草原火研究綜述

姜 莉， 玉 山,2*， 烏蘭圖雅， 都瓦拉

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022； 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心， 內(nèi)蒙古 呼和浩特010051)

火是草原生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)因子之一，其自然屬性與生俱來?；鹁哂须p重性[1]，人類的出現(xiàn)賦予了火的災(zāi)害屬性和工具屬性，火既擾亂了人類正常的生產(chǎn)生活秩序同時(shí)也為人類的生產(chǎn)生活所服務(wù)。草原與耕地、森林、海洋等自然資源一樣，是重要的自然資源。草原是地球的綠色生態(tài)屏障，與森林一起構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體。草地作為地球的“皮膚”，在防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化空氣以及維護(hù)生物多樣性方面，具有十分重要的作用，草地也是畜牧業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和牧區(qū)農(nóng)牧民賴以生存的基本生產(chǎn)資料。在歐亞大陸，草原植被西自歐洲多瑙河下游起，呈連續(xù)的帶狀往東延伸達(dá)我國境內(nèi)，形成世界最寬廣的草原帶。在北美洲從北方，由南羅斯咯撤河開始，沿經(jīng)度方向直達(dá)雷達(dá)河畔，形成南北走向的草原帶。在南半球，因?yàn)楹Ｑ竺娣e大，陸地面積小，草原面積不及北半球大，而且比較零星，帶狀分布不明顯，主要以澳大利亞、南美洲和非洲為主。我國草原面積廣大，主要包括內(nèi)蒙古、河北、吉林、遼寧、黑龍江、新疆、寧夏、青海、甘肅、四川、陜西、山西12個(gè)省市自治區(qū)，總土地面積416萬km2，占國土總面積的43.3%。我國牧區(qū)草原面積2.473億hm2，占牧區(qū)總土地面積的60%。我國草原具有顯著的大陸性氣候特點(diǎn)，絕大部分地區(qū)年降水量在400 mm以內(nèi)，蒸發(fā)量在1 000 mm以上。其特征表現(xiàn)為冬季寒冷漫長，夏季炎熱短促，年平均氣溫低，溫差大，有效積溫高，降水少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，日照充足。在春秋季節(jié)，適度的地上可燃物儲(chǔ)量和連續(xù)分布狀況，并配合獨(dú)特的天氣氣候條件，構(gòu)成了該地區(qū)高火險(xiǎn)的特征。

火這一自然生態(tài)因子對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生著積極或消極的作用，草原火因此成為草原生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展、演替及消亡過程中的重要影響因子。恰當(dāng)?shù)睦没鹳Y源，會(huì)產(chǎn)生良好的生態(tài)作用。但在現(xiàn)代的社會(huì)生產(chǎn)生活當(dāng)中，火災(zāi)是危害社會(huì)公共安全，威脅人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的主要災(zāi)害之一。草原火災(zāi)是一種突發(fā)性的自然災(zāi)害，其破壞性大，波及范圍廣，滅火及救援難度大，給草原地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)安定帶來巨大影響，嚴(yán)重制約畜牧業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展，同時(shí)也對(duì)人民的生存環(huán)境乃至國土安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。鑒于此，本文綜述了國內(nèi)外草原火的研究成果，旨在為今后的草原火研究工作及相關(guān)部門制定戰(zhàn)略決策提供科學(xué)的依據(jù)。

1 草原火的影響因素分析

1.1 自然因素

1.1.1氣候氣象因素 氣象因素主要包括氣溫、降水、風(fēng)、相對(duì)濕度等[2]。氣象因素的綜合作用是火災(zāi)發(fā)生時(shí)間和出現(xiàn)區(qū)域的決定條件。草原火主要發(fā)生在干燥季節(jié)，氣象因素的變化會(huì)直接影響可燃物含水率的變化，從而影響可燃物的引燃點(diǎn)，以及草原火的強(qiáng)弱。氣溫是直接影響草原火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的因素。氣溫升高導(dǎo)致蒸發(fā)速度加快，可燃物含水率降低，大大增加了火災(zāi)隱患。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在防火時(shí)期，月平均氣溫在-10℃ 以下時(shí)，火災(zāi)不易發(fā)生；0～10℃ 時(shí)，正處于春秋干旱季節(jié)，是火災(zāi)發(fā)生的高發(fā)季節(jié)；15～20℃，植物生長旺盛，活體可燃物的含水率較高，火災(zāi)不易發(fā)生。降水能直接影響可燃物的含水率，尤其對(duì)死可燃物含水率的影響。同時(shí)降水也使空氣濕度升高，進(jìn)而減少草原火災(zāi)發(fā)生的危險(xiǎn)性。我國北方大部分地區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，每年10月份到次年5月份降水量稀少、氣候干燥，加之9月底10月初草原植被受降溫影響，逐漸干枯凋落，死可燃物含水量很低。連續(xù)無降水日數(shù)達(dá)到一定程度后就會(huì)引起干旱，一般按天數(shù)計(jì)算，干旱持續(xù)時(shí)間越長，植被就越干燥，也就越易發(fā)生草原火災(zāi)，持續(xù)干旱的天數(shù)對(duì)近期火災(zāi)發(fā)生有著直接的影響。風(fēng)的加速蒸發(fā)作用使得可燃物含水率降低，還使得熱平流增加，其流動(dòng)性有助于氧氣的補(bǔ)充，以達(dá)到助燃的作用。所以風(fēng)是草原火災(zāi)發(fā)生的“助推器”，是影響火災(zāi)次數(shù)和大小的重要的因素。大氣相對(duì)濕度與火災(zāi)發(fā)生有密切關(guān)系，相對(duì)濕度40%是一個(gè)閾值[3]。細(xì)小可燃物在陽光下是否燃燒的濕度閾值為30%～40%。

1.1.2干雷暴天氣 干雷暴天氣是指日降雨量小于1 mm的雷暴天氣，它主要是干性鋒面系統(tǒng)帶來的一種天氣現(xiàn)象。這種天氣以4～7月為多，其他月極少或無。易燃可燃物在這種天氣條件下，最易被雷擊而形成雷擊火。草原上覆蓋的豐富可燃物遇到閃電極易引起草原火災(zāi)。

1.1.3地形因素 地形也是影響火行為的重要因素[4]，沿陡坡向上傳播的火相當(dāng)于強(qiáng)風(fēng)推動(dòng)下的火。在20%～30%的斜坡上的傳播速度為平地的2倍。三面環(huán)山的狹窄地區(qū)，火勢(shì)常常變化無常，擴(kuò)散迅速。

1.2 人為因素

人為因素引起的火災(zāi)主要有煉山造林、燒防火線、燒田埂草、野炊、吸煙等。近年來人為因素成為火災(zāi)的主要誘導(dǎo)因素。因此，加強(qiáng)對(duì)人為火源的管理是降低火災(zāi)發(fā)生率的主要措施。

1.3 草原可燃物

能燃燒的物體稱為可燃物。草地可燃物由草地上的草本植物和動(dòng)物糞便組成，主要以含水率較低的草本植物為主，是草原火發(fā)生和蔓延的物質(zhì)基礎(chǔ)[5]。草地可燃物分為活體可燃物和死體可燃物[6]。草地死體可燃物的日平均含水率為14%，具有每日都被輕易引燃的含水率條件，除非有降雨等天氣條件出現(xiàn)。草地活體可燃物含水率每日沒有低于35%的時(shí)刻，含水率在生長季節(jié)從不低于或達(dá)到燃燒水平，除非極干旱條件出現(xiàn)?？扇嘉锏亩嗌偈遣菰馂?zāi)發(fā)生的重要因素?？扇嘉锪渴侵傅厣纤心苋紵闹参铩Ｔ诓莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)內(nèi)，它是植物逐年生產(chǎn)、分解、積累的結(jié)果?？扇嘉锪慷啵紵牡目扇嘉锪烤投?，相應(yīng)釋放的熱量也多，這樣火前方可燃物獲得預(yù)熱的熱量就多，有利于火的蔓延;單位面積可燃物量多，可燃物床連續(xù)性就好，有利于熱量的傳遞，促進(jìn)火蔓延[7]?？扇嘉锏淖匀际侵冈诳諝庵袥]有外來火源的作用，靠自熱或外熱而發(fā)生燃燒的現(xiàn)象。我國北方在秋后降雪前和來年春季化雪之后，由于氣候干燥、風(fēng)大、日照時(shí)間長，可燃物自燃常會(huì)引起草原火災(zāi)。另外，磷火也是草原火的起因之一。草原區(qū)特別是內(nèi)蒙古東部植被茂盛的草原區(qū)，大量的死畜骨架遺留在草原上，而中豐富的磷自然也很容易引發(fā)火災(zāi)。

1.4 境外火的蔓延

近年來不斷有境外火燒入我國境內(nèi)，引發(fā)大的森林火災(zāi)。我國的境外火入侵主要發(fā)生在東北、西北和西南地區(qū)，特別是蒙古的草原和森林火災(zāi)過境較多。我國春、秋季節(jié)受冷氣團(tuán)的流動(dòng)方向和冷鋒面及冷高壓系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間的影響，易產(chǎn)生干燥、高溫、大風(fēng)的天氣系統(tǒng)，火災(zāi)頻繁。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自建國以來，東北、內(nèi)蒙邊境地區(qū)共發(fā)生森林(草原) 火災(zāi)4 000余起，其中外火燒入和內(nèi)火燒出共700余起，其中外火燒入 600余起，占 86%。邊境地區(qū)受害森林面積25萬km2，受害草原面積 613 萬km2，經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 30 億元，并有相當(dāng)數(shù)量人員傷亡[8]。

2 草原火的研究內(nèi)容

2.1 草原火對(duì)生態(tài)的影響

草原火的發(fā)生和蔓延對(duì)于草原生態(tài)系統(tǒng)的物種演替和自我更新有著非常重要的調(diào)節(jié)和調(diào)拉作用。20世紀(jì)初就有學(xué)者開始研究火燒對(duì)生態(tài)的影響。1968年，R.Daubemire[9]第一次闡述了草原火燒對(duì)生態(tài)的影響。早在20世紀(jì)30年代，俄羅斯學(xué)者就開始研究火對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，之后草地火生態(tài)學(xué)文獻(xiàn)迅速增加,特別是60—70年代，產(chǎn)生了大量的草地火生態(tài)學(xué)文獻(xiàn)，并不斷有系統(tǒng)的綜述。在20世紀(jì)50年代，美國、加拿大開始重視火對(duì)各種景觀類型的影響。進(jìn)入21世紀(jì)，學(xué)者們的研究課題與全球氣候變化聯(lián)系的十分緊密，發(fā)表了大量論文。國內(nèi)外關(guān)于草原火生態(tài)影響多是對(duì)單個(gè)因子的變化研究，如火燒對(duì)草地的地溫、土壤微生物和生物量、地上生產(chǎn)力、植物多樣性、土壤種子庫、土壤呼吸對(duì)碳循環(huán)、植物群落、的影響及相互作用。

在對(duì)草地地溫影響的方面，田洪艷[10]等人認(rèn)為在草原火燒過程中，土壤表面的平均溫度一般變化于100～400℃之間；在土壤表面以下，溫度隨著土層深度的增加而急驟下降，火燒對(duì)土壤影響深度一般在0.6 cm以內(nèi)，在0.3～0.6 cm土層中，土壤溫度多在65～80℃范圍內(nèi)，火燒時(shí)土壤溫度的高低取決于燃燒物的數(shù)量和風(fēng)速。這一狀態(tài)導(dǎo)致火燒地白天地溫比未燒地高，夜間比未燒地低，晝夜溫差大。但地表層以下，火燒地溫度的日變化恒高于未燒地。在對(duì)草地土壤生物量影響的方面，周道瑋[11]等認(rèn)為火燒主要影響土壤表層的微生物數(shù)量和生物量。在剛經(jīng)歷火燒后，土壤微生物數(shù)量和生物量低于正常值；火燒次年，土壤微生物數(shù)量和生物量逐漸升高并超過未燒地。鮑雅靜[12]等在生物數(shù)量方面得出了不同的結(jié)論，認(rèn)為火燒對(duì)不同種群的反應(yīng)不同，大針茅(Stipagrandis)作為針茅草原的建群種、羊草(Aneurotepidimuchinense)草原的優(yōu)勢(shì)種，但經(jīng)過火燒可以明顯的降低大針茅的生長高度，減少其地上生物量。Shayla A.Burnett[13]等評(píng)估了在美國新墨西哥州中部以無芒草(BromusinermisLeyss)草原草地為主的兩個(gè)地點(diǎn)的地下生產(chǎn)和生物量的季節(jié)和年度恢復(fù)情況。在對(duì)草地生產(chǎn)力影響的方面，周道瑋[14]等認(rèn)為火燒時(shí)間對(duì)地上生產(chǎn)力的影響是不同的，早春比晚春火燒更有優(yōu)勢(shì)，有利于提高地上產(chǎn)量，增強(qiáng)羊草活力。劉鐘齡[15]等總結(jié)了火燒對(duì)草原的總生產(chǎn)力的影響，認(rèn)為草原火燒的正效應(yīng)一般會(huì)持續(xù)2～3年。草原火燒不能簡單地評(píng)論其好與壞，而應(yīng)具體研究調(diào)查、綜合評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的綜合火狀況及每次火燒結(jié)果。羊草草原火燒后，大針茅等五種植物當(dāng)年生種子的千粒重平均增加11．7%，發(fā)芽率平均增加113．6%。在對(duì)草地植物多樣性影響方面，李曉波[16]等應(yīng)用三種豐富度指數(shù)，四種多樣性指數(shù)，五種均勻度指數(shù)，進(jìn)行了不同火因子對(duì)羊草草原植物多樣性影響的研究，得出了物種多樣性升高的結(jié)論。在對(duì)草地土壤種子庫影響的方面，H.A.Snyman[17]研究了南非半干旱草地生長季節(jié)燃燒對(duì)土壤種子庫中草種萌發(fā)能力的影響。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間主要的碳通量之一，在調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)和全球C循環(huán)對(duì)自然和人為干擾的響應(yīng)中起著重要的作用。在草地碳循環(huán)方面，姜勇[18]等實(shí)驗(yàn)得出結(jié)，火燒改變了土壤有機(jī)質(zhì)的組成，易形成穩(wěn)定的有機(jī)碳，對(duì)于形成土壤中穩(wěn)定的有機(jī)碳庫有著較大的貢獻(xiàn)。Wenhua Xu[19]等在2005年4月至2006年10月在中國北方半干旱草原進(jìn)行田間試驗(yàn)，研究火災(zāi)其潛在相互作用對(duì)土壤呼吸的影響。這項(xiàng)研究將有助于中國北方半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)C循環(huán)的模擬和預(yù)測(cè)。國外的研究課題與全球氣候變化聯(lián)系的十分緊密。許多研究表明，在實(shí)驗(yàn)性變暖的情況下，土壤呼吸速率增加，低強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)火災(zāi)顯著提高了下一個(gè)生長季節(jié)土壤CO2排放速率。Scott L Collins[20]等在做全球變化的試驗(yàn)中被一場(chǎng)閃電引發(fā)的野火中斷。最初的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖谴_定在Chihuahuan沙漠草原夜間溫度變暖、大氣氮沉降增加和冬季降水增加對(duì)北方植物群落結(jié)構(gòu)和地上凈初級(jí)生產(chǎn)量(net primary production，ANPP)的影響?；馂?zāi)發(fā)生后，物種豐富度和生物量顯著增加，特別是在受到冬季降水增加的溫暖的肥地上。Aaron L.Strong[21]等的研究表明，在土壤呼吸已經(jīng)適應(yīng)溫暖化的生態(tài)系統(tǒng)中，土壤溫度的進(jìn)一步升高可以刺激更多的土壤CO2排放。群落或種群是由不同種植物或同種植物個(gè)體在一定外界條件作用下相互依存相互競爭形成的集合體。火燒會(huì)對(duì)群落整體產(chǎn)生影響，火燒對(duì)植物群落的影響論述如下結(jié)果：Hensel發(fā)表了關(guān)于火燒對(duì)草地植被影響效應(yīng)的文章[22]。Kucera等曾在密蘇里草地連續(xù)20 年火燒中研究了禾草類和雜類草兩大類群頻度和蓋度的變化情況[23]。周道瑋[24]等認(rèn)為羊草草原群落組成在火燒后發(fā)生了變化，火燒時(shí)間和次數(shù)的不同對(duì)群落密度、種類豐富度和多樣性都有不同程度的影響。賽音吉日嘎拉[25]等采用控制火燒的方法探討不同季節(jié)火燒對(duì)小針茅草原的影響，實(shí)驗(yàn)表明春燒對(duì)小針茅草原具有一定的抑制作用。周道瑋[26]等認(rèn)為群落地上生物量結(jié)構(gòu)在火燒后最明顯的表現(xiàn)是立枯體大量減少，光線通透系數(shù)升高，有利于群落接受更多的太陽光線進(jìn)行光合作用，提高產(chǎn)量。而地下生物量在降水豐年有利于植物群落產(chǎn)量提高，降水少的年份則使產(chǎn)量降低。岳秀泉[27]等研究了火燒后群落小氣候的變化，研究表明次年群落內(nèi)相對(duì)濕度、溫度、風(fēng)速和光照等小氣候特征都發(fā)生了不同程度的變化。Wu等[28]為了解火災(zāi)后植被恢復(fù)情況，研究了中國黃土高原干旱草原上次火災(zāi)以來不同時(shí)期的三個(gè)草地火災(zāi)。研究結(jié)果表明，適時(shí)的火災(zāi)是干旱草地植物組成和維持的有效調(diào)節(jié)者。

2.2 草原火的時(shí)空分布格局

北美大草原草地火發(fā)生時(shí)間主要集中在冬季和早春[29]，而在北美洲西南部干旱草原中的草地火主要發(fā)生在晚春和夏初[30]。在非洲和澳大利亞的薩瓦納草原的廣大區(qū)域內(nèi)每年都頻繁地發(fā)生草地火，大部分火都出現(xiàn)在干季[31-33]。Jill E.Harvey[34]等研究考察了加拿大不列顛哥倫比亞省中西部低海拔森林—草原交錯(cuò)帶的空間變化林分結(jié)構(gòu)和火氣關(guān)系，使用疊加的時(shí)代和雙變量事件分析檢驗(yàn)了火災(zāi)事件。得出了這片森林—草原交錯(cuò)帶的特點(diǎn)是混合火災(zāi)，主要是由中度到高度的大范圍火災(zāi)所引發(fā)的頻繁低嚴(yán)重火災(zāi)的結(jié)果。

在我國，從時(shí)間差異上看，草原火集中在降水較少、風(fēng)速較大的春、秋兩季[35-36]。從地域分布上看，降水較少、風(fēng)速較大的內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、甘肅、青海和新疆是重大特大草原火災(zāi)的發(fā)生地。在呼倫貝爾地區(qū)，火點(diǎn)總體呈現(xiàn)聚集分布，其中春季火點(diǎn)分布范圍較廣，沿東北—西南走向，秋季火點(diǎn)呈西北—東南走向，主要分布于大興安嶺西南部農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域[37]。草原火的空間分布格局受日均相對(duì)濕度，日溫度，海拔高度，植被類型，縣級(jí)公路距離，城鎮(zhèn)距離等因素的影響[38]，發(fā)現(xiàn)草原火的發(fā)生與道路、居民點(diǎn)和農(nóng)田這些地理要素的空間分布密度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[39]。我國研究人員從中蒙人類活動(dòng)與過火率的關(guān)系、人為因素與火點(diǎn)數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行了分析。曲炤鵬[40]等研究了蒙古高原草原火行為的時(shí)空分布規(guī)律。我國內(nèi)蒙地區(qū)人口密度和載畜密度遠(yuǎn)高于蒙古人民共和國，過火率則相反。研究人員應(yīng)用GIS、RS和SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件方法證明了草原火的發(fā)生具有明顯的空間和時(shí)間動(dòng)態(tài)規(guī)律[41]，為草原防火、草原火生態(tài)研究以及草原火險(xiǎn)預(yù)報(bào)和災(zāi)害評(píng)估等方面提供依據(jù)[42-46]。宮大鵬[47]等基于遙感影像，借助地理信息系統(tǒng)和ENVI等軟件，分析了2001—2016 年新巴爾虎草原火時(shí)空特征，并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，探討草原過火面積對(duì)氣象因子的響應(yīng)特性。麗娜[48]針對(duì)中蒙邊境地區(qū)的草原火災(zāi)，以內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗及接壤的蒙古國三個(gè)蘇木為研究區(qū)，采用 2000-2014 年的MCD45A 火燒跡地產(chǎn)品，利用GIS空間分析方法對(duì)中蒙邊境地區(qū)草原火的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析研究。研究區(qū)過火面積的年際變化表明，2000-2008 年呈減少趨勢(shì)，2008-2014 年呈增加趨勢(shì)。由旬變化可知，4-6月是蒙古國過火面積最大的月份，而 10 月至來年 4月是東烏珠穆沁旗過火面積最大的月份。

2.3 草原火管理

現(xiàn)如今草原野火管理被賦予了嚴(yán)格的科學(xué)意義，綜合歸納野火特點(diǎn)和現(xiàn)行研究成果，發(fā)現(xiàn)野火有自然屬性、災(zāi)害屬性和工具屬性[49]。野火的自然屬性和工具屬性體現(xiàn)在：經(jīng)過人類長時(shí)間的對(duì)火的探索發(fā)現(xiàn)，將火再引回生態(tài)系統(tǒng)之中是合理的，謹(jǐn)慎的處理和使用火以實(shí)現(xiàn)最初的土地利用計(jì)劃。劉興朋[50]研究利用土地利用類型及變化特征為基礎(chǔ)，通過選取森林草原火年均歸一化差分植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)，森林草原NDVI標(biāo)準(zhǔn)差和居民點(diǎn)與路網(wǎng)為主要指標(biāo)，建立森林草原火發(fā)生的聯(lián)合概率模型。對(duì)草原火災(zāi)的管理，有時(shí)處于“火災(zāi)—保護(hù)—火災(zāi)”的惡性循環(huán)之中，缺少風(fēng)險(xiǎn)管理意識(shí)。草原火災(zāi)屬于突發(fā)性災(zāi)害，具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性。其原因極為復(fù)雜，涉及到天氣、氣候、社會(huì)以及自然界各種有關(guān)的因素。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入90年代以后我國的火災(zāi)信息管理技術(shù)有了大改變，衛(wèi)星遙感在地表特征監(jiān)測(cè)方面的能力也有了明顯提高，尤其是衛(wèi)星遙感草場(chǎng)植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力有明顯提高，衛(wèi)星資料分辨率和觀測(cè)頻次有顯著改善，使得利用衛(wèi)星遙感對(duì)全國范圍的草原火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能。佟志軍[51]認(rèn)為草原火災(zāi)應(yīng)急管理系統(tǒng)研究可以有效的應(yīng)用起來為草原火災(zāi)資源布局、救援救助路徑選擇、草原火災(zāi)應(yīng)急災(zāi)情快速評(píng)價(jià)、救助方案的優(yōu)化、減災(zāi)對(duì)策的制定、災(zāi)后救助方案的實(shí)施服務(wù)。都瓦拉[52]總的評(píng)價(jià)草原火燒對(duì)生態(tài)的影響，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、確定權(quán)重、評(píng)價(jià)模型、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分級(jí)。草原火災(zāi)管理的本質(zhì)是積極地預(yù)防和應(yīng)對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，有利于各種防火資源的有效配置，有利于最大限度地消除火災(zāi)給牧區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)帶來的各種不利影響，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供最大的安全保障。宮大鵬[53]基于遙感影像的燃燒指數(shù)被廣泛應(yīng)用于火燒嚴(yán)重度研究，利用landsat8 OLI影像分別構(gòu)建燃燒指數(shù)歸一化燃燒率(Normalized Burn Ratio，NBR)、亮度調(diào)整燃燒率第一類(NIR-SWIR-Temperature Versuin，NSTV1)、與綜合燃燒指數(shù)的回歸模型并進(jìn)行精度驗(yàn)證，對(duì)比分析不同燃燒指數(shù)識(shí)別草原火燒嚴(yán)重度等級(jí)的能力,對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)植被的恢復(fù)與管理具有重要意義。周道瑋[54]等全面理解了火燒后草原個(gè)體和群體等各層次特征的變化，有利于用火管理草原時(shí)作出綜合判斷。Christine Wiedinmyer等在氣候變化和土地管理措施的改變可能導(dǎo)致野火發(fā)生密度和程度增大的背景下，利用野火排放模型來估測(cè)在美國西部的干燥溫帶森林系統(tǒng)中應(yīng)用野火規(guī)劃時(shí)，碳排放的潛在減少量，對(duì)火行為管理提供了一定的依據(jù)。Winston S.W.Trollope對(duì)比了現(xiàn)代火管理模式和原始的土著火管理模式，發(fā)現(xiàn)在兩種模式中都認(rèn)為火的使用對(duì)家畜和野生動(dòng)物的植被管理很有效，并且，燃燒時(shí)草地的草皮對(duì)減少植被的負(fù)面影響起主要作用，而適當(dāng)?shù)姆秶芾硎潜３稚鷳B(tài)系統(tǒng)功能的另一個(gè)重要因素。包玉龍[55]對(duì)災(zāi)前的植被指數(shù)進(jìn)行分析后,發(fā)現(xiàn)NDVI值小于0.1的比例為0.46%,大于0.1的比例為99.54%,因此能夠判定當(dāng)NDVI值大于0.1時(shí),發(fā)生和蔓延草原火的概率較高。

2.4 草原火的遙感監(jiān)控

1957年10月4日，蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著人的空間觀測(cè)進(jìn)入了新紀(jì)元。1961年，在美國國家科學(xué)院和國家研究理事會(huì)的支持下，在密歇根大學(xué)的威羅.蘭實(shí)驗(yàn)室召開了“環(huán)境遙感國際討論會(huì)”，此后，在世界范圍內(nèi)，遙感作為一門新興學(xué)科飛速發(fā)展起來。衛(wèi)星遙感具有較高的時(shí)空分辨率，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)大范圍的火情，可對(duì)火勢(shì)的發(fā)展進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠提供較精確的火點(diǎn)面積和對(duì)火點(diǎn)的位置進(jìn)行精確定位。國外從20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行航空紅外探測(cè)的森林火災(zāi)遙感監(jiān)測(cè)研究，到80年代隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，美國、加拿大、西班牙及澳大利亞等國應(yīng)用該技術(shù)開展了森林火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與評(píng)估方面的工作。按時(shí)間順序列出研究人員在遙感監(jiān)控方面的研究進(jìn)展[56]。

NOAA系列衛(wèi)星和GOES系列衛(wèi)星為最早應(yīng)用于該領(lǐng)域的衛(wèi)星平臺(tái)。這兩大系列衛(wèi)星在過去做最主要的遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)，更是在火災(zāi)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中發(fā)揮舉足輕重的作用。1981年Dozier利用分裂窗技術(shù)進(jìn)行高分辨率掃描輻射計(jì)(advanced very high resolution radiometer，AVHRR)資料的亞像元溫度場(chǎng)分析的理論方法研究[57]，應(yīng)用Dozier的模式可以提取混合像元中的高溫點(diǎn)。Flannigan S P[58]以為其中最為成熟的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法就是閾值模型法，最先是由Flannigan和Vonder Haar等在 1986 年首次在林火監(jiān)測(cè)中運(yùn)用。Kaufman[59]在此基礎(chǔ)上1998年Kaufman等在巴西的林火監(jiān)測(cè)中使用了不同的閾值法。在1999 年加拿大國家遙感中心的李占清[60]等分別采用熱點(diǎn)探測(cè)算法、NDVI差值探測(cè)算法和混合算法對(duì)AVHRR資料探測(cè)森林火災(zāi)進(jìn)行了定量研究，并取得了理想的進(jìn)展。在國內(nèi)范心圻[61]等利用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)通過彩色合成圖片來監(jiān)測(cè)火情，火點(diǎn)真?zhèn)蔚呐袆e成為確保監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵。進(jìn)入90年代后，草原火災(zāi)遙感監(jiān)測(cè)研究逐漸的增多，蘇和、裴浩[62]等人對(duì)火點(diǎn)的提取進(jìn)行了不同的研究，利用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)通過閾值法自動(dòng)提取火點(diǎn)像元。楊蘭芳[63]等應(yīng)用光譜特性和通道3的亮度溫度直方圖確定火點(diǎn)門限值判別火點(diǎn)，根據(jù)通道1的反射率和高溫點(diǎn)與背景溫度之差，自動(dòng)判別剔除低云和干擾點(diǎn)。董永平[64]在主成分分析的信息分配過程，提出在沒有NOAA/ AVHRR 3波段數(shù)據(jù)的情況下，提取草原火信息的方法。蘇和,劉桂香[65]等主要介紹了NOAA衛(wèi)星概要、AVHRR數(shù)據(jù)特征及中國農(nóng)科院草原研究所氣象衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的配置、功能以及應(yīng)用NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行草原火災(zāi)監(jiān)測(cè)的原理、方法及應(yīng)用實(shí)例。在充分利用各主成分信息的基礎(chǔ)上，利用Lab色采模型有效地突出了草原火信息。覃先林[66]等在2000年利用AVHRR數(shù)據(jù)對(duì)小火點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別方面進(jìn)行研究然而直到 2004 年四川農(nóng)業(yè)氣象中心的卿清濤[67]對(duì)NOAA/AVHRR遙感監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究，并根據(jù)加拿大遙感中心和中國氣象局衛(wèi)星中心提供的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)閾值，提出了適合四川地區(qū)的閾值并進(jìn)行了其準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。閆厚[68]等在2005對(duì)氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，1999年美國航空航天總署發(fā)射了地球觀測(cè)系統(tǒng)的極地軌道環(huán)境遙感衛(wèi)星Terra，衛(wèi)星上搭載了中分辨率成像光譜儀，MODIS在儀器特征參數(shù)設(shè)計(jì)上就考慮了火災(zāi)監(jiān)測(cè)的需求。EOS/MODIS具有36個(gè)通道，23草原火災(zāi)亞像元火點(diǎn)面積估算。MODIS數(shù)據(jù)在火點(diǎn)判識(shí)領(lǐng)域中的應(yīng)用算法是在NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)的算法上改進(jìn)而成的，主要是利用絕對(duì)火點(diǎn)判識(shí)法、上下文模型法及三通道合成法。而在2003年Giglio[68]就針對(duì)絕對(duì)火點(diǎn)識(shí)別方法的一些問題進(jìn)行了改進(jìn)，提出了基于EOS/MODIS的火點(diǎn)探測(cè)增強(qiáng)算法即上下文法。在Terra衛(wèi)星發(fā)射之后，學(xué)者們進(jìn)行了許多基于EOS/MODIS數(shù)據(jù)的火點(diǎn)自動(dòng)提取算法研究。Adab.Hamed[70]在Golestan省收集和分析了15年來的MODIS熱點(diǎn)數(shù)據(jù)。利用BLR和ANN方法，選取13個(gè)環(huán)境和人為因素構(gòu)建火災(zāi)危險(xiǎn)地圖，對(duì)火災(zāi)頻率和分布進(jìn)行了調(diào)查。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的2000年到2015年之間的戈?duì)査固怪莺突馂?zāi)危險(xiǎn)區(qū)域的MODIS主動(dòng)火災(zāi)檢測(cè)結(jié)果比較表明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果令人滿意。陳世榮[71]在分析總結(jié)EOS/MODIS數(shù)據(jù)特征以及MODIS火災(zāi)產(chǎn)品火點(diǎn)識(shí)別算法基礎(chǔ)上，將4μm和11μm的通道轉(zhuǎn)換為輻射亮度值或反射亮度值后利用普朗克公式將輻射亮度值轉(zhuǎn)換為亮度溫度值，根據(jù)閾電磁波譜范圍為0.4～14μm，空間分辨率為250 m，500 m和1 000 m，掃描寬度2 330 km，白天每日可獲得兩次觀測(cè)數(shù)據(jù)，其火災(zāi)監(jiān)測(cè)能力優(yōu)于其它遙感儀器性能。劉桂香[72]等利用火點(diǎn)在通道3和4引起的輻射率和亮度溫度增量具有明顯的差異的特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)火點(diǎn)自動(dòng)判識(shí)，結(jié)合人機(jī)交互方式剔除云的影響。玉山[73]等以內(nèi)蒙古草原為研究區(qū)，結(jié)合可燃物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和EOS/MODIS數(shù)據(jù)，應(yīng)用回歸分析方法建立枯草期可燃物量估測(cè)模型。烏云德吉[74]研究選取了內(nèi)蒙古錫林郭勒盟草原火重點(diǎn)防治區(qū)域-東烏珠穆沁旗作為研究區(qū)，對(duì)研究區(qū) 2000-2011年的草原火現(xiàn)狀、草原火時(shí)間分布模式、草原火冷熱點(diǎn)分布模式做了研究分析。Yang Jun[75]緊接著我國自主研發(fā)的FY-3A 極軌氣象衛(wèi)星于 2008 年 5月 27 日發(fā)射升空。Hutchison K.[76]D FY-3A 氣象衛(wèi)星對(duì)大氣、陸表和海洋的全天候遙感探測(cè)能力能夠在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、全球環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)、重大災(zāi)害預(yù)警等方面發(fā)揮巨大作用.郭捷[77]VIRR一級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品采用國際兼容的HDF5數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)了資料的全球共享和兼容。同時(shí)VIRR一級(jí)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上，避免了MODIS數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)方式上文件龐大、復(fù)雜的缺點(diǎn)，采用了美國最新一代極軌氣象衛(wèi)星Suomi NPP的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，將經(jīng)緯度等輔助科學(xué)數(shù)據(jù)集與通道科學(xué)數(shù)據(jù)集分離，形成兩個(gè)大約為 200MB左右的數(shù)據(jù)文件，因此有效提高了用戶獲取和讀取數(shù)據(jù)的效率。王釗[78]在 2011 年利用FY-3/VIRR傳感器數(shù)據(jù)對(duì)地表火監(jiān)測(cè)算法進(jìn)行研究，得出提高對(duì)低亮溫值火點(diǎn)的識(shí)別精度，判識(shí)是否偽火點(diǎn)。

隨著出現(xiàn)的全球火點(diǎn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，在FY-3/VIRR數(shù)據(jù)中包含的以 5分鐘段資料存檔的全球火點(diǎn)判識(shí)數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)是依據(jù)中紅外通道對(duì)高溫?zé)嵩疵舾刑攸c(diǎn)，提取全球陸地火點(diǎn)信息并估算亞像元火點(diǎn)面積和溫度，生成白天和夜間全球火點(diǎn)分布和火點(diǎn)強(qiáng)度表，分辨率為 1 km。還有NPP/VIRR的所屬產(chǎn)品數(shù)據(jù)NPP/VIRRS Active Fire全球火點(diǎn)判識(shí)數(shù)據(jù)。2013年 E. Ellicott，L.Giglio[79]等利用 750 m、350 m分辨率的NPP/VIRRS Active Fire產(chǎn)品數(shù)據(jù) 與Aqua/MODIS 1 km的數(shù) 據(jù)在火點(diǎn) 監(jiān)測(cè)中進(jìn) 行對(duì)比分 析可知NPP/VIRRS Active Fire數(shù)據(jù)精度更高。而隨著日本氣象局在 2015 年 7月份推出了Himawari8數(shù)據(jù)以后，由于此數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率高，因此在突發(fā)而短促的火災(zāi)研究中備受歡迎。2015 年 3月由日本氣象廳發(fā)出了Himawari8/Himawari9數(shù)據(jù)的用戶導(dǎo)論，對(duì)數(shù)據(jù)的詳細(xì)說明中可知具有監(jiān)測(cè)自然火災(zāi)的專通道[80]。在 2016 年Chathura H. Wickramasinghe，Simon Jones[81]等人利用Himawari8數(shù)據(jù)的AHI傳感器數(shù)據(jù)的中紅外、近紅外和紅光通道同空間分辨率的疊加使用通過AHI-FSA算法，實(shí)時(shí)提取火燒跡地。Hallya L.Wallace[82]等也在 2016 年對(duì)Himawari8/AHI數(shù)據(jù)在火點(diǎn)監(jiān)測(cè)中用到的通道的亮溫值計(jì)算方法以及將此算法運(yùn)用到澳大利亞西南部火點(diǎn)監(jiān)測(cè)中。陳潔[83]提出利用Himawari-8數(shù)據(jù)的自適應(yīng)閾值火點(diǎn)監(jiān)測(cè)算法，并以 2016 年 4月內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市邊界境外草原火為例，利用 22 個(gè)小時(shí)期間的 132 個(gè)時(shí)次Himawari-8數(shù)據(jù)，對(duì)火情進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.5 草原火險(xiǎn)預(yù)警

草原火險(xiǎn)預(yù)警是減少草原火災(zāi)損失的有效措施，而構(gòu)成草原火險(xiǎn)指數(shù)并對(duì)草原火險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行火險(xiǎn)分級(jí)是實(shí)現(xiàn)草原火災(zāi)預(yù)警的主要手段。

國外在森林草原火險(xiǎn)預(yù)警研究可以分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是在20世紀(jì)的80年代以前，這個(gè)階段森林草原的火險(xiǎn)預(yù)警研究主要是基于大氣溫度、大氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、晴天日數(shù)等等的氣象因子進(jìn)行相關(guān)研究；第二階段是20世紀(jì)80年代以后，在這一階段森林草原火險(xiǎn)的預(yù)警研究不僅考慮氣象因子，還通過利用遙感技術(shù)獲得地面的特征，還有一些學(xué)者在結(jié)合遙感和氣象的基礎(chǔ)上在加上可燃物特征和地形地貌等多個(gè)因子，進(jìn)行多因子的綜合分析的草原火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)研究。美國農(nóng)業(yè)部的Rothermel[84]于1972年建立了基于能量守恒定律的Rothermel火蔓延模型，該模型在大區(qū)域地表可燃物的基礎(chǔ)上對(duì)火蔓延速率和強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。美國農(nóng)業(yè)部在該模型的基礎(chǔ)上建立了BEHAVE火行為預(yù)測(cè)系統(tǒng)，各州的土地管理機(jī)構(gòu)使用該模型建立了FARSITE火蔓延預(yù)測(cè)軟件。R J Raison[85]等結(jié)合Rothermel模型和GIS對(duì)新西蘭鑲嵌性灌木林地進(jìn)行了火蔓延過程的模擬。CSIRO草原火焰?zhèn)鞑ビ?jì)是所有澳大利亞草地類型中預(yù)測(cè)草原火行為的推薦操作系統(tǒng)。A L Sullivan[86]利用這一操作系統(tǒng)對(duì)2020年和2050年澳大利亞東部三個(gè)主要牧區(qū)和農(nóng)業(yè)地區(qū)整個(gè)火災(zāi)期草場(chǎng)的可能行為的影響。F Samadzadegan[87]等利用MODIS數(shù)據(jù)，利用基于網(wǎng)絡(luò)的遙感影像處理來表示自動(dòng)火災(zāi)探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的基本架構(gòu)及其構(gòu)建模塊。Chowdhury E H[88]我們的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)基于遙感的森林火險(xiǎn)預(yù)測(cè)系統(tǒng)及其在加拿大艾伯塔省預(yù)測(cè)2011年火災(zāi)季節(jié)的實(shí)施。

我國在 2000 年之前關(guān)于草原火險(xiǎn)預(yù)警的研究主要使用氣象要素作為火險(xiǎn)預(yù)測(cè)的因子，始終把氣象要素作為主要的預(yù)報(bào)參數(shù).如李德脯[89]等利用空氣溫度、濕度和風(fēng)速制定了修正的有效濕度火險(xiǎn)預(yù)報(bào)法和具體的火險(xiǎn)氣象指標(biāo)。許秀紅[90]、袁美英[91]等將氣溫和風(fēng)速作為增因子，降水和相對(duì)濕度作為減因子，將草原火險(xiǎn)等級(jí)按無危險(xiǎn)到極高危險(xiǎn)劃分為 5級(jí)后采用模糊數(shù)學(xué)方法分析草原火險(xiǎn)與氣象要素的關(guān)系建立氣象要素在各級(jí)的貢獻(xiàn)度指標(biāo)，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行返青期、枯萎期和枯霜期訂正，并用c語言和圖形圖象處理等方法所編制的火險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。李春云[92]等在考慮了影響可燃物干燥程度的前期氣象要素，特別是持續(xù)無明顯降水的情況，又考慮了預(yù)報(bào)日的氣象要素和天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上研制草原火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)方法，收效明顯。傅澤強(qiáng)[93]等利用內(nèi)蒙古錫林郭勒盟地區(qū) 1986-1997 年的草原火災(zāi)及同期氣象資料，綜合考慮了火災(zāi)發(fā)生當(dāng)日及前期氣象要素對(duì)草原火險(xiǎn)的影響，采用數(shù)學(xué)模擬的建模方法研制了該地區(qū)重點(diǎn)火險(xiǎn)區(qū)域的春季草原火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)模型。李興華[94]等利用相關(guān)分析法選擇了森林草原火災(zāi)與氣象條件密切的因子，應(yīng)用判別分析的方法建立了基于氣象因子的內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部森林草原火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)化和遙感監(jiān)測(cè)手段的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者綜合考慮可燃物狀況、氣象條件、地形等因素來計(jì)算草原火險(xiǎn)指數(shù)，使得火險(xiǎn)指數(shù)的使用更加便利和快捷。Lizhong Hua[95]介紹了森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)與衛(wèi)星和無人駕駛安裝紅外遙感的原則和案例研究的概述。崔亮[96]等人利用Logistic回歸模型進(jìn)行警源識(shí)別確定影響草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的關(guān)鍵因子，用最優(yōu)分割法對(duì)1994-2004年火災(zāi)案例進(jìn)行最優(yōu)分割確定預(yù)警閾值并劃分為藍(lán)色、黃色、橙色、紅色警報(bào)。杜秀賢[97]等全面系統(tǒng)地分析論述了林火及草原火預(yù)報(bào)的各種指標(biāo)、模型和基本理論，并研制出了客觀配套的呼盟林火及草原火預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件。隋劍利[98]本項(xiàng)目研究和探討了森林、草原火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展、撲救與不同氣象條件的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，建立了森林、草原火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，制作和發(fā)布森林、草原火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)、高低火險(xiǎn)時(shí)段和趨勢(shì)預(yù)報(bào)。

火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型是在特定區(qū)域火災(zāi)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上獲得的預(yù)測(cè)模型，將該火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型及其數(shù)據(jù)預(yù)處理方式與該區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域動(dòng)態(tài)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。以下研究人員利用預(yù)警模型對(duì)森林草原火災(zāi)進(jìn)行了模擬。Xing-peng Liu[99]介紹了一種基于模糊邏輯的內(nèi)蒙古草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型。利用歷史草地火災(zāi)和草原火災(zāi)，展示了預(yù)警結(jié)果的可靠性。曾皓[100]等利用氣象要素、干燥度指、火指數(shù)與著火閥值的比較得出著火等級(jí)初值。依據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成理論、區(qū)域?yàn)?zāi)害系統(tǒng)理論、災(zāi)害預(yù)警理論建立草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型。都瓦拉[101]等利用EOS/MODIS數(shù)據(jù)和內(nèi)蒙古不同類型草地枯草期野外實(shí)測(cè)可燃物月動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，建立枯草期遙感估測(cè)模型。構(gòu)建草原火險(xiǎn)指數(shù)，建立草原火險(xiǎn)等級(jí)短期預(yù)報(bào)模型。李興華[102]等得出內(nèi)蒙古森林草原火災(zāi)的時(shí)空分布規(guī)律，周期變化和影響因子，得出事件和太陽黑子對(duì)內(nèi)蒙古森林草原火災(zāi)的預(yù)報(bào)具有明顯的指示作用，建立了短期和日滾動(dòng)、中期、春季、夏季、秋季火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)模型和系統(tǒng)。傅澤強(qiáng)[103]采用數(shù)學(xué)模擬的建模方法，研制了該地區(qū)重點(diǎn)火險(xiǎn)區(qū)域的春季草原火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)模型。郭平[104]采用逐步回歸方法建立了草地頭火速度、火強(qiáng)度、火燒跡地形狀的預(yù)測(cè)模型。我國的朱啟疆[105]等將Rothermel模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合，利用迷宮算法實(shí)現(xiàn)了火場(chǎng)在地理信息系統(tǒng)支持下的空間蔓延動(dòng)態(tài)模擬。廖曉玉[106]以錫林郭勒盟草原為例，借鑒自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論，利用支持向量機(jī)建立了一種新的草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)模型。辛喆[107]為了研究不同影響因素下草原火災(zāi)的蔓延規(guī)律，該文針對(duì)某一實(shí)際草場(chǎng)，首先利用火災(zāi)模擬軟件FDS建立其簡化的草原火災(zāi)模型；其次，基于相關(guān)性分析結(jié)果，對(duì)模型在不同風(fēng)速下草原火災(zāi)的蔓延規(guī)律進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與野外試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，證明了模型的正確性；最后，對(duì)該模型在不同環(huán)境溫度、不同坡度及不同可燃物含水率條件下草原火災(zāi)蔓延規(guī)律進(jìn)行三維數(shù)值研究，分析比較各影響因素對(duì)草原火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響，并給出了不同影響因素下火災(zāi)的熱釋放速率、燃燒速率等的變化規(guī)律，為制定有效的防火滅火措施提供理論依據(jù)。董琪如[108]本文基于WRF-Fire模式模擬了2009年“5.21”蒙古國入境大火蔓延過程，就天氣形勢(shì)、可燃物、地形三個(gè)要素對(duì)此次大火進(jìn)行了分析討論，并通過敏感性試驗(yàn)分析了防火隔離帶對(duì)火勢(shì)的阻擋作用。張繼權(quán)[109]利用最優(yōu)分割法對(duì)于呼倫貝爾草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警閾值進(jìn)行了定量的、客觀的劃分,最優(yōu)分割方法能很好的對(duì)預(yù)警閾值進(jìn)行合理的劃分,進(jìn)而做出科學(xué)的預(yù)警結(jié)果.網(wǎng)格GIS以網(wǎng)格為單位既具有柵格數(shù)據(jù)的顯示形式,又具有矢量數(shù)據(jù)的屬性信息,是將傳統(tǒng)意義上的矢量數(shù)據(jù)詳細(xì)化.用網(wǎng)格GIS技術(shù)結(jié)合回歸分析對(duì)選區(qū)的指標(biāo)進(jìn)行空間展布使得空間評(píng)價(jià)尺度更加精確,用最優(yōu)分割法對(duì)1994-2004火災(zāi)案例進(jìn)行最優(yōu)分割確定預(yù)警閾值并劃分為藍(lán)色、黃色、橙色、紅色警報(bào)。

2.6 草原火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)是指在失去人為的控制時(shí)草原火的發(fā)生、發(fā)展及其對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)和草原生態(tài)系統(tǒng)造成破壞損失(包括經(jīng)濟(jì)、人口、牲畜、草場(chǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施等)的可能性，而不是草原火災(zāi)損失本身。當(dāng)這種由于火災(zāi)導(dǎo)致的損害的可能性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，即為草原火災(zāi)。根據(jù)目前比較公認(rèn)的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制和構(gòu)成要素，草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)主要取決于四個(gè)因素:草原火災(zāi)的危險(xiǎn)性、草原火災(zāi)的暴露性、承災(zāi)體的脆弱性和防火減災(zāi)能力[110]?；痣U(xiǎn)評(píng)估是火災(zāi)預(yù)防與管理等的重要組成部分，因?yàn)榛鸸芾硪?guī)劃需要一個(gè)客觀的工具提供什么地點(diǎn)更容易發(fā)生火。傳統(tǒng)的火險(xiǎn)評(píng)估大部分采用氣象站點(diǎn)常規(guī)監(jiān)測(cè)要素建立氣象指數(shù)的方法。統(tǒng)計(jì)與聚類分析等方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于野火火險(xiǎn)等級(jí)劃分的研究中。在過去的十幾年里，基于GIS和遙感影像開發(fā)了多個(gè)火險(xiǎn)指數(shù)并進(jìn)行火險(xiǎn)評(píng)估與制圖，但是大部分研究都集中在森林火險(xiǎn)方面。火險(xiǎn)災(zāi)害評(píng)估，是當(dāng)前國際防災(zāi)減災(zāi)管理工作中的先進(jìn)模式，因此受到學(xué)術(shù)界和國內(nèi)外災(zāi)害管理者的重視[111-113]。

目前國內(nèi)外關(guān)于草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的研究還非常少見，在國外草原火災(zāi)的研究是作為野火的一部分來進(jìn)行整體研究的，例如，Verbesslt J利用可燃物的濕度進(jìn)行野火風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；加拿大的Emilin Chuvieco[114]于1989 年運(yùn)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)其西北部地區(qū)的全部森林火災(zāi)進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查，并計(jì)算了火燒跡地的面積。Lopez[115]利用NOAA-AVHRR圖像數(shù)據(jù)對(duì)西班牙的森林火險(xiǎn)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，并將可燃物類型圖、遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，開發(fā)潛在火險(xiǎn)指數(shù)，對(duì)全歐洲進(jìn)行了森林火險(xiǎn)評(píng)價(jià)。Paltridge[116]利用NOAA-AVHRR衛(wèi)星影像對(duì)澳大利亞的草原干燥度及潛在火險(xiǎn)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和評(píng)估。Chuvieco[117]等利用遙感數(shù)據(jù)反演的NDVI、地表溫度和相對(duì)綠度三個(gè)參數(shù)，對(duì)植物含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)西班牙的森林火險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。我國在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理相關(guān)的研究開始與20世紀(jì)80年代。草原火災(zāi)的研究起初是把草原火災(zāi)作為一種自然現(xiàn)象，著重調(diào)查分析草原火災(zāi)發(fā)生的可燃物基礎(chǔ)和氣象因子等自然因子，而忽略了承災(zāi)能力和脆弱性的研究。真正意義的草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究還處在起步階段，隨著火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相關(guān)研究的不斷深入，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子由單因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)漸變到多因子的綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。國內(nèi)關(guān)于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)也是非常少見，主要是由東北師范大學(xué)的張繼權(quán)做了一些相關(guān)研究。張繼權(quán)、劉興鵬和佟志軍等采用加權(quán)綜合評(píng)分法和AHP構(gòu)建了草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型，定量評(píng)價(jià)了吉林省西部草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[118-119]。Hongfeng Bian[120]將燃料、火災(zāi)氣候、可達(dá)性、人類社會(huì)因素和地形五類評(píng)估數(shù)據(jù)、納入模型，用于估算草地火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。在指數(shù)內(nèi)，根據(jù)空間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)創(chuàng)建了四個(gè)類別，以充分評(píng)估各自的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)：極端，高度，中度和低度。王麗濤[121]等闡述了火險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估研究中的相關(guān)概念，對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估已使用過的指標(biāo)進(jìn)行了總結(jié)，簡要分析了各類評(píng)估指標(biāo)對(duì)火災(zāi)的影響，總結(jié)和分析了已有的火險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法；并介紹了針對(duì)我國北方四省森林草原生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)簡要分析了遙感反演指標(biāo)的火險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估應(yīng)用。都瓦拉[122]對(duì)內(nèi)蒙古草原枯草期可燃物量進(jìn)行遙感估測(cè)、內(nèi)蒙古草原火險(xiǎn)預(yù)警、亞像元火點(diǎn)面積估測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、損失評(píng)估和草原火災(zāi)生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)等進(jìn)行研究。將格雷厄姆金尼法和層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)等技術(shù)方法引入火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)領(lǐng)域。周偉奇[123]等根據(jù)我國北方草原生態(tài)和環(huán)境特點(diǎn)，綜合影響草原火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的因子，選擇溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水量、枯草率、可燃物干重和草地連續(xù)度共7個(gè)基本指標(biāo)構(gòu)造了基于遙感的草原火險(xiǎn)指數(shù)。根據(jù)計(jì)算得到的草原火險(xiǎn)指數(shù)，將研究區(qū)域的火險(xiǎn)狀態(tài)劃分為低、中、高和極高4個(gè)等級(jí)，用來預(yù)測(cè)草原火災(zāi)發(fā)生的可能性、擴(kuò)展速度和撲滅難度。

3 問題與展望

3.1 存在的主要問題

草原火的研究主要包括草原火的影響因素分析、草原火的研究內(nèi)容兩個(gè)部分，上文分別對(duì)它們進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，草原火的研究內(nèi)容方面國內(nèi)外學(xué)者的研究角度有較大的差異，且存在一些不足，主要包括以下四方面:

(1)對(duì)草原火的屬性研究存在時(shí)間斷層。90年代以前國內(nèi)主要以自然屬性為研究重點(diǎn)，著重分析了草原火對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，90年代以后隨著遙感、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展草原火的災(zāi)害屬性成為了研究熱點(diǎn)。但草原火的三個(gè)屬性是一個(gè)綜合的系統(tǒng)，需要從不同的角度綜合研究，在今后的研究中應(yīng)平衡好火的自然屬性和災(zāi)害屬性，使工具屬性發(fā)揮最大的價(jià)值。(2)對(duì)草原火的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究缺乏綜合性。現(xiàn)有的研究多側(cè)重于火險(xiǎn)等級(jí)的劃分，而較少有文獻(xiàn)研究草原火災(zāi)應(yīng)急管理能力的評(píng)價(jià)，無法在評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上對(duì)城市綜合應(yīng)急管理提出建設(shè)性意見。(3)對(duì)草原火災(zāi)的模型構(gòu)建缺乏創(chuàng)新性。與森林火相比對(duì)草原火研究較少，模型的構(gòu)建大多是參考森林火災(zāi)的模式。國外學(xué)者對(duì)火災(zāi)預(yù)測(cè)多采用遙感、GIS手段，國內(nèi)學(xué)者采用數(shù)學(xué)方法建立模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。模型多為單目標(biāo)或單階段，與實(shí)際的符合程度較低。(4)國內(nèi)學(xué)者對(duì)草原火的研究相比國外學(xué)者稍有滯后。近幾年國內(nèi)研究人員對(duì)草原火的重視程度不夠，進(jìn)入21世紀(jì)草原火的文獻(xiàn)數(shù)量急劇減少。在全球氣候變暖的大背景下，沒有結(jié)合當(dāng)今熱點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行研究，造成了草原火研究滯后的局面。

3.2 展望

全球氣候的變化給草原火的研究帶來了相應(yīng)的壓力，只有不斷的更新草原火的管理方式，融入多學(xué)科、采用多視角對(duì)草原火展開研究，科學(xué)合理的進(jìn)行資源的優(yōu)化配置與調(diào)度。尤其在我國，對(duì)草地火的認(rèn)識(shí)還非常不充分，草地火狀況研究的水平很大程度上受著火規(guī)律、模擬理論和方法等的限制。在我國進(jìn)行草地火研究的大部分學(xué)者都是從災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的思想和角度進(jìn)行研究，主要突出了草地火的災(zāi)害屬性，對(duì)草地火本身的規(guī)律、特點(diǎn)等研究不足，限制了草地火管理、火生態(tài)等方向的研究與發(fā)展。

在火燒對(duì)生態(tài)影響方面，國內(nèi)外研究人員在火燒對(duì)草地的地溫、土壤微生物和生物量、地上生產(chǎn)力、植物多樣性、土壤種子庫、土壤呼吸對(duì)碳循環(huán)、植物群落的影響各提出了看法，國外研究人員近幾年多結(jié)合全球氣候變化的視角，對(duì)碳循環(huán)、土地生產(chǎn)力進(jìn)行了研究。國內(nèi)研究人員前幾年多用傳統(tǒng)的火燒法對(duì)草原生態(tài)環(huán)境進(jìn)行研究，但近幾年的研究成果較少，認(rèn)為有新的研究內(nèi)容值得研究人員探尋。我國的研究人員從群落組成、群落生物量、群落氣候變化等方面對(duì)火燒給植物群落帶來的影響得出了不同的結(jié)果，不同的火燒時(shí)間和方法對(duì)種群的影響是不盡相同的，但得出的結(jié)論都有利于我們對(duì)草原火的管理，可以再投入時(shí)間研究。在草原火的時(shí)空分布方面，對(duì)草原火地域分布格局的研究都是利用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)，隨著遙感手段的不斷升級(jí)，對(duì)草原火災(zāi)的格局分布也會(huì)有更全面的分析。草原火管理的方式隨著新技術(shù)的出現(xiàn)不斷的優(yōu)化升級(jí)，為草原管理奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這里應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是前人對(duì)火的三屬性研究有明顯的時(shí)間差異，90年代前以火的自然屬性為研究重點(diǎn)，衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展使得國內(nèi)研究人員的重點(diǎn)偏向火的災(zāi)害屬性。在今后的研究中應(yīng)平衡好火的自然屬性和災(zāi)害屬性，使工具屬性發(fā)揮最大的作用。在全球氣候變暖的大背景下，草原火對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響和草原火災(zāi)的破壞性同樣重要。在草原火遙感監(jiān)測(cè)方面，基于衛(wèi)星遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)草原火災(zāi)預(yù)警和監(jiān)測(cè)研究工作上，國內(nèi)外的科學(xué)研究工作者已經(jīng)先后開展了大量的工作。事實(shí)證明，由于衛(wèi)星遙感帶來的技術(shù)革新，不僅推動(dòng)了災(zāi)害管理研究工作的向前發(fā)展，而且也為災(zāi)害管理工作提供了技術(shù)支撐，使得相關(guān)管理部口能夠做出最及時(shí)的應(yīng)對(duì)策略，將災(zāi)害所造成的損失最小化。然而，在上述己開展的研究工作中，都或多或少存在著些許不足，為提高早期監(jiān)測(cè)在草原火災(zāi)防治中的效果，建議如下:對(duì)已有的火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，加強(qiáng)重點(diǎn)區(qū)域和特殊年份的監(jiān)測(cè)工作;研發(fā)火情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)揮傳統(tǒng)方法和新技術(shù)各自優(yōu)勢(shì);構(gòu)建全國草原監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)災(zāi)情數(shù)據(jù)共享和防治資源優(yōu)化在草原火險(xiǎn)預(yù)警方面，針對(duì)目前的火災(zāi)預(yù)警現(xiàn)狀和火災(zāi)預(yù)警技術(shù)開始邁向智能化的時(shí)代。通過數(shù)學(xué)和軟件技術(shù)將各類干擾降到最低，達(dá)到顯著提升系統(tǒng)抗干擾能力效果，從而達(dá)到火災(zāi)預(yù)警目的。在草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是發(fā)現(xiàn)、減小和控制火災(zāi)的基本手段?，F(xiàn)階段各類火災(zāi)事故還是屢見不鮮，通過正確的進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可以為管理者的決策提供依據(jù)和提出合理化的意見，最大程度地避免火災(zāi)事故的發(fā)生?，F(xiàn)階段火災(zāi)科學(xué)基礎(chǔ)研究的一項(xiàng)重要課題就是火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，其研究內(nèi)容主要包括災(zāi)害的自然屬性和社會(huì)屬性兩方面。在現(xiàn)有火災(zāi)機(jī)理和規(guī)律的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)、統(tǒng)計(jì)理論等火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可，其基礎(chǔ)理論方面的研究方興未艾。因此，全面開展草地火狀況研究，進(jìn)行草地火發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是草地火研究深入發(fā)展的基礎(chǔ)，是提高與改善草原火災(zāi)預(yù)警預(yù)報(bào)、火災(zāi)撲救、火災(zāi)損失評(píng)估等方面能力與水平的必經(jīng)之路。