景與小氣候疊加而成的。細(xì)小可燃物含水率與前幾日降水量（R）和Ran以及前幾日平均相對(duì)濕度Han關(guān)系最為密切。小氣候的變化能夠更直接地作用于可燃物本身，但受地理等條件影響，細(xì)小可燃物含水率對(duì)氣象要素的響應(yīng)有一定滯后，甚至不符，宏觀的天氣狀況與微觀的細(xì)小可燃物含水率變化存在一定的偏差。從研究結(jié)果來(lái)看，小尺度盤古氣象數(shù)據(jù)更能反映細(xì)小可燃物含水率變化的真實(shí)情況，預(yù)測(cè)效果也更好。

不同距離的氣象數(shù)據(jù)對(duì)模型精度的影響有顯著的差異，利用模型外推進(jìn)一步表明氣象要素回歸法外推誤差與距離不完全成正比，可能和局域林分的特點(diǎn)有很大關(guān)聯(lián)。在多大范圍內(nèi)可建立一個(gè)較為通用的氣象模型還需要更深一步的研究［24］。若將本研究結(jié)果外推至全國(guó)其他地區(qū)的細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)模型中，由于森林生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性和復(fù)雜性，還要充分考慮到不同的地形條件和林分條件。

氣象要素回歸法對(duì)數(shù)據(jù)的要求高，所以氣象因子選取時(shí)應(yīng)充分考慮物理因素對(duì)準(zhǔn)確性的影響［25］。本研究雖滿足此類研究的精度要求，但也存在一定的局限性：①本研究的氣象條件屬于既無(wú)干旱少雨也無(wú)潮濕多雨的中等條件，因此，所反映的細(xì)小可燃物含水率動(dòng)態(tài)只是平均水平［17］，需開(kāi)展更為全面的氣象要素影響下的研究。②地形、小氣候等自然因素對(duì)氣象要素存在一定的干擾，使得不同距離氣象數(shù)據(jù)結(jié)合細(xì)小可燃物含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行建模存在一定差異［26］。③細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)的時(shí)間尺度越小，模型的精度越高［27－28］。因此，今后，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展更為精確和多種尺度的相關(guān)研究，以完善細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)模型的精度。

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