楊美清，姚啟超，方克艷，董志鵬*

(1.福建師范大學a.地理科學學院，b. 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，福州 350007；2.國家林業(yè)和草原局(國家公園管理局)，北京 100714)

0 引言

森林生態(tài)系統作為地球上最大的陸地生態(tài)系統，具有調節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風固沙等功能，但森林火災會對森林資源、生態(tài)系統和人類生活造成巨大損失和嚴重危害[1-2]。例如，1987年5月6日，大興安嶺地區(qū)發(fā)生建國以來最嚴重的特大森林火災，大火燃燒了28天，境內森林受害面積101萬hm2，211人喪生，5萬余人受災，間接經濟損失達69.13億元[3]，2019年3月30日，四川涼山木里縣發(fā)生森林火災，造成30名撲火人員犧牲[4]。2000年以來，中國年均發(fā)生森林火災約6 609起，受害森林面積78 918.5 hm2，因災傷亡98人[5]。因此，進行森林火災監(jiān)測預警對森林生態(tài)安全及人民的生命、財產安全有重要作用。

全球氣候變暖對野外火災產生較大影響，大量研究表明野外火災發(fā)生面積和發(fā)生率將增加，火災發(fā)生的季節(jié)將變長[6-8]?；馂奈ｋU是對火災環(huán)境的固定因素和可變因素(例如可燃物、天氣和地形)的評估，這些因素決定著火的難易程度、蔓延速度、控制難度和火災影響[9]。系統地評估和整合影響火災危險的各個因素的過程稱為火災危險等級劃分。火災危險等級系統會產生潛在火災的定性或定量指標，這些指標可作為預防著火、火災探測、滅火資源部署和調度、大型火災管理、戰(zhàn)略規(guī)劃和可燃物管理等各種火災管理活動的指南[10]。這些有效的火災管理活動可以減少火災的危害。加拿大森林火險等級系統(Canadian Forest Fire Danger Rating System，CFFDRS)在世界各地得到了廣泛的應用，其重要組成部分——加拿大森林火災天氣指數系統(Fire Weather Index，FWI)已被應用或校準后應用于北美州、南美州、歐洲以及亞洲等地[11]。本研究闡述了加拿大森林火災天氣指數系統的原理、基本結構、發(fā)展過程，著重考察了FWI系統在世界范圍內的校準及應用情況，這些經驗有助于將FWI系統應用于不同環(huán)境中，最后對如何建立更適用于中國火災特點的FWI系統提出了建議。

1 加拿大森林火災天氣指數系統

1.1 加拿大森林火災天氣指數系統發(fā)展概況

隨著計算機等高新技術的迅速發(fā)展，出現了許多森林火險等級預報系統，成為林火管理的有力工具。1925年，Wright在加拿大開展森林火險等級的研究，主要研究天氣要素、可燃物含水量和火行為之間的關系。到20世紀60年代末，ForCan團隊開始著手建立一個國家火災危險等級系統，在1969年發(fā)布了加拿大森林火險等級系統的第一個子系統——加拿大森林火災天氣指數系統的臨時版本。隨后在1970年正式發(fā)布第一版，后來分別在1976、1978和1984年更新了這個系統。目前的FWI系統保留了早期系統的最佳特性，加入了新的模塊，比之前發(fā)布的系統更為復雜[12]。

FWI系統是全球最常用的火災天氣危險等級指數系統之一[11]，該指標體系建立在大量點火試驗、天氣資料以及火災資料的基礎上，理論基礎為時滯平衡含水率理論，將氣象條件、地理位置、日照時數與可燃物含水率有機地聯系起來。FWI系統需要輸入當日當地13:00時的溫度、相對濕度、風速和24 h降水量，通過氣象因子的變化計算可燃物含水率的變化，再根據不同大小或位置的可燃物含水率確定潛在火險等級。該系統將可燃物含水率與火險大小有機地結合在一起，其框架得到了世界森林防火界的普遍認同[13-14]。

1.2 FWI系統的基本結構

FWI系統由6個部分組成[11]。前3個是可燃物水分代碼：細小可燃物濕度碼(Fine Fuel Moisture Code，FFMC)、粗腐殖質濕度碼(Duff Moisture Code，DMC)和干旱碼(Drought Code，DC)。跟蹤不同干燥速率下的3層森林可燃物的日変化，對于火災的發(fā)生、蔓延和控制難度至關重要，同時這也是FWI系統的主要優(yōu)勢之一[13]。后3個部分是火災行為指標，分別代表擴散率、可燃物重量消耗和火災強度。各指標的物理意義如下[15-18]：

細小可燃物濕度碼，表示森林地被物中干質量為0.25 kg·m-2，厚度為1～2 cm的林分凋落物和其他固化的細小可燃物的含水率。它由溫度、相對濕度、風速、前24 h降水量以及前一日的FFMC值計算得到，取值范圍為0～99，FFMC值越高，林火發(fā)生的概率越大。粗腐殖質濕度碼，表示林地中5～10 cm深，干燥時重約5 kg·m-2，經過有機物分解后，變成松散結構的可燃物層的水分含量，由溫度、相對濕度、前24 h降雨量和前一日的DMC值確定。這一層的粗腐殖質為火災的發(fā)生提供了主要的可燃物，因此其水分含量對林火強度具有重大影響。DMC值大小表示林火的強度，無上限。

干旱碼，表示深層細密有機物組成的可燃物含水量，深度約為10～20 cm，干燥時重約25 kg·m-2，由溫度、前24 h降水量、緯度、月份和前一日DC確定，其值可用于評估是否發(fā)生地下火、火場清理及火勢控制難易程度，無上限。

初始蔓延指標(Initial Spread Index，ISI)，表示林火發(fā)生后最初時刻的蔓延速度(m·s-1)，由風速和FFMC計算得出的一個中間指標，它與可燃物林火行為預報系統相結合可預報不同類型林火蔓延速度的大小。

累積指標(Build Up Index，BUI)，表示有利于火勢蔓延的全部可燃物，是DMC和DC的組合。可燃物越多導致BUI值越高，火強度越大。因為粗腐殖質層中的可燃物最多，所以DMC對BUI具有重要影響。

林火天氣指標(Forest Fire Weather Index,FWI)，以單位火線長度上的能量釋放率表示火災蔓延強度，也反映火險程度，是由初始蔓延指標和累積指標決定的最終指標。

2 FWI系統的校準

FWI系統最初在火災危險等級方案中實施，火災危險等級的基礎是根據歷史火災天氣和火災發(fā)生數據分析得出的FWI系統值與火災活動之間的相關性。另外，火災危險等級還必須考慮火災管理目標，而解釋火災等級主要取決于火災風險值和可用的火災管理資源或工具。

FWI系統的設計初衷是為了預防加拿大北美短葉松與扭葉松發(fā)生火災。但是不同地區(qū)發(fā)生火災的原理相同，如：不同地區(qū)火災中可燃物按照相同的物理原理獲取和損失水分；不同地區(qū)火災發(fā)生時對可燃物、天氣與地形能夠做出相同的反應[11]，因此世界各地不同的生態(tài)系統均可將FWI系統中的3個可燃物水分代碼作為可燃物濕度的相關指標。這使得FWI已經成為全球最常用的火災天氣等級系統，一些國家已全部或部分實施了FWI系統，包括北美(美國)、南美(如智利、墨西哥)、歐洲(如俄羅斯)、大洋洲等?；馂墓芾聿块T利用可燃物濕度和火災行為指數來估計每天的火災發(fā)生情況、潛在的火災行為以及區(qū)域的滅火難度，同時協助向火災高發(fā)區(qū)部署滅火資源[19]，這些經驗有助于將火災危險等級知識從一個環(huán)境應用到另一個環(huán)境中。各地區(qū)的氣候、可燃物類型、火災狀況以及火災管理活動不同，因此很多國家在使用FWI系統時需要校準，表1為FWI系統的校準方法及其校準效果。

表 2 FWI的校準及校準效果Table 2 Calibration and calibration effects of FWI

3 FWI系統的應用

FWI作為全球最常用的火災天氣等級系統，其應用和研究區(qū)域較為廣泛，圖1為FWI系統在世界的應用與研究區(qū)域。

圖 1 FWI系統在世界的應用與研究區(qū)域示意 Figure 1 Application and research of FWI system in the world

3.1 北美地區(qū)

許多研究將FWI系統組件與加拿大境內每天、每月和每年的火災發(fā)生率和燃燒面積相聯系[32-33]。例如，Anderson[32]發(fā)現，一個包含FWI系統值和雷擊次數的模型正確地預測了加拿大薩斯喀徹溫省在5年內因雷擊引發(fā)的火災次數的56%，正確預測了90%的低風險火災天數。Waddington[34]發(fā)現DMC和DC可以預測北方泥炭地的總體水分狀態(tài)和火災危險。

FWI的輸出被用于許多研究中，如開發(fā)火災發(fā)生的模型、林冠燒焦高度和樹木死亡率模型、地面燃燒的厚度(火災期間森林地面的消耗量模型)、預測雷擊著火概率以及加拿大各地區(qū)的燃燒面積，該系統還為研究氣候變化對加拿大森林火災的影響奠定了基礎，目前也在加拿大森林年度碳預算中用于估算火災造成的碳損失[13]。

美國阿拉斯加野外火災研究團隊在1990年[35]也因為阿拉斯加州和加拿大北部的可燃物類型相似而采用了FWI系統。自此，美國北部的其他州也開始采用這個系統，Abatzoglou[36]和Piyush Jain[37]分別對美國西部8個區(qū)域和北美大陸的火災天氣和火災危險進行了評估，Piyush Jain發(fā)現北美大部分地區(qū)的火災季節(jié)長度在增加。盡管美國與加拿大的環(huán)境相似，但FWI系統沒有考慮到緯度因素，如日照時間和永久凍土，因此Wilmore[29]和Jandt[38]研究了永久凍土對DMC和DC在濕潤過程和干燥過程中的影響，他們認為可以利用自動化電子設備(如頻域反射計FDR)估計苔蘚和草皮的水分。

3.2 南美地區(qū)

在阿根廷，國家消防管理部門于2000年開始在3個試點地區(qū)使用FWI系統，發(fā)現FWI系統可以準確地代表整個阿根廷在不同生態(tài)系統中的火災。Sigfrido將FWI添加到他們設計的森林火災可視化模擬器中，以表格的形式顯示FWI值和用彩色地圖顯示火災風險，還能在氣象數據更新時計算FWI值，方便消防隊員監(jiān)測區(qū)域的火災風險，并有望用于火災管理、培訓和交流[39]。Patrícia在巴西塞拉多使用FWI系統對火災氣象等級進行評估，獲得的結果證實了FWI系統在模擬全球火災情況中的通用性[40]。然而，Bianchi認為阿根廷的可燃物類型和加拿大具有較大區(qū)別，FWI系統的輸出值仍然需要校準，以更好地顯示火災風險，應用Logistic回歸模型計算各季節(jié)的FFMC，并與實測的MC進行相關分析。結合點火試驗和回歸結果，提出了用于評估巴塔哥尼亞森林的火災危險的FFMC分類[25]。

3.3 大洋洲地區(qū)

新西蘭[41]和斐濟[42]分別在1980年和1988年采用了FWI系統用于評估人工松樹林的火災危險。新西蘭采用FWI系統的部分原因是該系統簡單，氣候和地形條件與加拿大不列顛哥倫比亞省相似，并且存在與FWI系統相關聯的決策輔助工具[11]。新西蘭在應用過程中，除了改變日照長度對低緯度地區(qū)的影響外，由于缺乏技術轉讓以及研究FWI系統如何適應當地環(huán)境的工作，因此該系統沒有得到很好的利用[43]。直到1992年啟動了一項火災研究計劃和技術轉讓方案以解決這些問題，例如在具有不同的氣候和植被環(huán)境的地區(qū)中應用該系統時，提出了兩種改進新西蘭FWI系統干旱編碼DC的方法，第一種方法(PotE)采用了一個潛在蒸發(fā)方案，考慮風速、地表空氣穩(wěn)定性和水汽混合比梯度。第二種方法(soilM)通過觀測土壤水分計算得出DC，此時DC代表土壤的實際情況[26]。

3.4 歐洲地區(qū)

在歐洲，FWI系統經過校準，以描述不同的火災活動。例如Catedrático[22]根據每個地區(qū)的FWI統計數據與每天的火災數量和燃燒面積來校準火險等級。DaCamara采用的方法是綜合使用歐洲氣象中心提供的氣象條件，2000年全球土地覆蓋(GLC2000)的植被覆蓋情況以及衛(wèi)星上的SEVIRI儀器探測到的火災持續(xù)時間進行校準。該方法與現有方法的主要區(qū)別在于，它充分利用了SEVIRI的時間分辨率，每15 min檢測一次火災事件，且基于衛(wèi)星數據具有空間和時間上更加一致的優(yōu)勢，這些用來記錄每天火災持續(xù)時間的數據，對于校準氣象因素和確定火災危險等級至關重要[31]。

另外，研究證明FWI系統特別適合作為歐洲的火險等級系統[10,44-45]，Carvalho[44]發(fā)現葡萄牙每月80%以上火災燃燒面積和63%的火災次數變化可以通過FWI解釋。Fox[45]發(fā)現法國東南部的99次火災中有73%發(fā)生在FWI值≥90的周內，97%的燃燒面積發(fā)生在平均FWI值≥90的周內。因此FWI在歐洲已用于在不同時空尺度上研究FWI和火災活動(火災次數、燃燒面積)的關系或模擬火災活動，并評估大型火災的可能性、特征以及火災排放量[10]。

3.5 東南亞地區(qū)

東南亞地區(qū)為了校準FWI以適應東南亞的火災環(huán)境和火災問題進行了許多研究，通過調整日照時數或每日可燃物干燥時間，直接校準到赤道地區(qū)，再進一步對FWI的3個組件進行校準，以提供泥炭火災造成嚴重霧霾事件的預警(使用DC指數)、大量火災的潛在預警(使用FFMC指數)和草原火災蔓延的潛在預警(使用ISI指數)。在草地上，火災強度只能使用ISI估計，但需使用FBP系統和東南亞的標準可燃物參數，將ISI校準為草地火災控制指標[27]。

3.6 FWI系統在中國的應用及建議

中國在20世紀80年代首次引入FWI系統，1984—1991年中國和加拿大安大略省項目組在中國大興安嶺地區(qū)實施了加達格奇項目，提高了當地保護森林資源的能力以及為FWI系統應用于中國其他地區(qū)起到了示范作用[46]。雖然FWI系統在引入中國東北林區(qū)后沒有得到廣泛應用，但一些學者對FWI系統在中國的適用性做了相關研究，對該系統的相關參數和計算方法進行修正，或是根據當地情況劃分森林火險等級之后在中國使用[18,20-21,28,47]，在大興安嶺地區(qū)、云南省、福建省甚至可以直接應用[48-52]，圖2為FWI系統在中國的應用和研究區(qū)域。在中國，FWI系統主要應用于討論火災發(fā)生次數、過火面積以及受災森林面積與火行為各指標的關系[18,20,47,49,51,53]；預測火災發(fā)生可能性[21,50]；3個濕度碼與實際含水率的關系[47]。此外，于建龍等人在改進FWI系統的計算方法后，計算大興安嶺地區(qū)1966—2006年雷擊火的火險天氣指數，并劃分其火險天氣等級[28]。

圖 2 FWI系統在中國的應用與研究區(qū)域示意 Figure 2 Application and research of FWI system in China

由于中國森林生態(tài)類型復雜，王明玉[54]在研究FWI在中國的適用性時發(fā)現,FWI適合在云南、黑龍江、內蒙古自治區(qū)、吉林、四川、新疆和山西應用，這些省份大部分與加拿大的森林系統較為類似。趙鳳君在研究云南省森林火險變化時發(fā)現林火數據(林火數量、過火面積和受害森林面積)與火險天氣指數顯著相關，比較不同火險期火險狀況時，DMC的火險期平均值和火險期嚴峻度可作為良好的指標[51]。但湖南、浙江、江西、福建、湖北、安徽以及江蘇等省的火災發(fā)生次數與FWI相關性和趨勢性均較差。中國消防管理部門和機構應致力于火災研究，以對FWI系統進行校準，使其適應當地的環(huán)境。

中國地形復雜多樣，山地多，而坡度、坡向和坡位會影響林火行為，其中坡度和坡向影響林火蔓延速度，坡向還影響林火的蔓延方向[55]。CFFDRS中的另一個子系統加拿大林火行為預報系統中加入了坡度、上坡方向等地形因素，中國在應用FWI系統時也應考慮地形對林火行為的影響，增加地形、海拔等因素。林朝欽[56]指出目前世界上使用的大多數火險評級系統都沒有很好地考慮火災發(fā)生的人為因素，加拿大的一些省份已開發(fā)人為和閃電引發(fā)火災的預測系統，而中國人為活動劇烈，因此在應用FWI系統時應加入人為和雷電引起的火災預測系統。

FWI系統以時滯-平衡含水率理論為基礎，將可燃物含水率與火險大小有機地結合在一起，跟蹤不同干燥速率下的3層森林可燃物的日変化，對于火災的發(fā)生、蔓延和控制難度至關重要，因為FWI系統只需要溫度、相對濕度、風速和24 h降水量的參數，因此可以結合實時的氣象數據進行火險等級計算，并及時發(fā)布預報。中國在應用FWI系統時一方面應修正該系統的相關參數及計算方法，另一方面可根據本國不同地區(qū)的實際情況劃分森林火險等級，使之適應本國的實際情況。另外中國地形復雜多樣、山地多和人為活動強烈，這些因素均會影響林火行為，因此在應用FWI系統時也應考慮地形、海拔、人為和閃電等因素。