大興安嶺呼中林區(qū)5月火險(xiǎn)等級(jí)變化趨勢(shì)分析

國(guó)世友，王承偉，劉麗敏

(1.黑龍江省龍?jiān)茪庀罂萍加邢挢?zé)任公司氣象院士工作站,哈爾濱 150030;2.黑龍江省氣象臺(tái),哈爾濱 150030;3.伊春市氣象局,黑龍江伊春 153000)

近百年來(lái)，全球氣候變暖特征顯著。1980年代以來(lái)，全球每個(gè)連續(xù)10 a都比前一個(gè)10 a更暖。中國(guó)是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)，1951—2019年中國(guó)年平均氣溫每10 a升高0.24 ℃，升溫速率高于同期全球平均水平[1-2]，且區(qū)域間差異明顯，如1959—2014年陜西略陽(yáng)年平均氣溫每10 a升高0.15 ℃[3]，西安春季和冬季日數(shù)呈縮短趨勢(shì)、夏季和秋季呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[4]。同時(shí)氣候變暖正在影響著生態(tài)環(huán)境，千陽(yáng)縣蘋(píng)果種植將不會(huì)受凍害影響[5]，全球森林火災(zāi)災(zāi)害發(fā)生的頻率與強(qiáng)度增加[6]。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)，具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、減少污染、提供科研等多種功能，對(duì)維護(hù)生態(tài)環(huán)境起著不可替代的作用[7]。而森林火災(zāi)是對(duì)森林生態(tài)資源危害最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一，森林的燃燒與氣象條件密切相關(guān)，高溫、干旱、大風(fēng)天氣有利于森林火災(zāi)的發(fā)生[8-9]。

大興安嶺呼中林區(qū)擁有我國(guó)最大的溫帶原生落葉松自然保護(hù)區(qū)，林間可燃物積累豐富，易燃可燃物隨處可見(jiàn)。冬季氣溫低，地表積雪覆蓋，氣溫處于燃點(diǎn)以下，不易發(fā)生火災(zāi)；而春季天氣回暖，3—4月積雪逐漸融化，5月氣溫升至燃點(diǎn)以上，加之降水少、大風(fēng)日多，森林火險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到春季的最高等級(jí)，一旦發(fā)生火災(zāi)，危害非常嚴(yán)重。春季林火多是人為火源引起的，因此，了解呼中林區(qū)5月火險(xiǎn)等級(jí)變化趨勢(shì)，對(duì)于人為管控火源，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生，減少森林資源的損失具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

大興安嶺呼中林區(qū)位于我國(guó)大興安嶺主山脈東坡、伊勒呼里山脈北坡，總面積約9 372.44 km2，植被類(lèi)型以西伯利亞植物區(qū)系成分為主，混有東北植物區(qū)系和蒙古植物區(qū)系成分。典型地帶性植被類(lèi)型為寒溫帶針葉林，單優(yōu)勢(shì)種為興安落葉松林。主要的針葉喬木樹(shù)種有興安落葉松、云杉、樟子松以及少量分布于高海拔山地的偃松。主要的闊葉喬木樹(shù)種有山楊、白樺、甜楊和位于河岸以及溝谷兩側(cè)的鉆天柳[10]。

1.2 資料

研究采用的資料包括呼中國(guó)家氣象觀測(cè)站1974—2020年5月氣溫、降水量、風(fēng)速觀測(cè)資料；第六次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃(CMIP6)全球氣候模式1974—2014年歷史模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)和中等發(fā)展情景(SSP2-4.5)2021—2100年預(yù)估數(shù)據(jù)，平均氣溫和降水量均使用22個(gè)模式數(shù)據(jù)，平均風(fēng)速為19個(gè)模式數(shù)據(jù)，CMIP6模式數(shù)據(jù)下載及說(shuō)明見(jiàn)網(wǎng)站(http://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/)，呼中的模式數(shù)據(jù)使用雙線性插值方法得到。為了便于與歷史時(shí)期比較，選取1991—2020年為基準(zhǔn)時(shí)段，變化趨勢(shì)采用線性傾向率估計(jì)。

1.3 集成方法

由于不同的CMIP6模式模擬能力和預(yù)估結(jié)果存在差異[11]，這里假定模式模擬能力強(qiáng)，則模式預(yù)估結(jié)果的可信度就高。先計(jì)算1974—2014年各個(gè)模式的5月平均氣溫、降水量和平均風(fēng)速模擬值與觀測(cè)值的符合度指數(shù)，根據(jù)指數(shù)大小選擇模式作為集成成員[12]，平均氣溫和降水量入選模式的符合度指數(shù)超過(guò)0.55，平均風(fēng)速的達(dá)到0.50。平均氣溫選擇的模式為GFDL-ESM4、INM-CM4-8、NorESM2-LM，降水量的模式為BCC-CSM2-MR、CanESM5、GFDL-ESM4，平均風(fēng)速的為INM-CM5-0、TaiESM1。在預(yù)估中采用權(quán)重集成方法得到呼中林區(qū)氣象要素值。

權(quán)重集成公式為

(1)

其中，y(t)表示第t年的集成值，t為年份(t=2021,2022,…,2100)，m是參加集成的模式數(shù)，χi(t)是第i個(gè)模式第t年的值，ωi是第i個(gè)模式的權(quán)重。

權(quán)重ωi(i≥1)計(jì)算公式為

(2)

式中ri為第i個(gè)模式模擬值與觀測(cè)值的符合度指數(shù)。

符合度指數(shù)的計(jì)算公式為

(3)

符合度指數(shù)在0.0與1.0之間，越接近于1，說(shuō)明模式模擬值與觀測(cè)值越符合。符合度指數(shù)在40%以上為基本可信，60%以上為良好，80%以上為優(yōu)秀[13]。

1.4 森林火險(xiǎn)等級(jí)

采用《全國(guó)森林火險(xiǎn)區(qū)劃等級(jí)》(LY/T 1063—2008)推薦的森林火險(xiǎn)因子(樹(shù)種燃燒類(lèi)型、人口密度、路網(wǎng)密度、月降水量、月平均氣溫、月平均風(fēng)速)權(quán)值之和來(lái)定義森林火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)[14]，以森林火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)大小劃分火險(xiǎn)等級(jí)。大興安嶺呼中林區(qū)地廣人稀，假定1974—2100年樹(shù)種燃燒類(lèi)型、人口密度、路網(wǎng)密度變化不大，權(quán)值分別取10、3、4。逐年的森林火險(xiǎn)氣象因子權(quán)值用f(x)=(1+aebx)-1計(jì)算得到[14-15]，式中x為氣象因子值，a、b為待定系數(shù)，e為常數(shù)，取2.72。

2 1974—2020年氣象因子和森林火險(xiǎn)等級(jí)變化

圖1a給出了1974—2020年呼中5月平均氣溫距平變化曲線。由圖1a可以看到，1974—2020年，呼中5月平均氣溫整體的上升趨勢(shì)非常明顯，增溫速率為0.31 ℃/10 a。1970年代中后期至2000年代5月平均氣溫低于基準(zhǔn)值(9.1 ℃)，其中1970年代中期至1980年代偏低幅度超過(guò)0.5 ℃，1974年最低為6.4 ℃；1990年代、2000年代偏低幅度小。2010年代處于偏高時(shí)期，2010年最高為11.0 ℃(表1)。

圖1 1974—2020年呼中5月平均氣溫距平(a)、降水量距平百分率(b)、平均風(fēng)速距平(c)及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)距平(d)年際變化

表1 1974—2020年呼中5月平均氣溫距平、降水量距平百分率、平均風(fēng)速距平及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)距平的年代際變化

1974—2020年呼中5月降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖1b)，增加幅度為10.2 %/10 a。1970年代中后期至2000年代處于偏少時(shí)期(表1)，其中1970年代中后期至1980年代、2000年代比基準(zhǔn)值(49.0 mm)少20%以上， 2006年最少為10.3 mm(偏少79%)。2010年代為偏多時(shí)段，偏多近3成，2015年最多為102.2 mm，比基準(zhǔn)值多1倍有余。同時(shí)也可以看出，降水量的年際變動(dòng)幅度大，最大值約為最小值的10倍。

1974—2020年呼中5月平均風(fēng)速趨于明顯減小(圖1c)，變化速率-0.17 (m/s)/10 a。1970年代中后期至1990年代平均風(fēng)速大于基準(zhǔn)值(2.2 m/s)的幅度逐漸減小(表1)，到2000年代以后轉(zhuǎn)為小于基準(zhǔn)值。平均風(fēng)速比基準(zhǔn)值偏小的年份主要在2007年以后，其中2011年和2012年均偏小0.5 m/s；2006年之前大多數(shù)年份偏大，1978年和1999年最大為3.4 m/s。

在氣候暖濕化、平均風(fēng)速顯著減小背景下，1974—2020年呼中5月火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)在波動(dòng)中呈減小趨勢(shì)(圖1d)，變化速率-5.0/10 a。在2000年代之前火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)偏大(表1)，2010年代開(kāi)始轉(zhuǎn)為偏小。1999年火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)最大為99，比基準(zhǔn)值(51)大48，比2015年最小值(37)大62?；痣U(xiǎn)等級(jí)指數(shù)最大值約是最小值的3倍，年際變化幅度較大。

3 2021—2100年氣象因子和森林火險(xiǎn)等級(jí)變化趨勢(shì)預(yù)估

圖2a給出了預(yù)估的2021—2100年呼中5月平均氣溫距平時(shí)間序列。由圖2a可知，2021—2100年，呼中5月平均氣溫整體上仍維持上升趨勢(shì)，增溫速率0.15 ℃/10 a。從5月平均氣溫距平年代際變化幅度來(lái)看(表2)，各年代5月平均氣溫均偏高1.0 ℃以上，其中2020年代至2040年代偏高幅度逐漸增大，2050年代有所回落，2060年代又上升，2070年代小幅下降，2080年代至2090年代又增大，偏高幅度升至2.0 ℃以上。從年際變化來(lái)看，2021—2100年呼中5月平均氣溫有79 a高于基準(zhǔn)值，最大值偏高3.9 ℃，最小值偏低0.3 ℃。

圖2 2021—2100年呼中5月平均氣溫距平(a)、降水量距平百分率(b)、平均風(fēng)速距平 (c)及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)距平(d)年際變化

表2 2021—2100年呼中5月平均氣溫距平、降水量距平百分率、平均風(fēng)速距平及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)距平的年代際變化

2021—2100年呼中5月降水量在波動(dòng)中呈增加趨勢(shì)(圖2b)，增加幅度為3.8%/10 a。就降水量年代際變化而言(表2)，2020年代、2030年代偏少，尤其是2020年代明顯偏少，達(dá)-23%；2040年代以后轉(zhuǎn)為偏多，其中2060年代至2080年代偏多10%以上。從年際變化來(lái)看，未來(lái)80 a呼中5月降水量最大值為81.4 mm，比基準(zhǔn)值多60%以上；最小值23.4 mm，偏少52%?？梢?jiàn)，降水量的年際變動(dòng)幅度仍然較大。

2021—2100年呼中5月平均風(fēng)速變化趨勢(shì)不明顯，僅表現(xiàn)為微弱的減小趨勢(shì)(圖2c)。2040年代、2050年代偏小(表2)，其它時(shí)段偏大，2020年代、2060年代偏大0.1 m/s以上。未來(lái)80 a呼中5月平均風(fēng)速最大值為2.9 m/s，比基準(zhǔn)值大0.7 m/s；最小值為1.6 m/s，偏小0.6 m/s。

在氣候暖濕化、風(fēng)速減小情景下，2021—2100年呼中5月火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)整體呈減小趨勢(shì)(圖2d)，變化速率-7.0/10 a。從年代際變化來(lái)看(表2)，2020年代、2030年代、2060年代火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)偏大，其中2020年代偏大5.3；其它年代指數(shù)偏小，大多數(shù)年代火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)距平低于-3.0。在2021—2100年期間，火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)最大值為77，約是最小值(39)的2倍，說(shuō)明森林火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)的年際變化幅度仍比較大。

4 結(jié)論

(1)1974—2020年大興安嶺呼中林區(qū)5月氣候具有暖濕化的趨勢(shì)，平均風(fēng)速和火險(xiǎn)等級(jí)均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，平均氣溫、降水量、平均風(fēng)速及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)的變化速率分別為0.31 ℃/10 a、10.2%/10 a、-0.17 (m/s)/10 a、-5.04/10 a。氣象因子及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)年際變化幅度大，平均氣溫、平均風(fēng)速和火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)最大值約為最小值的2倍，降水量約為10倍。

(2)中等發(fā)展情景下，2021—2100年5月呼中林區(qū)整體為氣溫上升、降水量增加、風(fēng)速減小、火險(xiǎn)等級(jí)減小趨勢(shì)。相對(duì)于基準(zhǔn)值，2020年代和2030年代平均氣溫偏高、降水偏少、平均風(fēng)速偏大、火險(xiǎn)等級(jí)偏高，2060年代平均氣溫偏高、降水偏多、平均風(fēng)速偏大、火險(xiǎn)等級(jí)偏高，其它年代平均氣溫偏高、降水量偏多、火險(xiǎn)等級(jí)偏低。氣象因子及火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)年際變化幅度仍較大，平均氣溫、降水量最大值是最小值的3倍有余，平均風(fēng)速、火險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)的約為2倍。