全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % # % 年 # 月
林 业 科 学
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./01 !"，*/1 #
2345，$ % # %
北京西山可燃物特点及潜在火行为!
王明玉# 6 舒立福# 6 赵凤君# 6 任云卯$ 6 田晓瑞#
（#1 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业局森林保护学重点开放性实验室 6 北京 #%%%7#；
$1 北京市西山试验林场 6 北京 #%%%$7）
摘 6 要：6 以北京西山魏家村林场为研究区域，通过样地调查和森林清查数据将可燃物划分为针叶林、阔叶林、混
交林和疏林地。根据样地调查和树木生物量模型计算不同类型和不同层次的可燃物载量、厚度和高度。根据
$%%%—$%%" 年当地气象数据，确定历史平均最大风速的平均值和主风向，在此背景下对风场进行模拟，进而对地表
火和树冠火进行模拟计算，计算出不同类型火发生时火蔓延速度、火强度和火焰高度的分布图。地表火的蔓延速
度为 %1 %# 8 %1 $$ 9·: ; #，树冠火的蔓延速度为 %1 #$ 8 $1 $< 9· : ; #；地表火的火线强度为 #!! 8 " <7< =>·9 ; #，
树冠火的火线强度为 ? $#! 8 #@7 %%$ =>·9 ; #；地表火的火焰高度为 %1 ?A 8 $1 <% 9，树冠火的火焰高度为 #1 A< 8
#?1 ! 9。通过对可燃物和火行为指标的计算，可以为防火林带规划和防火林管理提供依据，也可为可燃物管理、扑
火安全防范等提供借鉴。
关键词：6 可燃物；火线强度；火焰长度；火蔓延
中图分类号：&A"$6 6 6 文献标识码：,6 6 6 文章编号：#%%# ; A!@@（$%#%）%# ; %%@! ; %A
收稿日期：$%%@ ; %! ; #"。
基金项目：国家科技支撑计划项目（$%%"B,C%!B%<）、火灾科学国家重点实验室基金（DE$%%AFGH%7）和北京市园林绿化局科技计划项目
（$%%A 年度）。
-舒立福为通讯作者。
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6 6 森林可燃物是森林燃烧的基本条件，近年来世
界气候异常，气温升高，包括中国在内，全球正在经
历一次大的以气候变暖为特征的气候变化过程（王
明玉等，$%%?3；$%%?Z）。天气异常与森林可燃物变
化相结合，森林火灾发生危险性有增加的趋势。生
物防火林带可以有效阻隔森林火灾的蔓延，是预防
大面积森林火灾发生的重要措施之一。森林防火林
带的规划需要对火行为、可燃物、地形、火环境等进
行系统地分析，因地制宜，结合林相改造，合理布局，
使防火林带与防火线以及天然屏障连接成网，把林
地分隔成阻隔封闭区，才能发挥防火线的阻隔作用
（田晓瑞等，$%%%）。可燃物和火行为特征是其中最
! 第 " 期 王明玉等：北京西山可燃物特点及潜在火行为
关键的 # 个因素。森林火灾的发生和蔓延与可燃物
尺寸、结构、组成、理化燃烧特性、载量、含水率等密
切相关。对可燃物的研究涉及可燃物的理化性质
（王希田等，"$$%），可燃物含水率（覃先林等，#&&"；
金森等，#&&&），可燃物分类（覃先林等，#&&’；()*+
!" #$%，#&&,），可燃物载量估算（胡海清等，#&&,；单
延龙等，#&&’；#&&,）等方面，可以采用遥感（覃先林
等，#&&’；()*+ !" #$%，#&&,）、立地调查（胡海清等，
#&&,；单延龙等，#&&’）、模型分析（胡海清等，
#&&,）、试验分析（骆介禹等，"$$#）等方法。对火行
为的描述可以通过野外火烧试验（王贤祥等，
"$$,）、室内试验（张家来等，#&&#；林其钊等，
#&&&）、模型模拟（朱霁平等，"$$$；张景群等，#&&"；
-./01. !" #$2，"$$$；3*04 !" #$2，#&&"；唐晓燕等，
#&&#）及遥感分析（舒立福等，#&&"）等方法，基于不
同尺度和不同研究目的可以采用不同的研究方法。
可燃物空间分布特征与森林火灾行为特征密切相
关，包括可燃物的水平分布和垂直分布及不同空间分
布下的载量分布，对于火行为的强度和燃烧类型均有
不同程度的影响。本文以北京市西山魏家村林场为研
究区域，对风场进行模拟，进而计算地表火和树冠火的
潜在火行为特征，为防火林带规划提供量化指标，对可
燃物管理、扑火安全防范也有借鉴意义。
"! 研究区域概况
北京市西山林场位于北京市近郊小西山，地跨海
淀、石景山、门头沟 % 区，是以经营风景林为主的城市
景观生态公益型国有林场，总面积为 , $’$ 56#，森林
覆盖率为 $#7 ##8。西山林区是距北京市区最近的一
处山林，与香山公园、卧佛寺、碧云寺、八大处等名胜
古迹相邻，构成著名的西山风景旅游区。西山林场所
处小西山属太行山系的低海拔石质山，山区平均海拔
#&& 9 ’&& 6，最高峰克勒峪海拔 :&& 6，年降水量 ;;&
66，但近几年连续干旱，实际年降水量仅 ’&& 66 左
右。小西山土层较薄，一般 %& 9 ,& <6，土壤中石砾含
量多，立地条件较差，不利于造林和树木生长。小西
山有维管束植物 $& 科、#:; 属、,"= 种。自 "$:" 年以
来，西山林场共发生森林火灾 #&& 多起，火灾成为威
胁该地生态安全重要因素，本文以西山魏家村林场作
为研究区域，区域面积为 =&"7 # 56#，对其可燃物特征
和火行为特点进行研究。
#! 材料与方法
!" #$ 样地调查、可燃物载量和热值
当地 的 植 被 类 型 乔 木 类 主 要 包 括：侧 柏
（&$#"’($#)*+ ,-.!/"#$.+）、油松（ &./*+ "#0*$#!1,-2.+）、
栓 皮 栎（ 3*!-(*+ 4#-.#0.$.+ ）、刺 槐（ 5,0./.#
6+!*),#(#(.#），还 有 少 量 的 山 桃（ 72’8)#$*+
)#4.).#/#）、黄栌（ 9,"./*+ (,88’8-.#）、桑树（:,-*+
#$0#）、山 杏（ &-*/*+ #-2!/.#(#）、元 宝 枫（ 7(!-
"-*/(#"*2）、槲栎（ 3*!-(*+ #$.!/#）、臭椿（ 7.$#/";*+
#$".++.2#）、榆 树（ <$2*+ 6*2.$#）、白 蜡（ =-#>./*+
(;./!/+.+ ）、 蒙 桑 （ :,-*+ 2,/8,$.(# ）、 栾 树
（?,!$-!*"!-.# 6#/.(*$#"#）等。
灌木植被类型主要包括：荆条（ @."!> /!8*/),
>*02 ;!"!-,6;’$$#）、孩儿拳头（ A-!B.# 0.$,0# >*0%
6#-4.1$,-#）、绣 线 菊（ C6.-#!# +#$.(.1,$.#）、鼠 李
（5;#2/*+ )#4*-.(#）、酸枣（D.E.6;*+ #(.),F*F*0#）、胡
枝子（G!+6!)!E# 0.(,$,-）、君迁子（H.,+6’-,+ $,"*+）、河
朔 荛 花（ I.J+"-,!2.# (;#2#!)#6;/! ）、蛇 葡 萄
（726!$,6+.+ +./.(#）等。
草本 植 被 类 型 主 要 包 括：荩 草（ 7-";-#>,/
;.+6.)*+）、北京隐子草（9$!.+",8!/!+ ;#/(!.）、龙芽草
（78-.2,/.# !*6#",-.#）、紫花地丁（ @.,$# 6;.$.66.(#）、
细叶苔草（ 9#-!> +"!/,6;’$$#）、铁杆蒿（ 7-"!2.+.#
+#(-,-*2）、野菊（=$,+ (;-’+#/";!2.）等。
根据森林清查数据及样地调查，将可燃物分为
阔叶林、针叶林、混交林和疏林地 ’ 种可燃物类型，
每一种类型设置 % 块 #& 6 ? #& 6 样地，并用 -@A
标定。乔木主要测定胸径、树高、活枝枝下高、死枝
枝下高，树种；灌木设置 , 6 ? , 6 样方（每个标准
地 " 个），调查灌木基径、灌高，灌木种类，采用收割
法，对全部样本称取鲜质量；草本采用 " 6 ? " 6样
方（每个标准地 % 个），调查草本层盖度、草高、草本
种类，并用收割法取样称取鲜质量；地表枯落物和
半分解层用 #& <6 ? #& <6 样方（每个标准地 % 个），
主要测量枯落物和半腐层厚度，并取样称取鲜质量。
把取回样品放入烘箱内，在 "&, B下连续烘干
#’ 5 至绝干质量，用电子天平称质量，计算出每个
样方内不同种类可燃物含水率，进而计算出样方内
灌木、草 本、枯 枝 落 叶 层 和 半 分 解 层 可 燃 物
的载量。 ! !
对于乔木可燃物载量的估算，采用乔木生物量
的估算方法，国内外学者普遍接受相对生长模型
I C #（H#K）0 估算生物量，根据当地典型乔木类型
选择适当的生长模型（陈灵芝等，"$:’；"$:;；毕君
等，"$$%；鲍显诚等，"$:’），基于其生长模型，对乔
木的树叶、树枝和树干的生物量进行计算，进而计算
得到各部分可燃物载量。
可燃物的热值与火烧强度密切相关，关于不同
,:
林 业 科 学 !" 卷 #
植被热值的测定已有大量的研究，本文查阅相关文
献（田晓瑞等，$%%$；徐永荣等，$%%!）基础上对不同
可燃物类型的热值进行确定。
!" !# 风速、风向的模拟
风速 和 风 向 对 林 火 行 为 影 响 很 大。统 计
$%%%—$%%" 北京地区 $ 个气象站点（站点号：
&!!’"，&!&’’）日值数据，计算得到最大平均风速的
风向统计，根据风向玫瑰图，确定主风向为东北、西
南方向，最大平均风速的平均值 () " *·+ , ’。
地形可以改变风速、风向，也可以产生涡流现
象，地形和风场的共同作用会对火行为产生很大影
响，用于天气预报的全球尺度和中尺度的风场模型
并不能满足小尺度的火行为模拟的需要。其原因在
于许多全球尺度的模型假设重力场与压力场存在平
衡，然而在小尺度上由于惯性载荷在垂直方向对压
力的影响并不能完全忽略，并且中尺度模型不能很
好地解决地形的变化对风产生的影响。本文使用
-./01/./23 软件对风场进行模拟，建立风向和风速
图层，然后再转换为栅格数据，在 456789 中进行火
行为模拟。
一般认为，在裸地或林冠上的风廓线均呈对数
规律变化，但是在单株树木和林分内风速随高度的
变化则不呈对数规律。单株针叶树树冠内的风速廓
线呈指数形式分布，在林分内的风速廓线可用风的
减弱系数来表示（ :;< !" #$=，$%%!）。关德新等
（$%%%）根据风洞模型试验，分析了树冠结构参数疏
透度 ! 和透风系数 " 与附近的风速场特征，表明透
风系数与疏透度之间符合幂函数关系。邓湘雯等
（$%%$）通过试验确定防火林带疏透度 ! 与透风系
数之 间 有 一 定 的 相 关 性，关 系 式 为： " >
’) %?$ &@!%) &%@ !A。
疏透度又称透光度，是表示林带疏密和透风程
度的指标，可用林带纵断面透光孔隙总面积和林带
纵断面垂直投影面积之比来表示，采用方格景框法、
照相法和目测法测定。而疏透度的测量比透风系数
方便，可用树木的测量数据计算得到，也可目测估计
或用数字图像处理法，由照片精确测定。本文利用
目测法估测林内疏透度，根据透风系数与疏透度之
间的幂函数（邓湘雯等，$%%$）近似计算林内风速，
进而计算地表火蔓延速度、火强度和火焰高度。
!" $# 火行为的计算公式
$) () ’# 蔓延速度 # 蔓延速度是指火头在单位时间
内前进的距离，本文采用修正后王正非（’??$3）的
计算公式
% & %%’ +’-’#， （’）
式中 %% 是初始蔓延速度；’ + 是可燃物配置格局更
正系数；’- 是风力更正系数；’# 是地形坡度更正
系数。
’ + 用来表征可燃物的易燃程度（化学特性）及
是否有利于燃烧的配置格局（物理特性）的一个订
正系数，它随地点和时间而变。对于某时、某地来
说，整个燃烧范围和燃烧过程中，’ + 可以假定为常
数，对于连续的林地类型，’ + 取值 ’。
风速更正系数为
’- & !
%) ’A@ ( (， （$）
# # 地形更正系数为
’! & B
() &((（ CD#）’) $， （(）
式中 %% 取决于细小可燃物的含水率，而细小可燃物
的含水率又受气温、风速和空气湿度的影响。王正
非（’??$E）通过 ’%% 余次野外试验，通过回归计算
得出细小可燃物初始蔓延速度与日最高气温、中午
平均风级、日最小湿度的回归方程：
%% & #) * +( * ,- . /， （!）
式中 ) 为日最高气温；( 为中午平均风级；- 为日
最小湿度（F）。 #，+，,，/ 为常数，分别为 %) %(，
%) %&，%) %’，%) (。统计 $%%%—$%%" 年北京地区气象
指标，求得 %% > %) %’’ ’( *·+
, ’。
$) () $# 火线强度 # 火线强度是指在单位时间内单
位火线长度上向前推进发出的热量。一般火线强度
的计算式采用白兰姆公式
0 G & 1,2， （&）
式中 0 G 为火线强度，HI·*
, ’；1 为单位面积内的
可燃物质量，HD·* , $；, 为可燃物的平均发热量，
HJ·HD , ’；2 为火线前进速度，*·+ , ’。
$) () (# 火焰高度计算 # 火焰高度指垂直于地面连
续的火焰高度（王正非，’??$3），可用下式表示：
3 & # 0 G( )! $&% ， （"）
式中 3 为火焰高度，*；0 G 为火线强度，HI·*
, ’；#
为可燃物类型常数，草原或连续型植被的 # > ’。
!" %# 地理数据处理
在 456789 中将 ’ K ’% %%% 地形图进行数字化，
生成等值线，并转换成栅格数据，对其坡度进行提
取，进一步得出地形更正系数（公式 (）。将 LMN 数
据由 7O8L 格式转换为 49P88 格式，用 -./01/./23 软
件在平均最大风速平均值 () " *· + , ’和东南方向
为主风向条件下，输入 LMN 数据，对风场进行模拟，
计算出风速场，进一步计算出风速更正系数（公式
$），根据公式（’）计算出火蔓速度场，进一步对火强
度和火焰高度分布进行计算。
"@
! 第 " 期 王明玉等：北京西山可燃物特点及潜在火行为
地表火和树冠火发生时可燃物消耗量的假设：地
表火发生后，地表枯枝落叶层、半分解层、草本和灌木
全部消耗完，地表有效可燃物的载量为上述各部分的
总和。树冠火发生时按树叶、树枝消耗完计算。
#! 结果与分析
!" #$ 可燃物垂直特征
森林可燃物是森林燃烧的物质基础，可燃物不
但有其一定的动态变化规律，而且也与环境条件密
切相关。可燃物类型，可燃物载量，可燃物组成和结
构，可燃物高度或厚度等对火行为 都 有 深 刻
的影响。 ! !
研究区域内不同可燃物类型的载量有很大的不
同（图 "），地上部分可燃物总载量针叶林为 $"% &#
’·() * +，阔 叶 林 为 ,-% ./ ’ · () * +，混 交 林 为
"0-% 0" ’·() * +，疏林地为 ,"% &" ’·() * +。
图 "! 不同可燃物类型垂直分布
1234 "! 567’289: ;2<’72=>’2?@ ?A ;2AA676@’ A>6: ’BC6<
D4针叶林 E?@2A67?>< A?76<’；F4 阔叶林 F7?9;:69A A?76<’；E4 混交林 G2H6; A?76<’；I4 疏林地 JC97<6 A?76<’
K’：枯落物半分解层 K2’’67 9@; ;>AA；L7：草本 L79<<；F<：灌木 F><(；M7：整树 M766；J’：树干 M7>@N；F7：树枝 F79@8(；KA：树叶 K69A4
! ! 细小可燃物是决定火险高低的主要因素，其中
草、枯落物等的载量和分布是决定火灾初始蔓延速
度的重要因素。树冠可燃物的载量是决定树冠火火
强度和蔓延速度的重要因素。研究区域内，由于森
林郁闭度高，林冠层在空间上呈连续分布，树冠火的
危险性加大，有计划地对林中可燃物进行分割，如修
建防火林带、防火公路等，加大可燃物的不连续性，
将有效地降低树冠火和地表火的火烧面积。
可燃物的高度对于火烧类型从地表火向树冠火
过渡起决定性作用，研究区域内灌木层和草本层的
高度不但对地表火的火强度具有影响，也成为地表
火向树冠火过渡的通道（表 "），在进行防火林带管
理和可燃物管理过程中，要根据当地的火行为特征，
对枝下高、草本、灌木、枯落物等进行清理，将有效地
减少地表火的火强度，降低火焰高度，使梯形可燃物
的有效高度增加，减少树冠火发生的危险性。
表 #$ 不同类型可燃物平均高度或平均厚度
%&’( #$ )*&+ ,*-.,/ 01 /,-23+*44 05 6-55*1*+/ 57*8 /9:*
可燃物类型
1>6: ’BC6
针叶林
E?@2A67?>< A?76<’
阔叶林
F7?9;:69A A?76<’
混交林
G2H6; A?76<’
疏林地
JC97<6 A?76<’
树高 O623(’ ?A ’766 P ) /% /0 ,% +, /% /# ,% $0
枝下高 O623(’ ?A 87?Q@ =9<6 P ) +% #0 +% 00 +% 00 +% $0
灌木高度 O623(’ ?A =><( P 8) ".$% 0 "",% 0 "."% 0 "+/% 0
草高 O623(’ ?A 379<< P 8) "-% 0 +-% 0 #% 0 ,"% 0
枯落物层厚度 M(28N@6<< ?A :2’’67 9@; ;>AA P 8) +% - +% , #% . +% ,
!" ;$ 火行为相关指标
影响火蔓延速度的主要因素为风速、地形条件，
以及由前期气象条件决定的可燃物湿度。地形对火
灾的发生发展有明显的影响，不同的地形条件会构
成不同的森林小气候，引起生态因子的重新分配，使
可燃物数量、类型都发生变化，直接影响到林火的蔓
延和火强度。在文中设定的气象条件下，地表火的
蔓延速度为 0% 0" R 0% ++ )·< * "，树冠火的蔓延速度
为 0% "+ R +% +, )·< * "，由于冠层外风速比林内风速
明显偏大，使得在同一风速背景下林内地表火蔓延
速度比树冠火蔓延速度显著降低。
火线强度是林火行为重要标志之一。森林燃烧
-$
林 业 科 学 !" 卷 #
时，火强度变化幅度为相差极大。有些林火专家认
为，当火强度超过 ! $$$ %&·’ ( )时，林内所有生物
都会烧死，只有火强度小于 ! $$$ %&·’ ( )时，才有
生态意义。森林火灾的火强度变化很大，一般将火
强度分为：低强度 *+$ %&·’ ( )以下，中强度 *+$ ,
- +$$ %&·’ ( )，高强度- +$$ , ! $$$ %&·’ ( )（舒
立福等，.$$!）。地表火的火线强度为 )!! , " +/+
%&·’ ( )，树冠火的火线强度为 - .)! , )0/ $$.
%&·’ ( )，由图 . 可以看出，在设定的气象背景林内
地表火以中低强度为主，对林内生物影响不是很大，
但树冠火的火强度以中高强度为主，这时不但扑救
难度加大，对林内生物的伤害也极大。因此，避免发
生高强度的树冠火是减少火灾损失的重要措施。
地表火的火焰高度为 $1 -* , .1 +$ ’，在本文所
设定的条件下，由于地表火、灌木等可燃物的存在，
林内枝下高偏低，很容易由地表火引发树冠火。树
冠火的火焰高度为 )1 *+ , )-1 ! ’，大部分火焰高度
小于 )$ ’（图 -）。一旦发生树冠火，由于空中可燃
物连续性高，火蔓延速度比地表火显著加快，火强度
极高，扑救难度大。在进行防火公路和防火林带建
设 时，可 以 参 考 相 关 火 行 为 参 数，进 行 合
理设计。 # #
图 .# 火线强度频率
2345 .# 267897:;< => >367?3:7 3:@7:A3@<
图 -# 火焰高度频率分布
2345 -# 267897:;< => >?B’7 C734C@
# # 山地条件下，陡坡会自然地改变林火行为，尤其
是林火的蔓延速度。随着坡度的增加，火焰由垂直
发展状态而转变成为水平发展状态，大大提高了辐
射热能的传播。火焰上空形成对流柱，产生高温使
林冠层和空中可燃物预热。浓烟为受热气体上升到
冠层提供了良好的通道。树冠层到地面的距离较
近。使地表火的火焰更容易达到树冠，也增加了地
表火向树冠的热辐射强度，使树冠火形成的可能性
增大；其次，上山火火强度显著增加，表现为火焰高
度和辐射强度均比无坡度时大，这也是树冠火形成
的有利条件（寇晓军等，)//0）。
!# 结论与讨论
可燃物分布和载量是决定林火行为的重要因
素，本文根据历史气象数据对研究区域的主风向和
最大平均风速进行确定，在此背景下对火行为进行
模拟计算。分别地表火发生时的地表有效可燃物载
量和树冠火有效可燃物载量进行计算，并在此基础
上对地表火和树冠火的火行为进行了分析。
其中地表有效可燃物载量为草、枯落物和灌木
层的总和，针叶林为 )!1 $/ @·C’ ( .，阔叶林为 *1 )!
@·C’ ( .，混交林为 )01 -0 @·C’ ( .，疏林地为 )$1 *+
00
! 第 " 期 王明玉等：北京西山可燃物特点及潜在火行为
#· $% & ’。其树冠火的有效可燃物载量，针叶林为
()* +, #·$% & ’，阔叶林为 "(* +’ #·$% & ’，混交林为
()* ,- #·$% & ’，疏林地为 ".* ) #· $% & ’。枝下高：
针叶林为 ’(/* / 0%，阔叶林为 ’//* / 0%，混交林为
’//* / 0%，疏林地为 ’+/* / 0%。
地表火和树冠火的火行为特征包括，地表火的
火蔓延速度为 /* /" 1 /* ’’ %·2 & "，树冠火的火蔓延
速度为 /* "’ 1 ’* ’. %· 2 & "，地表火的火线强度为
"-- 1 3 .). 45·% & "，树冠火的火线强度为 ( ’"- 1
"+) //’ 45· % & "，地表火的火焰高度为 /* (, 1
’* ./ %，树冠火的火焰高度为 "* ,. 1 "(* - %。
在防火林带规划时主要涉及的火行为指标的火
焰高度，地表火的火焰高度决定的地表可燃物和枝
下高清理的程度，在进行林带管理时，要将枝下高控
制在火焰高度以下，本文估算的地表火的火焰高度
为 /* (, 1 ’* ./ % 之间，因此对于防火林带进行管
时，枝下高要空制在 ’* ./ % 以上，对林下的枯落物、
草本和灌木进行有效的清理，通过这些措施将有效
降低地表火的火强度和火焰高度，提高梯形可燃物
的有效高度，降低树冠火发生的危险。
树冠火的火焰高度用于估算防火林带规划时的
林带宽度，根据树冠火火焰高度分布图可以确定林
带不同位置的有效宽度。不同的地段，由于坡度、风
速、可燃物类型和载量的原因，防火林带的有效宽度
有不同程度的降低。树冠火只在极端的天气情况下
才会发生，本文计算的气象条件风速为最大平均风
速，因此树冠火的火焰高度只是发生树冠火时极端
天气条件下的火焰高度，在实际中很少发生。
本文根据历史气象数据，在对可燃物载量分布的
基础上对森林火灾的火行为进行分析，在进行防火林
带规划时，可以参考相关火行为指标进行合理规划。
在不同的位置根据火强度和火焰高度设置相应的林带
宽度，进行林带内可燃物管理时，可以结合地表火火焰
高度，对林带内树木的枝下高进行管理，使得枝下高控
制在火焰高度以上，减少树冠火发生的可能性。在进
行可燃物管理、扑救森林火灾时，也可参考文中计算的
火行为特征，使管理和扑救更加有效。
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（责任编辑 # 朱乾坤）
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