全 文 ：黑龙江省大兴安岭地区塔河县森林火险
天气指标动态*
邸雪颖1 摇 李永福1 摇 孙摇 建2 摇 杨摇 光1**
( 1 东北林业大学林学院, 哈尔滨 150040; 2 黑龙江省林业监测规划院, 哈尔滨 150080)
摘摇 要摇 基于大兴安岭地区塔河县 1974—2008 年森林火灾数据和同期气象数据,结合加拿
大火险天气系统(CFFWIS),定量和定性分析了该区森林火险天气指标动态. 结果表明:
1974—2008 年,研究区森林火灾年均发生次数呈增加趋势,2000—2008 年森林火灾年均发生
次数比 1974—1999 年增加了 72郾 2% ;可燃物湿度码、火行为指标和火灾控制难易度指标总体
呈增加趋势,且这种增加趋势随着时间的推进更加明显.未来该区森林火灾发生概率将显著
递增,可燃物将更加干燥,林火强度增强,控制火灾将更加困难,火险天气状况更加严峻.该区
应重点加大森林火灾的防控,尤其是夏季火灾的防控;并应加大计划可燃物的烧除,减少可燃
物载量,从可燃物这一源头上减少火灾发生概率和降低火灾强度.
关键词摇 大兴安岭摇 塔河摇 火险摇 火险天气
文章编号摇 1001-9332(2011)05-1240-07摇 中图分类号摇 S762郾 2摇 文献标识码摇 A
Dynamics of forest fire weather indices in Tahe County of Great Xing爷an Mountains region,
Heilongjiang Province. DI Xue鄄ying1, LI Yong鄄fu1, SUN Jian2, YANG Guang1 (1School of Forest鄄
ry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; 2 Heilongjiang Institute of Forestry
Monitoring and Planning, Harbin 150080, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(5): 1240-1246.
Abstract: Based on the 1974 -2008 forest fire and meteorological data in Tahe County of Great
Xing爷 an Mountains region, and with the help of Canadian Forest Fire Weather Index System
(CFFWIS), this paper qualitatively and quantitatively analyzed the dynamics of forest fire weather
indices in the region. In 1974-2008, the mean annual fire occurrence in the region showed an in鄄
creasing trend, and the increment in 2000-2008 was 72郾 2% , compared with that in 1974-1999.
The fuel moisture codes, fire behavior indices, and fire severity indices in 1974-2008 had an over鄄
all increasing trend, which was more evident with time extended. In the future, the probability of
forest fire occurrence in the region would be increasing, fuels would be getting drier, fire intensity
would be increased, fire weather would be more serious, and fire control would be more difficult.
Therefore, more efforts should be made to improve the capability of forest fire control, especially in
summer. As a fundamental technique, prescribed burning should be applied to reduce the fuel load.
From this doing, the probability of fire occurrence and the fire potential intensity could be reduced.
Key words: Great Xing爷an Mountains; Tahe; fire danger; fire weather.
*国家林业公益性行业科研专项(200804002)、国家林业局“948冶项
目(2008鄄4鄄52)和东北林业大学青年科研基金项目(09051)资助.
**通讯作者. E鄄mail: lx_yg@ 163. com
2010鄄11鄄18 收稿,2011鄄02鄄21 接受.
摇 摇 森林火险是林火生态理论研究中常用的专业术
语,是世界各国林火管理的重要参考指标[1-2] .由于
森林火灾成因的复杂性,及其结果受社会经济活动
影响的不确定性[2],迄今对于森林火险尚没有形成
统一的概念和明确的定义. Brown 和 Davis[3]在《林
火控制和利用》中指出“火险是稳定因子和变化因
子综合作用的结果,它直接左右林火的发生、蔓延以
及控制林火的难易程度和林火可能造成的损失冶.
Merrill 和 Alexander[4]在《林火管理专业词典》中将
火险定义为:“对影响着火、蔓延速度、难控程度和
火后影响的火环境中所有变化因子和固定因子的综
合评价冶.随着科学化林火管理水平的不断提高,森
林火险概念的研究和应用也越来越深入.
在可能引起区域性森林火险的诸多因子中,气
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 5 月摇 第 22 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2011,22(5): 1240-1246
象因子是最主要的因素之一[5-8],它不仅决定森林
可燃物含水率的高低,还影响林火的蔓延速度和控
制的难易程度[2] .森林火险天气指标是常被用来指
示受气象因子变化影响的标准可燃物类型林地上火
灾发生危险程度的量化指标[9] . 20 世纪 80 年代以
来,气候变化与林火的关系研究成为热点问题之
一[10-13],大量研究表明,气候变化与森林火灾之间
存在紧密的内在联系[14-17] . 在全球变暖背景下,森
林火险天气指标不仅是影响林火的各气象要素的有
机结合,还是研究气候变化对林火动态影响的重要
媒介[18-21] .美国、加拿大和澳大利亚是开展相关研
究最早、取得研究成果最多的国家,如 Flannigan
等[22]借助加拿大森林火险天气指标系统(Canadian
Forest Fire Weather Index System,CFFWIS)对未来的
森林火险进行模拟发现,加拿大火险存在着显著的
区域性变化;Brown等[23]利用美国国家森林火险系
统(National Fire Danger Rating System,NFDRS)预测
了美国西部 21 世纪气候变化将引起的森林火险变
化;Stocks等[24]运用 CFFWIS 系统研究气候变化对
俄罗斯和加拿大北方林火趋势的影响发现,出现极
端火险的区域将大大增加; Tymstra 等[25] 利用
CFFWIS的研究结果表明,CO2 浓度增加 2 倍和 3 倍
情景下的森林火险发生概率比增加 1 倍情景下的概
率分别高 12郾 9%和 29郾 4% .我国学者在相关方面也
开展了深入研究,目前全国累计研制了数十种火险
天气预报方法,一部分火险天气预报系统已在小范
围区域内应用,但在全国范围的森林火险天气预测
预报中还缺乏尝试[26] .一些学者对加拿大火险天气
系统在我国的适用性方面做了相关研究[27-29],结果
表明该系统通过我国各省市当地天气和可燃物特征
调整后可以完全适用,在一些森林特征与加拿大相
似的地区(如大兴安岭地区)可以直接应用.一些学
者还直接利用 CFFWIS或根据大气环流模型的预报
结果耦合 CFFWIS,研究了气候变化下林火天气的
动态变化,如赵凤君[30]利用 CFFWIS 分析了内蒙古
大兴安岭历史林火天气的年际变化;王明玉[31]分析
了 CFFWIS在中国的适用性和敏感性,预估了未来
中国及典型省份林火天气对气候变化的响应特征和
趋势;杨光[26]利用 CFFWIS 输出指标与林火动态因
子的统计相关性,预估了未来北方针叶林林火天气
的潜在变化趋势.
受气候变暖影响,我国森林火灾呈明显增多趋
势[32-33],大兴安岭地区不仅是全国的重点火险区,
而且该区森林对气候变化非常敏感[34] . 为此,本文
以黑龙江省大兴安岭地区塔河县作为研究对象,分
析了 1974—2008 年气候变化对该区森林火灾的影
响,并结合加拿大火险等级预报系统输出的火险天
气指标,定性和定量相结合地分析了气候变化下森
林火险天气年际及各火险期动态变化趋势,以期对
防火管理部门制定林火管理策略提供参考依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
塔 河 县 ( 52毅 09忆—53毅 23忆 N, 125毅 19忆—
125毅48忆 E)位于黑龙江省西北部、大兴安岭伊勒呼
里山北坡,国境线长 171 km,县域南北长 135 km、东
西宽 18 km,总面积 14420 km2 . 全县施业区面积
95郾 2伊104 hm2,耕地面积 0郾 47 伊104 hm2,草场面积
13郾 13伊104 hm2 . 县辖 3 乡 3 镇、9 个林场(塔林、绣
峰、瓦拉干、马林、蒙克山、盘古、盘中、沿江和樟岭林
场)、1 个经营所、4 个贮木场,以林业为主体经济.
该区属寒温带大陆性季风气候,由于受西伯利亚冷
空气和蒙古高压控制,冬季漫长、严寒而干燥,春秋
季凉爽而短暂,夏季更短、温差变化大、降水量集中.
年日照时间2560 h,年均降水量428 mm,无霜期不
足100 d. 主要树种有樟子松 (Pinus sylvestris var郾
mongolica)、落叶松 ( Larix gmelinii)、白桦 ( Betula
platyphylla)、杨树 ( Populus davidiana)、红皮云杉
(Picea koraiensis)、鱼鳞云杉(P. jezoensis)等. 该区
为全国重点林区和重要木材生产基地之一,也是火
源分布复杂、难控性较大的全国重点火险地区之一.
1郾 2摇 数据来源
研究区 1974—2008 年日值气象数据(包括最高
气温、降水量、平均风速、平均相对湿度)来自中国
气象科学数据共享中心. 1974—2008 年火灾数据
(包括林火发生、扑灭时间、起火地点、火点地理坐
标、森林火灾等级、过火面积、起火原因等)源于大
兴安岭地区塔河县森林防火办公室.
1郾 3摇 火险天气指标
CFFWIS是基于每日 14:00 时 4 个气象因子的
连续观测记录,输出描述森林火险的多个指标.该系
统包括 3 个可燃物湿度指标(细小可燃物湿度码,
FFMC;枯落物下层湿度码,DMC;干旱码,DC)、3 个
火行为指标(初始蔓延指标,ISI;有效可燃物指标,
BUI;火险天气指标,FWI) [1,9,26]和 2 个火灾控制难
易度指标(日严重度指标,DSR;防火期平均控制火
灾难易度指标,SSR).
可燃物湿度码表示不同变干速率的 3 类森林可
14215 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邸雪颖等: 黑龙江省大兴安岭地区塔河县森林火险天气指标动态摇 摇 摇 摇 摇 摇
燃物湿度,随着天气变化可燃物湿度发生变
化[35-38] . FFMC表示在林地上细小可燃物和表层枯
枝落叶含水量的变化,可反映引燃程度 (式 1),
FFMC值越高说明当天林火发生的概率越大. DMC
反映半分解、较松散的枯枝落叶物下层可燃物含水
率,该层对空气湿度反应较迟缓,变干或变湿速率较
慢,需较长时期的干旱或降水才能看出含水率的变
化,DMC决定林火强度(式 2),其值越高说明林区
枯落物下层可燃物越干燥. DC可反映深层可燃物的
含水率,该层可燃物含水量随季节变化迟缓,DC 决
定了地下深层燃烧(式 3),其值越高说明干旱程度
越重,越易引发地下火.
FFMC = 59郾 5 伊 (250 - m) / (147郾 2 + m) (1)
DMC = Po(or Pr) + 100K (2)
DC = Do(or Dr) + 0郾 5V (3)
式中:m 为干燥后的细小可燃物水分含量;K 为与
DMC有关的枯落物下层可燃物干燥速率的对数,
K = lg(m / d),d为常数;Po 为前一天的 DMC;Pr 为
雨后的 DMC;Do 为前一天的 DC;Dr 为雨后的 DC;V
为可能蒸发量. K、Po、Pr、Do、D 可由最高气温(T)、
平均风速(W)、平均相对湿度(H) 和降水量(R) 计
算得出.
火行为指标是在标准可燃物类型林地上发生林
火后的火强度指标[1,9,26] . ISI 是由细小可燃物湿度
和风速决定的一个中间指标,反映可燃物数量不变
的情况下林火蔓延的速度,与可燃物林火行为预报
系统相结合,可预报不同类型蔓延速度(式 4). BUI
是由 DMC和 DC决定的一个中间指标,反映可燃物
对燃烧蔓延的有效性(式 5),BUI 值越高,表示参与
燃烧的可燃物越多,火强度越大. FWI 是由 ISI 和
BUI决定的最终指标,可表示林火蔓延的强度,表示
单位火线长度上的能量释放率(式 6).
ISI = 0郾 208f(W) f(F) (4)
BUI = (0郾 8DMC 伊 DC) / (DMC + 0郾 4DC) (5)
lnFWI = 2郾 72(0郾 43lnB) 0郾 647 (6)
式中:f(W) 为 ISI的风函数;f(F) 为 ISI的细小可燃
物函数;B为火险天气指标的中间形式,可由枯落物
下层可燃物含水率函数求得.
不同地点的火险严重程度可通过 DSR 进行比
较,它是 FWI的函数,可用来描述某时段内一个气
象站平均火险或某区域一些气象站观测的平均森林
火险. DSR指火控制的相对困难程度或扑救所需工
作量(式 7);SSR 指防火期平均控制火灾难易度的
指标(式 8) [9] .
DSR = 0郾 0272(FWI) 1郾 77 (7)
SSR =移
n
i = 1
DSR i / n (8)
式中:n为防火期天数.
1郾 4摇 数据处理
根据加拿大林务局 1987 年发布的 CFFWIS 模
型[9],利用 Java 语言编写系统程序,通过批量输入
1974—2008 年经过处理的日气象数据,批量输出每
日 3 个可燃物指标值、3 个火行为指标值和 2 个火
险严重程度指标值. CFFWIS 是一种连续计算的指
标体系,前一天指标是后一天的输入,参照 CFFWIS
初始化数值,将模型的初始值设定为 FFMC=85、
DMC=15、DC=6[9] .虽然我国现有的日均气象数据
与 CFFWIS要求的每日14:00的气象数据不完全对
称,但国内外许多学者对二者输出的林火天气指标
值进行相关性分析的结果表明,二者具有很好的线
性关系[26,31] .因此,本文利用日均值替代每日14:00
的气象数据进行计算完全可行.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 森林火灾动态
1974—2008 年,塔河县共发生森林火灾 440
次,平均每年发生 12郾 6 次,且年均森林火灾次数呈
递增趋势(图1) . 相对而言,2000—2008年是该区
图 1摇 1974—2008 年研究区森林火灾次数和过火面积的年
变化
Fig. 1 摇 Annual changes of fire times and area burned during
1974-2008 in the study area.
2421 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
森林火灾频发时期,1999—2008年间有 6年位列研究
期间森林火灾年发生次数最多的 10 年之中,其中,
2002年的森林火灾次数最多,平均每月发生 4郾 6次.
摇 摇 1974—2008 年,塔河县过火面积563709 hm2,
年均16106 hm2 . 各起森林火灾过火面积波动较大,
其中,1987 年“5郾 6冶大火是塔河县乃至我国森林过
火面积最大的一次火灾. 为了全面分析该区过火面
积的动态,图 1 中森林火灾过火面积剔除了 1987 年
这一特殊年份. 1988 年后,该区总过火面积呈微弱
的下降趋势,但由雷击火引发的过火面积则呈上升
趋势. 1990 年后,雷击火引发的过火面积明显高于
人为火和不明火引发的过火面积,1990 年后雷击火
引发的过火面积是 1990 前的 7郾 4 倍.
受大气环流和季风气候的影响,我国大兴安岭
地区的火险期形成了明显的季节变化,即每年 3 月
15 日至 6 月 15 日为春季火险期,6 月 16 日至 9 月
14 日为夏季火险期,9 月 15 日至 11 月 15 日为秋季
火险期[26] .该区森林火灾主要集中发生于春、夏、秋
季,其中,春季火险期的森林火灾最活跃、过火面积
最大(图 2).研究区森林火灾从 20 世纪 90 年代开
始频繁出现于夏季火险期,2002、2005 和 2007 年发
生在夏季防火期的雷击火次数占该年雷击火总次数
的 90%以上.
图 2摇 1974—2008 年研究区不同火险期森林火灾次数和过
火面积的年变化
Fig. 2摇 Annual changes of fire times and area burned of differ鄄
ent fire seasons during 1974-2008 in the study area.
2郾 2摇 可燃物湿度动态
1974—2008 年,研究区细小可燃物湿度码
(FFMC)呈缓慢增加趋势,2000—2008 年 FFMC 年
均值比 1990—1999 年增加 2郾 5% ,2005—2008 年的
年均值比 2000—2004 年增加 5郾 5% (图 3).研究期
间,各防火期 FFMC 均值都呈增加趋势,其中,夏季
防火期的增幅最大,2000—2008 年的夏季防火期
FFMC 均值比 1990—1999 年增加 56郾 1% ,2005—
2008 年比 2000—2004 年增加 25郾 5% .
1974—2008 年,研究区枯落物下层湿度码
(DMC)呈增加趋势,1974—1999 年 DMC 年均值波
动不大,2000—2008 年 DMC 值明显递增,2000—
2008 年的 DMC 年均值比 1990—1999 年增加
35郾 0% , 2005—2008 年 比 2000—2004 年 增 加
38郾 7% (图 3).研究期间,各火险期 DMC 均值都呈
增加趋势,其中,春、夏、秋季火险期的增幅都很明
显,2000—2008 年春、夏、秋季火险期的 DMC 均值
比 1990—1999 年分别增加了 22郾 1% 、 18郾 8% 和
29郾 3% .
1974—2008 年,研究区干旱码(DC)呈增加趋
势,2000—2008 年的 DC年均值比 1990—1999 年增
加 17郾 2% , 2005—2008 年比 2000—2004 年增加
28郾 9% (图 3).研究期间,各火险期 DC 均值都呈增
加趋势,其中,夏、秋季火险期的增幅明显,2000—
2008 年夏、秋季火险期的 DC 均值比 1990—1999 年
分别增加了 17郾 1%和 26郾 6% .
2郾 3摇 火行为指标动态
1974—2008 年,研究区初始蔓延指标(ISI)呈缓
慢递减趋势,ISI 年均值波动不大,这与 ISI 是风速
和可燃物湿度的函数,受风速和复杂地形影响有关
(图 3).研究期间,只有夏季火险期的 ISI 均值呈增
加趋势,2000—2008 年夏季火险期的 ISI 均值比
1990—1999 年增加了 17郾 1% .
1974—2008 年,研究区有效可燃物指标(BUI)
呈快速增加趋势,2000—2008 年的 BUI 年均值比
1990—1999 年 增 加 34郾 6% , 2005—2008 年 比
2000—2004 年增加 40郾 4% (图 3). 研究期间,各火
险期 BUI均值都呈增加趋势,其中,夏季火险期的
增幅较明显,2000—2008 年夏季火险期的 BUI 均值
比 1990—1999 年增加了 53郾 3% .
1974—2008 年,研究区火险天气指标(FWI)呈
快速增加的趋势,2000—2008 年的 FWI 年均值比
1990—1999 年增加了 22郾 7% , 2005—2008 年比
34215 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邸雪颖等: 黑龙江省大兴安岭地区塔河县森林火险天气指标动态摇 摇 摇 摇 摇 摇
2000—2004 年增加了 33郾 6% (图 3). 研究期间,各
火险期 FWI 均值都呈增加趋势,其中,2000—2008
年春、夏季火险期的 FWI 均值比 1990—1999 年分
别增加了 46郾 7%和 30郾 1% .
2郾 4摇 火灾控制难易度指标动态
1974—2008 年,研究区防火期平均控制火灾难
易度指标(SSR)呈快速增加趋势,2000—2008 年的
SSR年均值比 1990—1999 年增加 28郾 4% ,2005—
2008 年比 2000—2004 年增加 38郾 2% .研究期间,各
火险期 SSR均值都呈增加趋势,其中夏季火险期的
增幅尤其明显,2000—2008 年夏季火险期的 SSR 均
值比 1990—1999 年增加了 60郾 2% (图 4).
图 3摇 1974—2008 年研究区森林火险天气指标年均值的动态
Fig. 3摇 Dynamics of annual average value of the forest fire weather indices during 1974-2008 in the study area.
图 4摇 1974—2008 年研究区森林火灾控制难易度指标的年变化
Fig. 4摇 Annual changes of forest fire severity indices during 1974-2008 in the study area.
4421 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
3摇 讨摇 摇 论
在气候变化背景下,1974—2008 年大兴安岭地
区塔河县年均气温明显增加,年均森林火灾发生次
数呈增加趋势,而且这种增加趋势随着时间的推进
更加明显,2000—2008 年年均森林火灾发生次数比
1974—1999 年增加了 72郾 2% . 受气候变化影响,研
究区森林火灾常发生在夏季,使森林火险期延长,尤
其在 2000 年以后,夏季火险期森林火灾发生次数显
著上升,2000—2008 年夏季火险期森林火灾发生次
数的年均值是 1974—1999 年的 5郾 9 倍,夏季成为近
年来该区森林火灾的主要发生期.
经加拿大火险天气系统输出的 1974—2008 年
研究区可燃物湿度码、火行为指标和火灾控制难易
度指标的年均值总体呈增加趋势,且这种增加趋势
随着时间的推进更加明显.如研究区 2000—2008 年
FFMC、DMC、DC、BUI、FWI 和 SSR 年均值分别比
1990—1999 年 增 加 了 2郾 5% 、 35郾 0% 、 17郾 2% 、
34郾 6% 、22郾 7%和 28郾 4% ,2005—2008 年比 2000—
2004 年增加 5郾 5% 、38郾 7% 、28郾 9% 、40郾 4% 、33郾 6%
和 38郾 2% ,这一递增趋势与当地森林火灾的变化趋
势相吻合,也与内蒙古大兴安岭地区火险天气变化
趋势一致[39] .研究结果表明,未来该区森林火灾发
生概率将显著递增,枯落物下层可燃物将更加干燥,
深层可燃物更加干旱,参与燃烧的有效可燃物数量
增多,林火强度增强,控制火灾更加困难,火险天气
状况更加严峻.与火险天气指标年际动态相同,该区
各火险期的火险天气指标平均值也基本呈增加趋
势,以夏季火险期火险天气指标平均值的递增趋势
尤为显著.
全球地表气温升幅最大的地区为北半球中高纬
度地区[26] .大兴安岭地区不仅地处气候增暖剧烈的
腹地,而且随着近年来森林防控能力的提高,林内可
燃物的累积值有所增多,部分林地每公顷可燃物载
量已超出国际公认的易发生森林大火的每公顷可燃
物载量的界限(30 t) [39],表明该区森林发生高强度
特大火灾的可能性越来越高,扑火救灾中人员和设
施安全的问题越来越突出. 结合该区森林火灾实际
发生状况和火险天气指标模拟值,未来该区应重点
加大森林火灾的防控,尤其是夏季火灾的防控,并应
加大计划可燃物的烧余,减少可燃物载量,降低可燃
物的干燥程度,从可燃物这一源头上减少火灾发生
的概率和降低火灾强度.
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作者简介摇 邸雪颖,男,1957 年生,教授.主要从事林火预报
和林火管理研究. E鄄mail: dixueying@ 126. com
责任编辑摇 杨摇 弘
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