石晶晶,張超,余樹全,2,茅史亮,李修鵬
(1.浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,浙江臨安311300;2.浙江農(nóng)林大學(xué)亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地,浙江臨安 311300;3.浙江林火監(jiān)測信息中心,浙江杭州 310020;4.浙江省寧波市林業(yè)技術(shù)推廣中心,浙江寧波 315000)
浙江省防火期內(nèi)森林火險天氣指標(biāo)動態(tài)
石晶晶1,張超1,余樹全1,2,茅史亮3,李修鵬4
(1.浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,浙江臨安311300;2.浙江農(nóng)林大學(xué)亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地,浙江臨安 311300;3.浙江林火監(jiān)測信息中心,浙江杭州 310020;4.浙江省寧波市林業(yè)技術(shù)推廣中心,浙江寧波 315000)
基于森林火災(zāi)統(tǒng)計資料,采用加拿大森林火險天氣指標(biāo)系統(tǒng)(Canadian Forest FireWeather Index System,CFFWIS)分析了浙江省森林火險期內(nèi)森林火險天氣指標(biāo)動態(tài)變化趨勢。結(jié)果表明:研究區(qū)火險期內(nèi)森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)呈遞減趨勢,但每場火災(zāi)的平均過火面積呈顯著增加趨勢(P<0.01);細小可燃物濕度碼(CFFM)和初始蔓延指標(biāo)(IIS)達到顯著水平(P<0.05),可作為浙江省森林火險期火險狀況的良好指標(biāo);1991-2011年,研究區(qū)森林防火期內(nèi)可燃物濕度指標(biāo)、火行為指標(biāo)及火災(zāi)控制難易度指標(biāo)總體呈增加趨勢。其中,春季火險期可燃物干燥狀況增加趨勢較秋、冬季火險期幅度大,且已達到顯著水平(P<0.05)。因此,加大該區(qū)的森林火災(zāi)防控工作,尤其是春季火險期的防控工作刻不容緩。圖3表1參15
森林保護學(xué);防火期;森林火險;火險天氣指標(biāo);浙江省
森林火險是對影響林火的發(fā)生、蔓延、難控程度以及火環(huán)境中所有因子的綜合評價?;痣U指數(shù)(fire danger index)為一個相對數(shù)字,用以指示森林火險的嚴峻程度[1]。在火災(zāi)發(fā)生的環(huán)境條件中,氣象條件在其中起著至關(guān)重要的作用,有利的氣象條件可使林火很快得到控制,不利的氣象條件則會加快火勢的蔓延,造成重大的經(jīng)濟損失[2]。森林火險天氣指標(biāo)是常被用來指示受氣象因子變化影響的標(biāo)準(zhǔn)可燃物類型林地上火災(zāi)發(fā)生危險程度的量化指標(biāo)[3]。加拿大森林火險天氣指標(biāo)系統(tǒng)(Canadian forest fire weather index system,CFFWIS)是世界各地廣泛應(yīng)用的相對完善的系統(tǒng)。早在20世紀(jì)80年代CFFWIS就引入到中國東北林區(qū)并應(yīng)用于森林火災(zāi)的控制和管理,并取得了顯著成效[4]。隨后,一些學(xué)者在中國的其他地區(qū)也相繼運用加拿大森林火險天氣指標(biāo)系統(tǒng)開展了對林火天氣動態(tài)變化的研究,如趙鳳君等[5]利用每日氣象數(shù)據(jù)和加拿大火險天氣指數(shù)系統(tǒng)(FWI),分析了氣候變暖背景下林區(qū)可燃物干燥狀況的變化及對林火的影響;田曉瑞等[6]對1987-2006年大興安嶺的森林火險進行了分析,并重新對火險天氣指數(shù)系統(tǒng)進行適應(yīng)性評估;邸雪穎等[3]利用加拿大火險等級預(yù)報系統(tǒng)輸出的火險天氣指標(biāo),定性和定量相結(jié)合地分析了氣候變化下森林火險天氣年際及各火險期動態(tài)變化趨勢。信曉穎[7]曾對該系統(tǒng)在浙江省的適用性進行了初步研究,從火險天氣指數(shù)系統(tǒng)角度研究了氣候條件變化對森林火災(zāi)的影響,得到了該系統(tǒng)在浙江省有很好的適應(yīng)性的結(jié)論。森林可燃物是森林燃燒的基本條件,天氣異常與森林可燃物變化相結(jié)合,森林火災(zāi)發(fā)生危險性有增加的趨勢[8]。近年來,全球氣候變化造成極端天氣發(fā)生頻繁,加之浙江省林業(yè)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)力度不斷加大,森林覆蓋率不斷提高,森林火燃料不斷積累,森林火災(zāi)成高發(fā)態(tài)勢。國內(nèi)針對浙江省森林火災(zāi)的研究文獻比較少,而且主要涉及森林火災(zāi)的時空分布分析和火險等級區(qū)劃研究[9-11]。筆者分析了1991-2011年氣候變化對浙江省森林火災(zāi)的影響,并利用加拿大森林火險天氣指標(biāo)系統(tǒng)輸出的火險指標(biāo)分析全球氣候變暖背景下浙江省森林火險期火災(zāi)的動態(tài)變化趨勢,可為浙江省未來的森林火災(zāi)的防控和監(jiān)測工作提供理論依據(jù)。
浙江省(27°12'~31°31'N,118°01'~123°10'E)地處中國東南沿海、長江三角洲南翼,陸域面積為10.41萬km2。浙江省地形復(fù)雜,全省以分割破碎的低山和丘陵為主,西南部略高,平均海拔為800m。該區(qū)氣候類型為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,氣溫適中,光照較強,濕潤多雨,雨熱同期,四季分明,年日照時數(shù)為1 800~2 300 h,年平均降水量為1 000~2 000 mm。植被屬于亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域—東部(濕潤)常綠闊葉林亞區(qū)域—中亞熱帶常綠闊葉林地帶[12]。森林覆蓋率達60.5%,森林群落結(jié)構(gòu)比較完整,具有喬木林、灌木林、草本等3層完整結(jié)構(gòu),森林植被類型、森林類型、喬木林齡組成類型較豐富。
2.1 數(shù)據(jù)來源
1991-2011年每日氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象局氣象要素共享中心(http://new-cdc.cma.gov.cn)。本研究選取浙江省16個氣象站點,選取的氣象要素包括:日最高氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、24 h降水量。1991-2011年浙江省森林火災(zāi)數(shù)據(jù)(包括林火發(fā)生時間、撲滅時間、火點地理坐標(biāo)、過火面積、火因和火災(zāi)損失等)來源于浙江省林業(yè)廳林火監(jiān)測中心。
2.2 火險天氣指標(biāo)
加拿大森林火險天氣指標(biāo)體系(CFFWIS)作為CFFDRS的一個重要子系統(tǒng),提供了通過可燃物含水率及潛在火行為評價的火災(zāi)危險評價體系。該系統(tǒng)的輸出僅依賴于日常的氣象參數(shù)(每天中午測量空氣溫度,相對濕度,風(fēng)速和24 h降水量),并不考慮燃料類型或地形的差異,當(dāng)天的濕度碼值由當(dāng)天測量的氣象數(shù)據(jù)值和前1天的濕度碼計算得到[13]。
輸出的前3個指標(biāo)是可燃物濕度指標(biāo),包括細小可燃物濕度碼(CFFM),半腐層濕度碼(CDM)和干旱碼(CD),它們分別反映森林凋落物中不同層的濕度。CFFM代表了地表上部厚度為1.2 cm的枯枝落葉和其他細小可燃物和的含水率,反映森林植被可燃物的引燃程度,其值越大表明當(dāng)天林火火險等級越高;CDM表示了半分解較松散的腐殖質(zhì)上層地表可燃物的含水率,它決定了林火的強度,其值越高表明林地中等下層落葉層可燃物越干燥;CD代表了森林地被物中深層的細密有機物的含水率,它決定了地下深層燃燒。這3個指數(shù)與森林不同層次可燃物的含水率有著直接的聯(lián)系,CFFM影響著森林火災(zāi)的開始和蔓延,而CDM和CD與中下層可燃物的干燥程度有關(guān),從而影響火燃料的潛在消耗。
輸出的后3個指標(biāo)是火行為指標(biāo),即初始蔓延指標(biāo)(IIS),有效可燃物指標(biāo)(IBU)和火險天氣指標(biāo)(IFW)。IIS由CFFM和風(fēng)速決定,是反映不同森林類型火災(zāi)蔓延等級的一個很好指標(biāo);IBU由CDM和CD決定,反映了森林可燃物對燃燒蔓延的有效性,代表可燃物的潛在燃燒量;IFW是由IIS和IBU所決定的最終指標(biāo),表示火線強度,即單位火線長度的能量釋放率,也可說明森林火險等級。這3個指標(biāo)代表了火行為的不同方面,在防火管理應(yīng)用中至關(guān)重要。
不同地點的火險嚴重程度可以通過日嚴重指標(biāo)(daily severity rating,RDS)進行比較,它可用來描述某時段內(nèi)1個氣象站平均火險或某區(qū)域一些氣象站觀測的平均森林火險,用RDS=0.027 2(IFW)1.77計算。防火期內(nèi)RDS的平均值為火險期嚴峻度(seasonal severity rating,RSS),它是防火期平均控制火災(zāi)難易度的指標(biāo)[14]。
2.3 數(shù)據(jù)處理
本研究使用的火險天氣指數(shù)系統(tǒng)計算機程序是由Wagner等[15]在1985年重新研究制定的,通過批量輸入1991-2011年日常氣候觀測數(shù)據(jù)(日最高氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日降水量)計算各氣象站每天的IFW各指數(shù)的值,包括3個可燃物指標(biāo)值(CFFM,CDM,CD),3個火行為指標(biāo)值(IIS,IBU,IFW)和1個火險嚴重程度指標(biāo)值(RDS)??扇嘉餄穸却a初始值設(shè)定為CFFM=85,CDM=6,CD=15。
3.1 火險期
把某一地區(qū)1 a內(nèi)容易發(fā)生且發(fā)生森林火災(zāi)較多的時期定為當(dāng)?shù)氐纳只痣U期?;痣U期內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)幾乎集中了某一地區(qū)整個年份發(fā)生的所有火災(zāi),因此,以火險期為時間單位可以更好地反映當(dāng)?shù)鼗痣U天氣狀況的變化,了解了當(dāng)?shù)鼗痣U期火險狀況也能更好的把握整個地區(qū)火災(zāi)的動態(tài)變化。
從圖1可以看出:浙江省所有的森林火災(zāi)幾乎都集中在10-12月,以及次年的1-4月,這7個月發(fā)生森林火災(zāi)的數(shù)量與過火面積就占全年總量的93.2%和93.1%。因此,把上年10月至當(dāng)年4月確定為浙江省的森林火險期,持續(xù)期為7個月。結(jié)合林區(qū)森林火災(zāi)的年發(fā)生規(guī)律及當(dāng)前火災(zāi)發(fā)生狀況,筆者以春季火險期(3-4月)、秋季火險期(10-11月)、冬季火險期(12-2月)3個時段分別計算各濕度碼的季節(jié)性平均值,進而研究浙江省森林火險天氣指數(shù)及火災(zāi)的動態(tài)變化。
3.2 火險期內(nèi)森林火災(zāi)動態(tài)
1991-2011年,火險期內(nèi)浙江省共發(fā)生森林火災(zāi)9 946次,平均每年發(fā)生473次。其中2004年的森林火災(zāi)呈爆發(fā)式增長,發(fā)生次數(shù)是年平均次數(shù)的2.3倍,這主要是因為2004年是中國的氣候異常年,當(dāng)年全國氣候總體趨勢表現(xiàn)為溫度較常年偏高,東部大部地區(qū)降水偏少。從圖2可以看出,火險期內(nèi)森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)年際波動較大,但總體呈遞減趨勢。將火險期內(nèi)所有森林火災(zāi)按年份統(tǒng)計每場火災(zāi)的平均過火面積,結(jié)果顯示:1991-2011年,單位森林火災(zāi)的平均過火面積呈顯著增加的趨勢(P<0.01)。這可能是近年來浙江省加大了生態(tài)公益林的建設(shè),隨著森林植被的恢復(fù),林內(nèi)可燃物載量不斷積累的緣故,這說明了雖然火災(zāi)次數(shù)沒有增加,但是其對森林造成的傷害卻是逐年增大的。因此,森林防火部門應(yīng)有針對性地加強森林防火工作。
3.3 火險期內(nèi)火險天氣指數(shù)動態(tài)
圖1 浙江省1991-2011年森林火災(zāi)月變化規(guī)律Figure 1 Monthly change law of forest fires during 1991-2011 in Zhejiang Province
以火險期為時間單位,計算火險期內(nèi)火險天氣指數(shù)(CFFM,CDM,CD,IIS,IBU,IFW,RDS)的均值,并統(tǒng)計火險期內(nèi)各火險天氣指數(shù)均值與林火發(fā)生數(shù)量、過火面積的相關(guān)系數(shù)(表1)。結(jié)果顯示:細小可燃物濕度碼CFFM和初始蔓延指標(biāo)IIS與林火次數(shù)和過火面積的相關(guān)系數(shù)在0.05水平上都顯著,其中CFFM與林火次數(shù)在0.01水平上也達到了顯著水平。所以它們可作為表征火險期火險狀況的良好指標(biāo)。
圖2 1991-2011年浙江省火險期內(nèi)森林火災(zāi)次數(shù)與單位森林火災(zāi)平均過火面積的動態(tài)變化Figure 2 Dynamic changesof fire timesand average area burned of forest fires during 1991-2011 in Zhejiang Province
表1 火險期林火次數(shù)、過火面積與火險天氣指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient of forest fire frequency,area burned and fire weather index in fire danger period
3.3.1 可燃物濕度指標(biāo)動態(tài)如圖3a所示:1991-2011年,研究區(qū)火險期細小可燃物濕度碼CFFM年均值呈顯著增加趨勢(P<0.05),2001-2011年CFFM年均值比1991-2000年增加7.8%,這將導(dǎo)致浙江省火險期內(nèi)林火的增加。研究期間,秋季火險期與冬季火險期CFFM均值增加趨勢并不明顯,春季火險期的增幅較大,2001-2011年的春季火險期CFFM均值比1991-2000年增加26.6%,且達到極顯著水平(P<0.01)。
圖3b中,1991-2011年,CDM年均值呈增加趨勢,但增加趨勢未達到顯著水平(P>0.05)。2001-2011年CDM年均值比1991-2000年增加29.2%。研究期間,僅春季防火期CDM均值呈顯著增加趨勢(P<0.01),2001-2011年春季防火期CDM均值比1991-2000年增加81.8%。這說明近些年來林區(qū)春季火險期半腐層可燃物干燥狀況大大增加,干燥狀況的增加程度大于秋季和冬季。從圖2可看出,近些年來,CDM均值年際間波動性明顯增大,也會導(dǎo)致林區(qū)某些區(qū)域半腐層可燃物干燥狀況嚴峻,進而促使大面積火災(zāi)發(fā)生的概率大大增加。干旱碼CD反映了地下深層可燃物的含水率,決定了地下深層燃燒。如圖3c所示:1991-2011年,研究區(qū)干旱碼CD年均值呈緩慢遞減趨勢,2001-2011年CD均值比1991-2000年減少了1.2%。這是由于CD是溫度和降水量的函數(shù),浙江省冬季溫度和降水量均逐年遞減的緣故,也說明了研究區(qū)森林火燒類型是以地表火為主。研究期間,春季火險期CD均值呈顯著增加趨勢(P<0.05),且增幅較大,2001-2011年春季火險期的CD均值比1991-2000年增加了41.2%。而冬季火險期CD均值卻呈遞減的趨勢,2001-2011年冬季火險期的CD均值比1991-2000年減少了13.2%。
3.3.2 火行為指標(biāo)動態(tài)如圖3d所示:1991-2011年,研究區(qū)初始蔓延指標(biāo)IIS年均值呈顯著增加的趨勢(P>0.05),2001-2011年IIS年均值比1991-2000年增加了24.4%。研究期間,各火險期IIS均值都呈增加趨勢,其中,春季火險期的增幅明顯,2001-2011年春季火險期的IIS均值比1991-2000年增加了79.7%。如圖3e所示:1991-2011年,研究區(qū)有效可燃物指標(biāo)(IBU)呈緩慢增加趨勢,2001-2011年IBU年均值比1991-2000年增加了21.2%。研究期間,僅春季火險期的IBU均值呈顯著增加趨勢(P<0.05),2001-2011年春季防火期的IBU均值比1991-2000年增加69.6%,這說明了春季火險期可參與燃燒的可燃物越來越多,火強度也越來越大。
如圖3f所示:1991-2011年,研究區(qū)火險天氣指標(biāo)(IFW)呈緩慢增加的趨勢,2001-2011年IFW年均值比1991-2000年增加了25.8%。研究期間,春季、秋季、冬季3個火險期的IFW均值呈增加趨勢,2001-2011年IFW均值比1991-2000年分別增長了108.0%,23.6%,1.3%。其中,春季火險期的增幅特別大,達冬季火險期增幅80倍。
3.3.3 火災(zāi)控制難易度指標(biāo)動態(tài)1991-2011年,研究區(qū)防火期平均控制火災(zāi)難易度指標(biāo)(RSS)呈緩慢增加趨勢,如圖3g所示,2001-2011年IBU年均值比1991-2000年增加了62.8%。研究期間,各火險期RSS均值都呈增加趨勢,其中,春季、秋季火險期的RSS均值增幅較大,2001-2011年春、秋季防火期的RSS均值比1991-2000年分別增加了221%和64.2%。這說明了春、秋季火險期的火險狀況日益嚴重。
圖3 1991-2011年浙江省森林火險天氣指標(biāo)的均值Figure 3 Annualaverage value of the forest fire weather indices during 1991-2011 in Zhejiang Province
3.4 結(jié)論與討論
浙江省的森林火險期為當(dāng)年10月至翌年的4月,持續(xù)期為7個月。其火險期內(nèi)森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)年際波動較大,總體呈遞減趨勢,但每場火災(zāi)的平均過火面積呈顯著增加的趨勢(P<0.01)。
利用加拿大火險天氣系統(tǒng)對浙江省1991-2011年火險期內(nèi)森林火險指數(shù)進行計算,并對火險期內(nèi)各火險天氣指數(shù)均值與林火發(fā)生數(shù)量和過火面積進行分析,結(jié)果顯示:它們之間有很好的相關(guān)性,其中,細小可燃物濕度碼(CFFM)和初始蔓延指標(biāo)(IIS)達到顯著水平(P<0.05),可以很好地指示浙江省森林火險期的火險狀況。鑒于本研究僅分析了浙江省森林火險期的數(shù)據(jù),因此得出的結(jié)論可能會有一定的局限性,在今后的研究中還需根據(jù)實際火災(zāi)狀況做進一步考證。
1991-2011年,研究區(qū)森林防火期內(nèi)可燃物濕度指標(biāo)、火行為指標(biāo)及火災(zāi)控制難易度指標(biāo)總體呈增加趨勢。如研究區(qū)2001-2011年CFFM,CDM,IIS,IBU,IFW,RSS年均值比1991-2000年分別增加了7.8%,29.2%,24.4%,21.2%,25.8%,62.8%。說明近年來隨著氣候逐漸變暖,森林可燃物變得越來越干燥,尤其是表層可燃物的干燥狀況加劇,加大了林火被引燃的概率,也增加了林火的強度。其中,春季火險期可燃物干燥狀況增加趨勢較秋、冬季火險期幅度大,且已達到顯著水平(P<0.05)。這一趨勢恰好印證了當(dāng)?shù)亓只鸢l(fā)生的情況。
根據(jù)森林燃燒圈學(xué)說,森林植被是森林燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)。在全球氣候不斷變暖的背景下,可燃物干燥狀況不斷加劇,成為該區(qū)森林火災(zāi)高發(fā)的潛在因素,森林防火管理部門應(yīng)充分認識這一現(xiàn)象,并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況,加大對浙江省森林火災(zāi)的防控工作,尤其是春季火險期的防控。當(dāng)然本研究所分析的僅僅是一個方面,要全面的了解當(dāng)?shù)厣只馂?zāi)發(fā)生情況還應(yīng)綜合考慮各種因素,才能更好地對森林火險進行評估與預(yù)測。
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Forest fire weather indexes for the fire danger period in Zhejiang Province
SHIJingjing1,ZHANG Chao1,YU Shuquan1,2,MAO Shiliang3,LIXiupeng4
(1.School of Forestry and Biotechnology,Zhejiang A&F University,Lin,an 311300,Zhejiang,China;2.The Nurturing Station for the State Key Laboratory of Subtropical Silviculture,Zhejiang A&F University,Lin,an 311300,Zhejiang,China;3.Forest Fire Monitorial Center of Zhejiang Province,Hangzhou 310020,Zhejiang,China;4. Forest Technology Extension Station of Ningbo City,Ningbo 315000,Zhejiang,China)
Based on forest fire statistics of Zhejiang Province,the Canadian Forest Fire Weather Index(CFFWIS)System was used to analyze the changes of forest fire weather indices during the forest fire danger period.Results showed that forest fire frequency of the study area would decrease,but the average area burned per fire would increase during the fire danger period(P<0.01).The Fine Fuels Moisture Code(FFMC)and the initial spread index(ISI)reached a high level and could be used as strong indicators of fire danger in Zhejiang forests(P<0.05).During the fire danger period of the study area,fuelmoisture codes,fire behavior indices,and fire severity indices from 1991-2011 increased overall.Combustible dry conditions of the spring fire season had reached a dangerous level and had a higher rate than autumn and winter fire seasons(P<0.05).Therefore,forest fire prevention and controlwork in the region,especially in spring,is urgently needed.[Ch,3 fig.1 tab.15 ref.]
forest protection;fire danger period;forest fire danger;fire weather index;Zhejiang Province
S762
A
2095-0756(2014)02-231-07
2013-04-06;
2013-05-14
浙江省科學(xué)技術(shù)重大項目(2006C12060)
石晶晶,從事森林生態(tài)學(xué)研究。E-mail:crystal2013sjj@126.com。通信作者:余樹全,教授,博士,博士生導(dǎo)師,從事森林生態(tài)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究。E-mail:yushq@zafu.edu.cn