基于時(shí)空立方體的蒙古高原草原火高頻區(qū)時(shí)空演變特征

曇 娜，阿拉騰圖婭，包玉龍，高彥哲，敖日格樂(lè)

（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）

火作為一種自然生態(tài)因子，對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)具有積極或消極的影響，不僅影響著草地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展、演替和消亡過(guò)程[1]，具有偶然發(fā)生、迅速發(fā)展、難以控制的特點(diǎn)，對(duì)防范能力弱的草原牧區(qū)生命與財(cái)產(chǎn)帶來(lái)非常嚴(yán)重的威脅，給畜牧業(yè)為主的草原地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)安定帶來(lái)巨大影響。蒙古高原草原區(qū)是歐亞大陸溫帶草原的主要組成部分，也是火行為極為活躍的地區(qū)[2-3]，特別是東部區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1994 年春，錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗發(fā)生3 起特大火災(zāi)，燒死大小牲畜共0.93 萬(wàn)頭，造成直接經(jīng)濟(jì)損失5 330萬(wàn)元，間接經(jīng)濟(jì)損失 82.5 萬(wàn)元[4]。1996 年和1997 年的2 月—6 月，蒙古國(guó)發(fā)生大面積的森林草原火災(zāi)，共計(jì)29 人死亡，82 人受傷，1.17 萬(wàn)頭牲畜死亡，多處基礎(chǔ)設(shè)施、以及0.23 萬(wàn)hm2牧場(chǎng)和森林被燒毀，財(cái)產(chǎn)損失總計(jì)172.29 萬(wàn)元[5]。因此，探究蒙古高原東部草原火的時(shí)空演變模式，以此為據(jù)制定草原火災(zāi)管理對(duì)策、減災(zāi)規(guī)劃，部署防災(zāi)、抗災(zāi)、救災(zāi)工作和草原發(fā)展規(guī)劃是學(xué)術(shù)界和管理部門(mén)的迫切任務(wù)。

關(guān)于蒙古高原草原火分布研究已有較多成果，分布在新巴爾虎地區(qū)[6]、中蒙邊境地區(qū)[7]、蒙古高原[8]、呼倫貝爾地區(qū)[9-10]、錫林郭勒盟地區(qū)[11]、內(nèi)蒙古自治區(qū)東部和牧區(qū)[12-14]。上述草原火的時(shí)空分布研究均采用時(shí)間序列和空間統(tǒng)計(jì)分析法，即使用過(guò)程線表達(dá)某一區(qū)域草原火發(fā)生時(shí)間變化特征，用地理信息系統(tǒng)空間統(tǒng)計(jì)法研究某個(gè)時(shí)間斷面上的草原火發(fā)生區(qū)域差異特征。對(duì)草原火的空間特征與時(shí)間因素有效融合考慮方面不夠充分，將草原火的空間分布與隨時(shí)間變化特征割裂開(kāi)來(lái)，不能有效地挖掘草原火的時(shí)空分布演變趨勢(shì)。然而，草原火是在特定條件下才發(fā)生。滿(mǎn)足草原火發(fā)生的各種條件不僅不同地區(qū)有差異，同一地區(qū)不同時(shí)間段也有很大差異，隨機(jī)性、復(fù)雜性非常突出。因此，要想精確了解各點(diǎn)位的草原火發(fā)生模式則需要將空間點(diǎn)位和時(shí)間序列一一對(duì)應(yīng)尋找規(guī)律。同時(shí)，其他突發(fā)性災(zāi)難事件也警示著需要用網(wǎng)格化管理方式精準(zhǔn)把握突發(fā)事件的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，采取精準(zhǔn)的防范措施。Purwanto 等[15]和Mo 等[16]分別以印度尼西亞?wèn)|爪哇和中國(guó)為研究區(qū)，基于時(shí)空立方體分析技術(shù)，識(shí)別新型冠狀病毒感染的時(shí)空聚類(lèi)格局，確定冷、熱點(diǎn)趨勢(shì)，并展示疫情可視化輸出結(jié)果，以直觀觀察疫情高發(fā)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，為下一步防控策略提供依據(jù)。這一技術(shù)可將整個(gè)區(qū)域劃分成多個(gè)網(wǎng)格，大區(qū)域火事件碎化成小網(wǎng)格火事件，同時(shí)發(fā)現(xiàn)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)位時(shí)間上的歷史規(guī)律性，強(qiáng)調(diào)各網(wǎng)格不同警種間的聯(lián)合、以及空間上相鄰點(diǎn)位之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)草原火研究更進(jìn)一步精細(xì)化，竭力化危為零、化危為機(jī)提供新的思路。

時(shí)空立方體作為一種時(shí)空數(shù)據(jù)模型，能夠融合處理地理現(xiàn)象的時(shí)間、空間與屬性信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的歷史狀態(tài)重建、時(shí)空變化跟蹤及發(fā)展態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)[17]，可以保證時(shí)空數(shù)據(jù)的連續(xù)性[18]?；诳臻g自相關(guān)理論和時(shí)間序列分析方法可以有效挖掘地理現(xiàn)象的空間依賴(lài)關(guān)系及時(shí)間依賴(lài)關(guān)系[19]。綜上，本研究輸入蒙古高原草原火高頻區(qū)2001—2020 年每次發(fā)生的草原火的空間數(shù)據(jù)，獲得時(shí)空立方體，利用相鄰空間上火點(diǎn)發(fā)生次數(shù)的關(guān)聯(lián)獲得草原火異常值與集聚強(qiáng)度，借助趨勢(shì)分析方法對(duì)立方體每個(gè)網(wǎng)格時(shí)間條柱上的火點(diǎn)集聚強(qiáng)度獲得草原火時(shí)空分布的熱點(diǎn)、冷點(diǎn)趨勢(shì)評(píng)估可為具有科學(xué)的理論邏輯、深厚的歷史邏輯與直觀的實(shí)踐邏輯草原火災(zāi)網(wǎng)格化管理和集中力量精準(zhǔn)防范提供輔助決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蒙古高原地處歐亞大陸腹地，位于37°46′～53°08′ N，87°40′～122°15′ E。東起大興安嶺、西至阿爾泰山，北界為薩彥嶺、雅布洛諾夫山脈，南界為陰山山脈[20]。因東西跨度大，自然條件差異懸殊而草原火發(fā)生面積和頻率也不同。按蒙古國(guó)的各省和內(nèi)蒙古的盟市統(tǒng)計(jì)結(jié)果，近20 年各行政單位平均每年過(guò)火次數(shù)32 次，其中蒙古國(guó)3 個(gè)省、內(nèi)蒙古2 個(gè)市(盟)的平均每年過(guò)火次數(shù)高達(dá)184 次，明顯高于其他地區(qū)的頻次。因此，本研究選中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市、錫林郭勒盟和蒙古國(guó)東方省、蘇赫巴托爾省和肯特省為研究區(qū)(圖1)，總面積73.92 萬(wàn)km2。研究區(qū)整體地勢(shì)自西向東逐漸降低，平均海拔1 200～1 500 m。植被類(lèi)型以草原為主，從東北向西南依次按草甸草原、典型草原和荒漠草原演替，呈明顯的地帶性。屬溫帶大陸性氣候，干燥、風(fēng)大，降水量少且集中于夏季。處于東亞季風(fēng)邊緣區(qū)，同時(shí)受西風(fēng)帶環(huán)流的影響，春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨[21]。每年10 月左右植被開(kāi)始枯萎凋落，可燃物量增多，冬季被雪覆蓋，次年的5 月初草原植被返青期前枯草存量較豐富而秋季和春季易引發(fā)草原火災(zāi)[22]。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Figure 1 Geographical location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

采用的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)為2001—2020 年MCD64A1火燒跡地產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集由NASA 網(wǎng)站提供(http://ladsweb.nascom.nasa.gov)。MCD64A1 是MODIS月尺度火燒跡地?cái)?shù)據(jù)，其空間分辨率為500 m，Sinusoidal 投影，數(shù)據(jù)格式為HDF。數(shù)據(jù)由燃燒日期、不確定的燃燒日期、質(zhì)量評(píng)估、開(kāi)始日期和結(jié)束日期等信息組成。本研究中利用MRT 工具，對(duì)MCD64A1 數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(數(shù)據(jù)拼接、投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換)，再利用ArcGIS 軟件按研究區(qū)范圍進(jìn)行裁剪。

1.3 研究方法

1.3.1 時(shí)空立方體模型

Hagerstrand[23]將時(shí)間概念引入空間數(shù)據(jù)中，并首先提出使用時(shí)空立方體模型來(lái)表示地理現(xiàn)象隨時(shí)間的變化。時(shí)空立方體模型在使用二維空間表達(dá)地理對(duì)象的傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，增加了一維時(shí)間軸，用于表達(dá)地理實(shí)體或現(xiàn)象隨著時(shí)間的變化(圖2)。本研究中的草原火時(shí)空立方體模型采用二維坐標(biāo)軸來(lái)表示草原火的平面位置，再加一維縱向的時(shí)間軸表示平面位置上草原火點(diǎn)數(shù)量隨時(shí)間的變化，從而構(gòu)建一個(gè)由平面空間和時(shí)間軸組成的時(shí)空融合草原火立方體。通過(guò)統(tǒng)計(jì)各時(shí)空立方體中包含的草原火點(diǎn)數(shù)目，將草原火點(diǎn)聚合到每個(gè)空間網(wǎng)格的時(shí)空條柱中。這樣則可運(yùn)用時(shí)間維的幾何特性來(lái)表達(dá)研究區(qū)內(nèi)各空間點(diǎn)位上的草原火隨時(shí)間的變化過(guò)程。

圖2 時(shí)空立方體模型Figure 2 Space-time cube model

利用 ArcGIS Pro 軟件提供的時(shí)空立方體創(chuàng)建工具，將草原火點(diǎn)聚合到時(shí)空條柱中，眾多的時(shí)空條柱組成一個(gè)三維的時(shí)空立方體，使用網(wǎng)絡(luò)公用數(shù)據(jù)格式(network common data format, NetCDF)存儲(chǔ)。構(gòu)建時(shí)空立方體時(shí)需要確定時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)。本研究中采用控制變量法對(duì)空間步長(zhǎng)5、10、15、20 km和時(shí)間步長(zhǎng)1、3、6、9、12 個(gè)月進(jìn)行試驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)以較小的空間步長(zhǎng)，較大的時(shí)間步長(zhǎng)聚合火點(diǎn)，會(huì)挖掘出更多的冷熱點(diǎn)(表1)。并通過(guò)對(duì)火燒跡地面積的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)平均面積為27.90 km2；以周期長(zhǎng)度為時(shí)間間隔創(chuàng)建時(shí)空立方體，能夠排除周期性變化對(duì)時(shí)空演變模式中趨勢(shì)分析的干擾。從按月統(tǒng)計(jì)的蒙古高原草原火發(fā)生時(shí)間序列發(fā)現(xiàn)以一年為周期的規(guī)律性變化很明顯(圖3)。因此，將空間步長(zhǎng)設(shè)置為5 km × 5 km，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1 年(12 個(gè)月)。

表1 蒙古高原高頻區(qū)不同時(shí)間步長(zhǎng)、空間步長(zhǎng)的探索性結(jié)果Table 1 Exploratory analysis results of different time and space steps in the high-frequency area of Mongolian Plateau

圖3 蒙古高原高頻區(qū)草原火2001—2020 年月平均頻率圖Figure 3 Monthly average frequency of grassland fires in high-frequency areas of Mongolian Plateau from 2001 to 2020

1.3.2 局部異常值分析

局部異常值分析可確定數(shù)據(jù)中的顯著聚類(lèi)和異常值。在時(shí)空立方體中查找顯著聚類(lèi)和異常值時(shí)通過(guò)局部空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)[24]來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)空條柱時(shí)間與空間上與其鄰域間存在的統(tǒng)計(jì)差異分。即選擇時(shí)空模式挖掘功能模塊按鄰域距離和鄰域時(shí)間步長(zhǎng)參數(shù)估計(jì)各立方體條柱的局部空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量，檢測(cè)局部異常值，以無(wú)顯著性模式、高值—高值聚類(lèi)模式、高值—低值異常模式、低值—低值聚類(lèi)模式、低值—高值異常模式、多種類(lèi)型模式6 種模式展示結(jié)果。

1.3.3 時(shí)空熱點(diǎn)分析

時(shí)空熱點(diǎn)分析方法以空間熱點(diǎn)分析和時(shí)間序列分析為基礎(chǔ)，利用時(shí)空立方體模型將時(shí)空關(guān)系納入到空間熱點(diǎn)分析中，探測(cè)時(shí)空中存在的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)?；跁r(shí)間序列分析的方法評(píng)估這些熱點(diǎn)和冷點(diǎn)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，分辨出新增、連續(xù)、加強(qiáng)、持續(xù)、逐漸減少、分散、震蕩、歷史以及無(wú)顯著性等不同變化趨勢(shì)的熱點(diǎn)或冷點(diǎn)。時(shí)空熱點(diǎn)分析使用Getis-Ord G*i統(tǒng)計(jì)[25]探測(cè)要素空間分布的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)，檢測(cè)熱點(diǎn)或冷點(diǎn)的時(shí)間序列變化趨勢(shì)則是基于Mann-Kendall[26]趨勢(shì)分析法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 草原火時(shí)空分布特征

2.1.1 時(shí)間分布特征

在2001—2020 年間，蒙古高原草原火高頻區(qū)過(guò)火次數(shù)及過(guò)火面積存在明顯的年際變化，表現(xiàn)為峰谷交替，每隔 3～4 年出現(xiàn)一次草原火發(fā)生的高峰，但總體呈現(xiàn)出波動(dòng)中下降趨勢(shì)(圖4)。2001—2020年蒙古高原草原火高頻區(qū)共發(fā)生草原火18 138 起，累積過(guò)火面積達(dá)20.00 萬(wàn) km2。草原火過(guò)火次數(shù)較高的年份為2003、2006、2008、2014、2015 年。其中，2006 年過(guò)火次數(shù)最多，達(dá)0.18 萬(wàn)次；過(guò)火次數(shù)最少的年份為2001 年，為417 次。2003、2007、2011、2012、2015 年是草原火過(guò)火面積較大的年份，其中，2003 年的草原火過(guò)火面積最大，達(dá)2.13 萬(wàn) km2；2018年的過(guò)火面積最小，僅為0.11 萬(wàn) km2。

圖4 2001—2020 年蒙古高原高頻區(qū)草原火年際變化Figure 4 Interannual variation of grassland fires in highfrequency areas of Mongolian Plateau from 2001 to 2020

2.1.2 空間分布特征

從2001—2020 年蒙古高原草原火高頻區(qū)燃燒面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(圖5)，蒙古國(guó)草原火燒跡地明顯多于中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)。在蒙古國(guó)，東方省是研究區(qū)內(nèi)草原火過(guò)火面積最大的省，在研究時(shí)段內(nèi)過(guò)火面積達(dá)13.81 萬(wàn) km2，占整個(gè)研究區(qū)總過(guò)火面積的69%；蘇和巴托爾省和肯特省過(guò)火面積分別達(dá)2.53 萬(wàn)和1.31 萬(wàn) km2。在中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)，火燒跡地主要分布在呼倫貝爾市、錫林郭勒盟東北部等地區(qū)。呼倫貝爾市是中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)草原火過(guò)火面積最大的市，過(guò)火面積達(dá)1.97 萬(wàn) km2。錫林郭勒盟過(guò)火面積達(dá)3.21 萬(wàn) km2。

圖5 2001—2020 年蒙古高原高頻區(qū)草原火燒跡地分布圖Figure 5 Distribution of burned grassland in high-frequency areas of Mongolian Plateau from 2001 to 2020

2.2 草原火時(shí)空立方體創(chuàng)建

以12 個(gè)月為時(shí)間步長(zhǎng)、5 km 為空間步長(zhǎng)創(chuàng)建的草原火時(shí)空立方體模型如圖6 所示，時(shí)空立方體在20 個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)間隔內(nèi)將 160.53 萬(wàn)點(diǎn)聚合到 6.65萬(wàn)格網(wǎng)位置。每個(gè)位置均是5 km × 5 km 的方形。整個(gè)時(shí)空立方體由西向東跨越0.12 萬(wàn) km ，由南向北跨越0.13 萬(wàn) km 的區(qū)域。時(shí)間軸上每個(gè)時(shí)段步長(zhǎng)間隔為12 個(gè)月，因此時(shí)空立方體覆蓋的整個(gè)時(shí)間段為240 個(gè)月。

圖6 蒙古高原高頻區(qū)草原火時(shí)空立方體Figure 6 Space-time cube of grassland fires in highfrequency areas of Mongolian Plateau

2.3 草原火局部異常值分析

由于目前對(duì)時(shí)空立方體模型中的最優(yōu)鄰域時(shí)間和鄰域距離尚未形成明確的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，因此本研究采用控制變量法對(duì)不同的鄰域時(shí)間和鄰域距離進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)分析生成時(shí)空演變模式的數(shù)量和種類(lèi)，并以生成時(shí)空演變模式的占比和數(shù)量，對(duì)比選擇出鄰域時(shí)間和鄰域距離[27]。對(duì)鄰域時(shí)間24～60個(gè)月和鄰域距離5～20 km 進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鄰域時(shí)間為24 個(gè)月且鄰域距離為20 km 時(shí)，時(shí)空演變模式占比最高，且生成的時(shí)空聚類(lèi)模式數(shù)量最多(圖7)。這一時(shí)空鄰域也符合當(dāng)年的草原火通過(guò)可燃物的消耗和植物的生長(zhǎng)來(lái)影響次年的火發(fā)生概率，再往后滯后作用不大以及草原火以其發(fā)生網(wǎng)格為中心向各方向影響周?chē)钹徑W(wǎng)格位置點(diǎn)的可能性最大的實(shí)際情況。因此，選擇鄰域時(shí)間為24 個(gè)月(鄰域時(shí)間步長(zhǎng)為1)，鄰域距離為20 km。從草原火局部異常值格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看(圖8)，主要為多種類(lèi)型模式，其次為低—低聚類(lèi)模式和無(wú)顯著性模式以及少量的高—高聚類(lèi)模式、高—低異常模式和低—高異常模式。

圖7 蒙古高原高頻區(qū)不同鄰域時(shí)間、鄰域距離局部異常值分布圖Figure 7 Distribution of local outliers with different neighborhood times and neighborhood distances in high-frequency areas of Mongolian Plateau

圖8 蒙古高原高頻區(qū)草原火局部異常值格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)圖Figure 8 Grid statistics of local outliers of grassland fires in high-frequency areas of Mongolian Plateau

從草原火聚類(lèi)與異常值的空間分布來(lái)看(圖7)，呼倫貝爾市莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗紅彥鎮(zhèn)、哈達(dá)陽(yáng)鎮(zhèn)、額爾和鄉(xiāng)、騰克鎮(zhèn)和登特科鎮(zhèn)出現(xiàn)高—高聚類(lèi)模式，說(shuō)明周?chē)徑貐^(qū)是草原火高發(fā)區(qū)，其中該網(wǎng)點(diǎn)是高發(fā)區(qū)中的高發(fā)點(diǎn)。呼倫貝爾市中西部、東北部及東南部，錫林郭勒盟東北部、東部及東南角，東方省中部，肯特省西北部、中部及東南部，蘇赫巴托爾省北部部分地區(qū)出現(xiàn)低—低聚類(lèi)模式，說(shuō)明草原火發(fā)生一直維持在相對(duì)較低的水平，沒(méi)有出現(xiàn)異常點(diǎn)。東方省巴彥東縣和色楞格縣，肯特省賓代爾縣、德勒格爾汗縣、達(dá)爾罕縣和巴彥塔格縣，呼倫貝爾市鄂倫春自治旗克一河鎮(zhèn)、額爾古納市恩和哈達(dá)鎮(zhèn)及恩和俄羅斯族民族鄉(xiāng)、鄂溫克族自治旗錫尼河西蘇木、新巴爾虎左旗烏布爾寶力格蘇木和新巴爾虎右旗呼倫鎮(zhèn)，錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗烏里雅斯太鎮(zhèn)和呼熱圖淖爾蘇木、西烏珠穆沁旗吉仁高勒鎮(zhèn)、錫林浩特市寶力根蘇木出現(xiàn)高—低異常模式，出現(xiàn)的高頻發(fā)生的異常點(diǎn)主要是沿公路人口集聚地，與周?chē)貐^(qū)相比草原火發(fā)生頻率明顯高。東方省哈馬爾達(dá)板縣，蘇赫巴托爾省蒙赫汗縣和阿斯嘎特縣，呼倫貝爾市莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗紅彥鎮(zhèn)、奎勒河鎮(zhèn)、塔溫敖寶鎮(zhèn)、登特科鎮(zhèn)、巴彥鄂溫克民族鄉(xiāng)和額爾和鄉(xiāng)，錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗滿(mǎn)都胡寶拉格鎮(zhèn)和呼熱圖淖爾蘇木、阿巴嘎旗吉爾嘎朗圖蘇木出現(xiàn)低—高異常模式，說(shuō)明這些點(diǎn)為防火系統(tǒng)較完善的人口聚集區(qū)，而周?chē)貐^(qū)多為森林草原火高發(fā)區(qū)。除此之外，20 年間草原火發(fā)生面積最大、最集中連片的區(qū)域呈現(xiàn)出多種類(lèi)型模式的特征，主要包括呼倫貝爾市中西部和東部，東方省大部分地區(qū)、肯特省北部、蘇赫巴托省北部和東北部，錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗等地區(qū)，說(shuō)明這些網(wǎng)格小區(qū)域和周?chē)噜彽貐^(qū)出現(xiàn)過(guò)草原火發(fā)生頻率均高或均低的聚類(lèi)模式，也出現(xiàn)過(guò)網(wǎng)格小區(qū)域草原火發(fā)生頻率高于或低于相鄰地區(qū)的個(gè)別異常點(diǎn)，因此該點(diǎn)在總體上會(huì)表現(xiàn)出多種類(lèi)型模式。

2.4 草原火時(shí)空熱點(diǎn)分析

與局部異常值分析相同，采用控制變量法對(duì)鄰域距離5～20 km 和鄰域時(shí)間24～60 個(gè)月進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鄰域距離為20 km 且鄰域時(shí)間為48 個(gè)月時(shí)，時(shí)空演變模式占比最高且生成的時(shí)空熱點(diǎn)模式數(shù)量最多(圖9)。這一鄰域時(shí)間也符合每隔 3～4 年出現(xiàn)一次草原火發(fā)生高峰的時(shí)間周期。因此，選擇鄰域時(shí)間為48 個(gè)月(鄰域時(shí)間步長(zhǎng)為3)，鄰域距離為20 km。從草原火時(shí)空熱點(diǎn)格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看(圖10)，熱點(diǎn)演變模式的類(lèi)別主要是振蕩熱點(diǎn)、新增熱點(diǎn)和分散熱點(diǎn)，還有個(gè)別的連續(xù)熱點(diǎn)。主要的冷點(diǎn)演變模式類(lèi)別是振蕩冷點(diǎn)和分散冷點(diǎn)，此外還有連續(xù)冷點(diǎn)以及少量的新增冷點(diǎn)、加強(qiáng)冷點(diǎn)和持續(xù)冷點(diǎn)。無(wú)加強(qiáng)熱點(diǎn)、持續(xù)熱點(diǎn)、逐漸減少冷/熱點(diǎn)和歷史冷/熱點(diǎn)等模式類(lèi)別。

圖9 蒙古高原高頻區(qū)不同鄰域時(shí)間、鄰域距離時(shí)空熱點(diǎn)分布圖Figure 9 Spatiotemporal distribution of hot spots with different neighborhood times and neighborhood distances in high-frequency areas of Mongolian Plateau

圖10 蒙古高原高頻區(qū)草原火時(shí)空熱點(diǎn)格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)圖Figure 10 Grid statistics of spatiotemporal hot spots of grassland fires in high-frequency areas of Mongolian Plateau

蒙古高原高頻區(qū)草原火時(shí)空冷熱點(diǎn)演變模式中(圖9)，草原火的熱點(diǎn)主要分布在呼倫貝爾市東部、陳巴爾虎旗和新巴爾虎左旗國(guó)境線附近，肯特省北部，東方省西南角、東北部、東南部以及與呼倫貝爾市新巴爾虎左旗接壤處。其中，在呼倫貝爾市鄂倫春自治旗北部和阿榮旗東部與莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗南部交界處出現(xiàn)新增熱點(diǎn)，說(shuō)明研究時(shí)段前期草原火發(fā)生較少但在最近草原火發(fā)生頻率較高。連續(xù)熱點(diǎn)主要分布在莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗額爾和鄉(xiāng)西南部和新巴爾虎左旗北部，說(shuō)明草原火發(fā)生頻率較高且連續(xù)發(fā)生。分散熱點(diǎn)主要分布在莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗北部、陳巴爾虎旗國(guó)境線附近和東方省西南部國(guó)境線附近，說(shuō)明草原火頻繁發(fā)生，特點(diǎn)為斷斷續(xù)續(xù)不連續(xù)出現(xiàn)。振蕩熱點(diǎn)的覆蓋范圍較廣，主要分布在呼倫貝爾市鄂倫春自治旗西南部，陳巴爾虎旗和新巴爾虎左旗國(guó)境線附近，東方省喬巴山縣東部、巴彥烏拉縣與巴彥東縣交界處、哈馬爾達(dá)板縣西南角、南部與錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗交界處和東北部與呼倫貝爾市新巴爾虎左旗交界處，說(shuō)明在研究時(shí)段內(nèi)交替出現(xiàn)高頻危險(xiǎn)時(shí)期和低頻相對(duì)安全時(shí)期，研究期間內(nèi)近期草原火發(fā)生頻率較高。

草原火發(fā)生頻率低的冷點(diǎn)模式分布范圍較廣泛。其中，新增冷點(diǎn)主要分布在東方省哈馬爾達(dá)板縣中東部和東部與呼倫貝爾市新巴爾虎左旗接壤的國(guó)境線附近，說(shuō)明草原火發(fā)生頻率在最近時(shí)間段內(nèi)顯著下降。在呼倫貝爾市鄂倫春自治旗北部國(guó)境線附近、額爾古納市北部、陳巴爾虎旗中北部、新巴爾虎左旗東南部與鄂溫克自治旗南部交界處，錫林郭勒盟正藍(lán)旗東南部與多倫縣西部交界處、太仆寺旗東南部呈連續(xù)冷點(diǎn)趨勢(shì)，說(shuō)明草原火發(fā)生頻率較低，未曾間斷。加強(qiáng)冷點(diǎn)主要分布在呼倫貝爾市阿榮旗東南部，說(shuō)明草原火發(fā)生頻率一直較低，近期進(jìn)一步降低呈強(qiáng)化趨勢(shì)。在呼倫貝爾市陳巴爾虎旗巴彥哈達(dá)蘇木東部、阿榮旗南部，錫林郭勒盟多倫縣蔡木山鄉(xiāng)西部呈持續(xù)冷點(diǎn)趨勢(shì)，說(shuō)明在90%的研究時(shí)段內(nèi)草原火發(fā)生頻率較低。分散冷點(diǎn)主要分布在呼倫貝爾市中西部和東部部分地區(qū)，肯特省西北角和東部與蘇赫巴托爾省西北部交界處，蘇赫巴托爾省東部部分地區(qū)，錫林郭勒盟東南角，說(shuō)明以上地區(qū)的草原火斷斷續(xù)續(xù)的偶爾發(fā)生，時(shí)序上冷點(diǎn)出現(xiàn)的規(guī)律性較差。在東方省大部分地區(qū)、肯特省北部、蘇赫巴托省東部和北部、呼倫貝爾市東部和錫林郭勒盟東北部部分地區(qū)呈振蕩冷點(diǎn)趨勢(shì)，說(shuō)明以上地區(qū)草原火低頻發(fā)生時(shí)期具有周期性特點(diǎn)。

3 討論

已有關(guān)于蒙古高原草原火的研究成果較多，如曲炤鵬等[8]基于地理信息系統(tǒng)空間分析方法研究了2000—2007 年蒙古高原草原火行為的時(shí)空分布規(guī)律，研究者認(rèn)為蒙古國(guó)草原火多發(fā)地帶主要分布在東部與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界處的草甸草原和蘇赫巴托爾省內(nèi)；內(nèi)蒙古自治區(qū)草原火多發(fā)區(qū)主要分布在呼倫貝爾地區(qū)和錫林郭勒盟中部和東北部地區(qū)。包剛[28]等采用時(shí)間序列和空間統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)蒙古高原火行為時(shí)空變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)2001—2012 年蒙古國(guó)多發(fā)地帶主要分布在東方省、蘇赫巴托爾省和肯特省等地區(qū)，在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾草原區(qū)具有較集中的過(guò)火跡地，并且在錫林郭勒草原也有較頻繁發(fā)生的過(guò)火跡地。徐書(shū)興[29]等采用空間統(tǒng)計(jì)分析方法研究了2001—2017 年蒙古東部野火時(shí)空動(dòng)態(tài)，結(jié)果顯示17 年間蒙古東部野火主要發(fā)生在蒙古東北部地區(qū)，特別是在蒙古國(guó)—中國(guó)沿邊地區(qū)。野火發(fā)生區(qū)域主要集中在東方省、肯特省和蘇赫巴托爾省。本研究中也得到了與采用傳統(tǒng)時(shí)空分布方法研究結(jié)果相同的蒙古高原草原火高頻區(qū)空間分布和隨時(shí)間變化的區(qū)域特征，但傳統(tǒng)時(shí)空分布方法僅考慮宏觀特征，未考慮時(shí)空積聚性和時(shí)空演變動(dòng)態(tài)模式，對(duì)精準(zhǔn)管理還不能提供有效信息。

傳統(tǒng)的空間統(tǒng)計(jì)分析是以區(qū)域化變量為信息，通過(guò)空間統(tǒng)計(jì)手段，研究地理現(xiàn)象的空間變異與空間結(jié)構(gòu)[30]，輸入分析的是某個(gè)時(shí)間斷面或平均值數(shù)據(jù)。而時(shí)空立方體模型在傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法上加入時(shí)間維度的考量，整合時(shí)空信息和時(shí)空關(guān)系，進(jìn)一步將“鄰近度”概念從“空間臨近”擴(kuò)展為“時(shí)空鄰近”[31]，研究整個(gè)地理現(xiàn)象隨時(shí)空的推移所表現(xiàn)出的復(fù)雜趨勢(shì)變化。與傳統(tǒng)的空間統(tǒng)計(jì)方法相比局部異常值分析和新興時(shí)空熱點(diǎn)分析類(lèi)別增多，并且根據(jù)設(shè)定的鄰域距離和鄰域時(shí)間步長(zhǎng)參數(shù)值在每個(gè)條柱上進(jìn)行分析，其精確度提高。為此，本研究基于時(shí)空立方體模型進(jìn)一步深入分析草原火點(diǎn)的時(shí)空分布特點(diǎn)，將時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的方法應(yīng)用到草原火點(diǎn)變化分析研究中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)空間統(tǒng)計(jì)將空間、時(shí)間或者屬性分開(kāi)分析的不足，實(shí)現(xiàn)了空間、時(shí)間和屬性信息的完整表達(dá)，有效揭示了草原火現(xiàn)象的時(shí)空特征和規(guī)律。這可為準(zhǔn)確、快速、精細(xì)地識(shí)別草原火多發(fā)點(diǎn)位及其時(shí)空演變特性，網(wǎng)格化管理草原火，管護(hù)員分配巡查調(diào)度、草原火預(yù)測(cè)、降低火災(zāi)發(fā)生頻率等提供輔助決策，也可推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域。

草原火行為是一種受自然條件和人文因素共同影響的危害性事件。中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)和蒙古國(guó)草原火發(fā)生面積的差異懸殊特點(diǎn)表明，植被狀況可能是主要原因。人類(lèi)活動(dòng)也已成為影響草原火行為的重要因素。研究證明，放牧對(duì)草原火發(fā)生具有一定抑制作用[32]。中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)牧民生活方式已實(shí)現(xiàn)由游牧向定居轉(zhuǎn)變，牲畜數(shù)量增加，使得草地實(shí)際承載力加大，枯落物減少；而蒙古國(guó)仍保持著傳統(tǒng)的游牧方式，草原植被休養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)，草原退化相對(duì)較輕[33]，地表覆蓋的枯落物豐富，為草原火的發(fā)生提供了豐富的燃料。另外，中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)嚴(yán)格的管制措施和撲救力度，使得該地區(qū)草原火行為受到強(qiáng)烈抑制；而蒙古國(guó)人口密度低，人力和財(cái)力有限，火災(zāi)撲救和管理措施相對(duì)落后[32]，當(dāng)?shù)厝嗣駥?duì)草原火的發(fā)生多采取放任的態(tài)度，導(dǎo)致該地區(qū)草原火蔓延迅速，過(guò)火面積大且頻率高。本研究雖然利用時(shí)空立方體、局部異常值分析和時(shí)空冷熱點(diǎn)分析挖掘蒙古高原草原火高頻區(qū)時(shí)空演變模式，也發(fā)現(xiàn)了些人口聚集相關(guān)的個(gè)別熱點(diǎn)和冷點(diǎn)，但未能全面揭示草原火時(shí)空分布的影響機(jī)制。從網(wǎng)格化精細(xì)管理視角，重視歷史邏輯性和空間自相關(guān)性的基礎(chǔ)上，有待進(jìn)一步深入研究各因素對(duì)于草原火發(fā)生點(diǎn)和波及區(qū)的具體影響程度。

4 結(jié)論

利用蒙古高原草原火高頻區(qū)2001—2020 年MCD64A1 火燒跡地?cái)?shù)據(jù)，挖掘分析研究區(qū)草原火的時(shí)空分布模式，得出以下結(jié)論：

1) 蒙古高原草原火高頻區(qū)整體上呈從西南向東北草原火發(fā)生頻率與面積逐漸增多的趨勢(shì)，蒙古國(guó)和中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)的草原火發(fā)生面積差異懸殊，草原火主要分布在蒙古國(guó)境內(nèi)。時(shí)間上，年際波動(dòng)較大，整體呈波動(dòng)中下降的趨勢(shì)。

2) 研究區(qū)草原火發(fā)生面積最大區(qū)的空間和時(shí)間自相關(guān)關(guān)系比較復(fù)雜，規(guī)律性差，高—高聚類(lèi)、高—低異常、低—低聚類(lèi)、低—高異常各模式均出現(xiàn)過(guò)，防火減災(zāi)難度大。而草原火發(fā)生頻率顯著高或低的個(gè)別點(diǎn)主要分布在人口聚集的鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地，這表明著草原火發(fā)生和防范與人口密度和行為有關(guān)。

3) 草原火發(fā)生面積最大區(qū)各網(wǎng)格上雖然草原火發(fā)生頻率低，但不連續(xù)、不定期地發(fā)生火，波及面廣。呼倫貝爾市東部、西部國(guó)境線附近，肯特省北部，東方省西南角、東北部、東南部以及與呼倫貝爾市新巴爾虎左旗交界處草原火雖也不連續(xù)或不定期發(fā)生，但近期發(fā)生頻率較高，需引起關(guān)注。呼倫貝爾市東部是草原火頻繁發(fā)生區(qū)域，需要高度警惕。