基于時間序列遙感數(shù)據(jù)評估氣候變化對尼泊爾森林火災(zāi)的影響

(江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院 江西 贛州 344100)

引言

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，林火及氣候的空間監(jiān)測技術(shù)不斷提高，遙感在森林火災(zāi)監(jiān)測及氣候變化評估方面的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。本研究以尼泊爾為例，基于2001-2014年時間序列氣候要素數(shù)據(jù)集，提取多個與林火相關(guān)的氣候參量，計算各氣候參量與林火的空間相關(guān)性，以明確影響尼泊爾森林火災(zāi)的主要氣候要素，為該地區(qū)森林火災(zāi)管理及火災(zāi)早期預(yù)警提供理論基礎(chǔ)及科學(xué)依據(jù)。

一、研究區(qū)與數(shù)據(jù)

(一)研究區(qū)概況

尼泊爾屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，氣候分布受地形影響變化很大，降雨區(qū)域性差異大，年均降水量達(dá)1530mm，有著明顯的干濕季，其中每年的春季(3-5月)和冬季(12-2月)為尼泊爾旱季，也是尼泊爾的火災(zāi)高發(fā)季節(jié)。

(二)數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

(1)格網(wǎng)數(shù)據(jù)

本研究創(chuàng)建了分辨率為0.15°×0.15°的三種格網(wǎng)數(shù)據(jù)，分別為年際格網(wǎng)、冬季格網(wǎng)、春季格網(wǎng)，以保證研究中所使用數(shù)據(jù)為一致分辨率。夏季和秋季由于基本沒有火災(zāi)因此未予考慮。格網(wǎng)數(shù)據(jù)基于TRMM3B43降水量數(shù)據(jù)生成，首先用ArcGIS將分辨率為0.25°×0.25°的TRMM3B43降水量數(shù)據(jù)重采樣至0.15°，然后創(chuàng)建格網(wǎng)，格網(wǎng)數(shù)據(jù)中網(wǎng)格大小與位置與重采樣后降水量數(shù)據(jù)像元完全匹配。

(2)遙感數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

本研究使用的火災(zāi)數(shù)據(jù)是2000年12月至2014年11月MCD14ML全球月火點數(shù)據(jù)集(http://modis-fire.umd.edu/pages/ActiveFire.php?target=GetData)。氣候數(shù)據(jù)為同期 MOD16A2全球月蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集以及TRMM3B43 V007 全球月降水量數(shù)據(jù)集。其中MOD16A2空間分辨率1公里，包含蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)(http://files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD16)。本文利用NASA提供的MODIS重投影工具MRT(MODIS Reprojection Tool)對其進行批量鑲嵌、重采樣、重投影等步驟，并生成GeoTIFF的多時序影像。TRMM3B43 V007空間分辨率為0.25°×0.25°，本文在ArcGIS中將其重采樣至0.15°×0.15°。

土地覆蓋數(shù)據(jù)為USGS提供的2001年至2014年500米分辨率的MCD12Q1數(shù)據(jù)(https://lpdaac.usgs.gov)，采用國際地圈生物圈計劃的土地覆蓋分類體系，有17大地類，其中像元值為1-10的地類為非農(nóng)業(yè)植被類，本研究將這些地類設(shè)為易于發(fā)生火災(zāi)的森林區(qū)域，其他像元值作為非森林區(qū)域。DEM數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)上獲取的分辨率為30米的ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)。

二、研究方法

火點密度數(shù)據(jù)生成，氣候參量數(shù)據(jù)處理和生成， 格網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，火災(zāi)密度與各氣候參量相關(guān)分析。

三、結(jié)果與分析

(一)2001-2014年林火與氣候參量相關(guān)性

逐網(wǎng)格計算2001-2014年期間火點密度與各氣候參量之間的相關(guān)系數(shù)，據(jù)結(jié)果顯示：蒸散發(fā)、降水量及蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值與森林火災(zāi)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，潛在蒸散發(fā)與森林火災(zāi)呈正相關(guān)關(guān)系。年際各氣候參量與森林火災(zāi)相關(guān)性通過P<0.05檢驗的網(wǎng)格較少，表明年際各氣候參量的變化不是影響年火災(zāi)總量的主要因素，年際火災(zāi)活動可能受到除這些氣候因素以外的影響。

春季蒸散發(fā)與火點密度呈負(fù)相關(guān)且通過P<0.05檢驗的網(wǎng)格較多，占整個地區(qū)的32.7%，主要分布于尼泊爾丘陵及高山區(qū)。降水量則與火點密度相關(guān)性不高，通過P<0.05檢驗的網(wǎng)格僅占16.6%，且主要分布于尼泊爾西部平原及丘陵區(qū)。蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值與火點密度相關(guān)性最強，通過P<0.05檢驗的網(wǎng)格占34.0%。潛在蒸散發(fā)與火點密度呈正相關(guān)且通過P<0.05檢驗的網(wǎng)格占整個地區(qū)的31.6%，主要分布于尼泊爾西部區(qū)域。由此我們可以看出春季火災(zāi)受蒸散發(fā)、潛在蒸散發(fā)、蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值影響較大，而降水量則對火災(zāi)影響不大。

冬季各氣候參量與火點密度通過P<0.05檢驗的網(wǎng)格普遍較少，且主要分布于高山區(qū)。其中降水量占12.1%，蒸散發(fā)占14.6%，潛在蒸散發(fā)占23.4%，蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值占16.4%，這種情況是由于冬季火災(zāi)數(shù)量遠(yuǎn)低于春季且火災(zāi)位置主要分布于高山區(qū)造成的(本研究火災(zāi)與氣候參量時空分布狀況均未展示)。與春季相似，冬季火災(zāi)同樣受蒸散發(fā)、潛在蒸散發(fā)、蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值影響較大，而與降水量相關(guān)性不大。

(二)尼泊爾年際火災(zāi)季節(jié)變化原因分析

降水是陸地水資源的重要來源，它控制著陸地水資源的分布和數(shù)量。而蒸散發(fā)是受各種環(huán)境因素(風(fēng)、濕度、溫度)影響并使地表及植物水分返回大氣的結(jié)果，潛在蒸散發(fā)則是上述環(huán)境因素的綜合反映。因此相比于蒸散發(fā)，潛在蒸散發(fā)反映了大氣對于水的實際需求量，所以蒸散發(fā)值通常小于或等于潛在蒸散發(fā)值。如果陸地水資源缺乏，那么蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)值之間的差異則會增大，這種差異的大小表明了陸地的干旱狀況。降水會增加陸地水資源，但如果潛在蒸散發(fā)量大于降水量，造成植被可用水不足，使植被趨于干燥，森林可燃物逐漸增多。

從結(jié)果已知影響冬春季火災(zāi)的主要氣候參量為蒸散發(fā)，潛在蒸散發(fā)，蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值，因此本研究進一步統(tǒng)計了尼泊爾地區(qū)14年年際、春季、冬季蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值變化趨勢。如圖1所示，可以看出，春季蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值最低，冬季次之，年際最高。圖2為尼泊爾14年年際、春季、冬季火點數(shù)量變化趨勢，可以看出尼泊爾地區(qū)火災(zāi)呈上升趨勢，春季火災(zāi)數(shù)量遠(yuǎn)多于冬季。與圖1對比后發(fā)現(xiàn)，火點數(shù)量與蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值聯(lián)系密切，林火災(zāi)害越嚴(yán)重的年份該比值越低，2009年火點數(shù)最多，同年該值也為最低，冬春季亦如此，表明低蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值是造成尼泊爾地區(qū)易于發(fā)生火災(zāi)的原因。

冬季蒸散發(fā)、潛在蒸散發(fā)值由于受到各種環(huán)境因素的影響，值都比較小，且降水量在有些年份大于蒸散發(fā)，而Gao的研究表明干旱狀況下降水可以通過增加植被可用水從而使蒸散發(fā)值增大，進而使得冬季蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值較大，這是冬季火災(zāi)較少的原因。與年際、春季蒸散發(fā)分布情況不同，冬季蒸散發(fā)值高山區(qū)要低于丘陵及平原區(qū)蒸散發(fā)值，造成高山區(qū)蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值較小，火災(zāi)增多。此外由于冬季潛在蒸散發(fā)大于降水量，使得該區(qū)域往干燥的方向發(fā)展，可燃物逐漸積累。

春季降水量相比于冬季雖然有所增加，但蒸散發(fā)值變化卻不大，潛在蒸散發(fā)值則急劇上升，致使春季期間尼泊爾地區(qū)干旱程度加劇，而前期冬季已積累了較多可燃物，春季則達(dá)到頂峰。因此一旦出現(xiàn)火源，就會出現(xiàn)較大火災(zāi)。從春季蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)分布來看，尼泊爾地區(qū)海拔越低處，蒸散發(fā)值越低，潛在蒸散值越高，造成低海拔地區(qū)蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值非常低，而平原區(qū)多為尼泊爾農(nóng)業(yè)用地，因此春季火災(zāi)主要發(fā)生于丘陵區(qū)。

圖1 年際、季節(jié)(春季、冬季)蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值變化趨勢

圖2 年際、季節(jié)(春季、冬季)火點變化趨勢

四、結(jié)論

本研究基于時間序列遙感數(shù)據(jù)，提取了多個與林火相關(guān)的氣候參量，計算了年際、春季及冬季火點密度與各氣候參量空間相關(guān)性，分析了尼泊爾年際火災(zāi)季節(jié)變化的原因，結(jié)果表明：

(1)年際各氣候參量變化不足以解釋尼泊爾地區(qū)火災(zāi)活動，季節(jié)火災(zāi)活動與蒸散發(fā)，潛在蒸散發(fā)，蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值變化聯(lián)系密切，降水量的變化不是引起該地區(qū)火災(zāi)活動變化的主要因素。

(2)低蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值是造成尼泊爾地區(qū)易于發(fā)生火災(zāi)的原因，蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)之間的相對變化是影響尼泊爾地區(qū)森林火災(zāi)季節(jié)變化的重要因素。

(3)本研究以尼泊爾為例分析了火災(zāi)與氣候變化之間的聯(lián)系，而全球氣候系統(tǒng)與火災(zāi)活動之間的聯(lián)系需要進一步的研究，本文所用方法可用于評估東南亞區(qū)域氣候變化對火災(zāi)活動的影響。

然而本研究也存在一定的局限性，TRMM降水量數(shù)據(jù)分辨率較低，數(shù)據(jù)精度較低，可能與實際降水量值存在一定的誤差，造成降水量與火災(zāi)相關(guān)性大小存在偏差。此外森林火災(zāi)除了受到各種氣候因素的影響之外，還受到其他人為因素及地形的影響，本文并未將其考慮在內(nèi)，未來的研究中將對這些因素做進一步的思考。