全 文 ：第 wv卷 第 tu期
u s s z年 tu 月
林 业 科 学
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平衡含水率法预测死可燃物含水率的研究进展 3
刘 曦 金 森
k东北林业大学林学院 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 死可燃物含水率预报是森林火险天气预报的重要内容 o准确预测死可燃物含水率是做好森林火险天气
预报和火行为预报的关键 ∀平衡含水率法预测死可燃物含水率在物理上十分可靠 o若研究对象可精确描述 o理论
上其含水率的预测是准确的 ∀因此 o该方法是重要的可燃物含水率预测方法 ∀本文对该方法的理论基础和应用情
况进行综述 ∀结果表明 }tl平衡含水率的预测模型主要有 w种 o其中 ≥¬°¤µ§模型 !∂¤± • ¤ª±¨ µ模型和 „±§¨µ¶²±模型
都是统计模型 o其应用具有一定的局限性 ~而 ‘¨ ¶¯²±模型为半物理模型 o在预测可燃物含水率上的效果好 o应用广 ∀
ul可燃物类型影响平衡含水率 o但具体机理还没有系统研究 ∀vl对时滞的影响因子研究相对较少 ∀可燃物的种
类 !物理性质对时滞都有影响 ∀wl现有平衡含水率法中 o≤¤·¦«³²¯¨等的方法因采用 ‘¨ ¶¯²±的半物理模型而具普适
性 o有良好的应用前途 ∀xl平衡含水率法在实际预测中得到广泛应用 o是美国火险等级系统和加拿大森林火险等
级系统及其他类似系统中可燃物含水率预测的主要方法 ∀
关键词 } 时滞 ~平衡含水率 ~可燃物 ~预测
中图分类号 }≥zyu 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszltu p stuy p s{
收稿日期 }ussy p tt p ts ∀
基金项目 }国家自然科学基金kvsxztxs{l ∀
3 金森为通讯作者 ∀
∆εϖελοπ µεντ οφ ∆εαδ Φορεστ Φυελ Μοιστυρε Πρεδιχτιον Βασεδ
ον Εθυιλιβριυµ Μοιστυρε Χοντεντ
¬∏÷¬ ¬± ≥¨ ±
k Χολλεγε οφ Φορεστρψo Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ } ⁄¨ ¤§©∏¨¯ °²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·k⁄ƒ≤l ³µ¨§¬¦·¬²±¬¶¤ √¨ µ¼ ¬°³²µ·¤±·¦²°³²±¨ ±·¬± ©¬µ¨ §¤±ª¨µµ¤·¬±ªo¬·¶¤¦¦∏µ¤¦¼
¥¨¦²°¨ ¶·«¨ ¦µ∏¦¬¤¯ §¨·¨µ°¬±¤·¬²±²©©¬µ¨ ¥¨«¤√¬²µ¤±§©¬µ¨ º¨ ¤·«¨µ©²µ¨¦¤¶·¬±ªq ·¨«²§¶©²µ³µ¨§¬¦·¬±ª⁄ƒ≤ ¥¤¶¨§²± ¨´ ∏¬¯¬¥µ¬∏°
°²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·k∞≤l o¤µ¨ ³«¼¶¬¦¤¯ ¼¯ ³µ¨¦¬¶¨ ¤±§µ¨ ¬¯¤¥¯¨¬©·«¨ ¶·∏§¼ ²¥­¨¦·¶¦²∏¯§¥¨ §¨¶¦µ¬¥¨§ ¬¨¤¦·¯¼q׫¨µ¨©²µ¨ o·«¨¼ ¤µ¨
·«¨ °²¶·¬°³²µ·¤±·°¨ ·«²§¶¬± ⁄ƒ≤ ³µ¨§¬¦·¬²±q׫¨ ·«¨²µ¨·¬¦¤¯ ¥¤¶¬¶²©·«¨ °¨ ·«²§¶¤±§·«¨¬µ¤³³¯¬¦¤·¬²±¶¤µ¨ µ¨√¬¨º¨ §¬±·«¨
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„±§¨µ¶²± °²§¨¯¤µ¨ ¤¯¯ °¨³¬µ¬¦¤¯ º¬·« ¬¯°¬·¨§¤³³¯¬¦¤·¬²±oº«¨µ¨¤¶‘¨ ¶¯²± °²§¨¯¬¶¶¨°¬2³«¼¶¬¦¤¯ ²±¨ ¤±§«¤¶¥¨ ±¨ ∏¶¨§º¬§¨ ¼¯q
ul „¯·«²∏ª«∞≤ ¬¶¤©©¨¦·¨§¥¼©∏¨¯·¼³¨ o¶¼¶·¨°¤·¬¦µ¨¶¨¤µ¦«²±·«¬¶¤µ¨¤«¤¶±²·¥¨ ±¨ ¦²±§∏¦·¨§¼¨·qvl „¯·«²∏ª«©¨ º ¶·∏§¬¨¶
²± ©¤¦·²µ¶¤©©¨¦·¬±ª·¬°¨ ¤¯ª «¤√¨ ¥¨ ±¨ ¦¤µµ¬¨§²∏·o¬·¬¶¶·¬¯¯ ¶∏µ¨ ·«¤·©∏¨¯·¼³¨¶o©∏¨¯ ³«¼¶¬¦¤¯ ¦«¤µ¤¦·¨µ¬¶·¬¦¶¦¤± ¤©©¨¦·©∏¨¯
·¬°¨ ¤¯ªqwl ≤¤·¦«³²¯¨ ετ αλq °¨ ·«²§oº«¬¦«º¤¶¥¤¶¨§²± ‘¨ ¶¯²± °²§¨¯o«¤¶¥¨ ±¨ ∏¶¨§º¬§¨ ¼¯ ¤±§²³¨ ±¨ §∏³¤√¤¶·µ¤±ª¨ ²©
³µ²¶³¨¦·©²µ°¤®¬±ª∏¶¨ ²©∞≤ ¤±§·¬°¨ ¤¯ªqxl ∞≤ ¤±§·¬°¨ ¤¯ª«¤§¥¨¦²°¨ ·«¨ ©²∏±§¤·¬²±©²µ⁄ƒ≤ ³µ¨§¬¦·¬²±¬± ‘ƒ⁄• ≥ ²©
·«¨ ˜±¬·¨§≥·¤·¨¶¤±§≤ƒƒ⁄• ≥ ²©≤¤±¤§¤¤±§²·«¨µ¯¬®¨ ¶¼¶·¨°¶q
Κεψ ωορδσ} ·¬°¨ ¤¯ª~¨´ ∏¬¯¬¥µ¬∏° °²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·~©∏¨¯~³µ¨§¬¦·¬²±
死可燃物含水率预测是森林火险天气预报的重要内容 o也是做好火险天气预报和火行为预报的关键k邸
雪颖等 ot||v ~ •²·«¨µ°¨ ¯ ετ αλqot|{y ~何忠秋等 ot||y ~‘¨ ¶¯²±ousss ~≤«∏√¬¨¦² ετ αλqousswl ∀该工作最早可上
溯到 us世纪 ws年代k…¼µ¤° ετ αλqot|wvl o在 us世纪 {s年代研究较多k°¨ ¦«ot|{|l o|s年代相对少些 o近年来
随着对新一代可燃物含水率预测模型的需求增加k¤·«¨ º¶ ετ αλqoussyl o研究又有所增加k≤¤·¦«³²¯¨ ετ αλqo
usst ~∞°¬¯¬² ετ αλqoussw ~ ¤µ¶§¨±2≥°¨ §¯ ¼¨ ετ αλqousst ~ײ²°¨ ¼ ετ αλqoussx ~单延龙等 oussx ~Š²±½e¯ ½¨ ετ αλqo
ussy ~²³¨¶ ετ αλqoussy ~ °¨ ¯¯¬½½¤µ² ετ αλqoussy ~≥¤ª¯¤° ετ αλqoussy ~ ≥¯¬­¨³¦¨√¬¦ ετ αλqoussy ~ ×∏§¨ ¤¯ ετ αλqo
ussy ~张思玉等 oussyl ∀
目前预测死可燃物含水率主要有 w种方法 }tl平衡含水率法 oul气象要素回归法 ovl遥感估测法 owl过程
模型法 ∀上述 w种方法中各有所长 o其中 o遥感估测法kײ²°¨ ¼ ετ αλqoussx ~≠ ¥¨µ¤ ετ αλqoussyl随遥感技术的
发展而出现 o适于大尺度火险评价 o但中间环节复杂 o小尺度的准确性不够 ∀平衡含水率法k∂¤± • ¤ª±¨ µo
t|y| ~∂¤± • ¤ª±¨ µot|zu ~ „±§¨µ¶²± ετ αλqot|z{ ~ ‘¨ ¶¯²±ot|{w ~ ∂¬±¨ ¼ ετ αλqot|{| ~ „±§¨µ¶²±ot||s¤~ t||s¥~
∂¬±¨ ¼ ot||t ~∂¬±¨ ¼ ετ αλqot||t ~∂¬±¨ ¼ot||u ~金森等 ot||| ~usss ~≤¤·¦«³²¯¨ ετ αλqousstl物理上相对可靠 o若研
究对象描述精确 o含水率预测是准确的 ∀但若推到大尺度 o则需大量工作 ∀气象要素回归法k王金叶等 o
t||w ~何忠秋等 ot||x ~王得祥等 ot||y ~王瑞军等 ot||z ~∂¬¨ª¤¶ετ αλqousst ~≥¤ª¯¤° ετ αλqoussyl相对简单 o采
用统计方法 o结论受研究地区和可燃物特殊性限制大 o一些结合了平衡含水率的预测方法效果较好k何忠秋
等 ot||xl ∀过程模型法k¤·«¨ º¶oussyl完全基于物理描述 o理论上最具潜力 o但过程描述复杂 o研究很少 o没
有实际应用 ∀
在上述 w种方法中 o平衡含水率法应用最广 o是目前主流的死可燃物含水率预测方法 o美国 !加拿大等国
的森林火险等级系统都采用此方法 ∀在林火野外气象站日益凸善 o气象数据日益丰富的条件下 o其小尺度优
势日益突显 ∀我国没有开展过同类方法的火险预报 o研究基础薄弱 ∀可燃物的差异决定了我国应系统开展
此方面的研究 o建立适合我国森林可燃物的模型 ∀因此 o本文对该方法的研究进展情况进行综述 o以便后续
研究的开展 ∀
t 基本理论介绍
111 平衡含水率
将可燃物在恒定的温度 !湿度下无限长时间放置 o其含水率会趋向一个定值 o称该定值为平衡含水率
k¨´ ∏¬¯¬¥µ¬∏° °²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·o∞≤l ∀失水过程和吸水过程的平衡含水率不同 o前者比后者可高 u个百分点
k∂¤± • ¤ª±¨ µot|{zl ∀
112 反应时间和时滞
随温湿度等环境条件的变化 o可燃物的平衡含水率和含水率都发生变化 o但含水率变化与平衡含水率变
化之间有一时间滞后 o此现象用反应时间kµ¨¶³²±¶¨ ·¬°¨ l和时滞k·¬°¨ ¤¯ªl来描述 ∀反应时间指可燃物在此过
程中 o失去初始含水率与平衡含水率之差的kt p tΠ¨ lk约 yv qu h l的水分所需的时间k„±§¨µ¶²±ot||s¤~ ∂¬±¨ ¼
ετ αλqot||t ~≤¤·¦«³²¯¨ ετ αλqousstl ∀时滞在一些文献中的定义等同于反应时间kƒ²¶¥¨µª ετ αλqot|zt ~ ∂¬±¨ ¼
ετ αλqot||t ~郑焕能 ot||u ~金森等 ot||| ~usss ~胡海清 oussxl o需实验室测定 ~在另一些文献k∂¬±¨ ¼ ετ αλqo
t||tl中 o则指可燃物含水率和平衡含水率变化曲线之间的时间滞后 o可通过野外观测数据推算 ∀这 u种时
滞在死可燃物含水率预测中都有应用 o前者更普遍 ∀本文采用前者定义 o以下不再区分 ∀
113 平衡含水率法预测死可燃物含水率的方法
t1v1t 恒定环境下的预测方法 在温湿度恒定条件下 o对于 …¬²·数k内部水分扩散与外部对流对水汽运动
的阻力之比l较小的死可燃物 o其含水率变化可用下式描述k…¼µ¤° ot|yv ~∂¬±¨ ¼ ετ αλqot||t ~金森等 ousssl }
§Μ
§τ € k Ε p ΜlΠΣo ktl
Μ € Ε n k Μs p Εl p¨ τΠΣ ∀ kul
式中 }Μ为死可燃物含水率 ~ Ε为平衡含水率 ~ τ为时间 ~ Σ为时滞 oΜs 为可燃物初始含水率 ∀
如果死可燃物的时滞和平衡含水率已知 o根据方程kul可预测任一时刻的含水率 ∀林下死可燃物一般都
能满足上述假设 o因此 o该方法预测恒定环境条件下的死可燃物含水率的效果很好k金森等 ousssl ∀
t1v1u 自然环境下的预测方法 自然环境的温湿度是变化的 o可燃物的平衡含水率和时滞也是变化的 o不
能直接用方程kul预测 ∀金森等kt|||l给出了自然环境中死可燃物含水率的理论预测方法 ∀
设可燃物的时滞 Σ和平衡含水率 Ε与环境温度 Τ !相对湿度 Η !风速 Ω的关系为 }
t
Σ € Φk ΤoΗoΩl o kvl
Ε € Γk ΤoΗl ∀ kwl
式中 }Φ为 Η !Τ !Ω与 Σ的函数关系 oΓ为 Ε与 Τ !Η的函数关系 ∀
Τ !Η !Ω与时间 τ的关系为 }
zut 第 tu期 刘 曦等 }平衡含水率法预测死可燃物含水率的研究进展
Τ € φΤkτl oΗ € φΗkτl oΩ € φΩkτl ∀ kxl
式中 }φΤ !φΗ !φΩ分别为 Τ !Η !Ω的时间动态函数 ∀
将式kvl ∗ kxl代入式ktl可得 }
§Μ
§τ € p φΚkτl≈ Μs p φΜεkτl  ∀ kyl
式中 oφΚkτl € Φχ≈φΤkτl oφΗkτl oφΩkτl  oφΜkτl € Γ≈φΤkτl oφΗkτl  ∀据方程kyl即可预测死可燃物任一时刻的
含水率 ∀
该方法需要知道温湿度等环境因子对平衡含水率和时滞的影响函数 o因此 o搞清环境因子对平衡含水率
和时滞的影响 o是提高预测精度的关键 o也是一直致力研究的问题 ∀
u 对平衡含水率的影响因子研究
211 气象因子对平衡含水率的影响
影响平衡含水率的气象因子主要有温度 !湿度和风速 o其中对温湿影响的研究较多 o主要有 w个模型 ∀
u1t1t ≥¬°¤µ§模型 ≥¬°¤µ§kt|y{l根据一些木材的平衡含水率数据 o建立了下列模型 }
Ε €
s1sv n s1uyu y Η p s1sst sw ΗΤ Η  ts
t1zy n s1tys t Η p s1suy yΤ ts [ Η  xs ∀
ut1sy p s1w|w w Η n s1ssx xyx Ηu p s1sss yv ΗΤ Η ∴ xs
kzl
式中符号意义同前 ∀方程的相关系数在 s1|{ ∗ s1||x ∀
该模型平衡含水率变化模式不一致 o在 ‹ € ts h和 xs h处出现不同的变化 ∀ ∂¬±¨ ¼等 qkt||tl用此方程
计算了平衡含水率的日变化过程 ∀该模型基于失水过程 o不适用于吸水过程 o且由于以木材为研究对象 o适
用范围较窄k„±§¨µ¶²±ot||s¥l ∀
u1t1u ∂¤± • ¤ª±¨ µ模型 根据实验室数据 o∂¤± • ¤ª±¨ µkt|zul建立了失水和吸水 u个过程的死可燃物平衡
含水率模型 }
Ε§ € s1|uw Ηs1yz| n s1sss w|| s¨1t Η n s1t{kut1t p Τlkt p p¨s1ttx Ηl o k{l
Εº € s1yt{ Ηs1zxv n s1sss wxw s¨1t Η n s1t{kut1t p Τlkt p p¨s1ttx Ηl ∀ k|l
式中 }Ε§和 Εº 分别为失水过程和吸水过程中死可燃物平衡含水率 o其他符号同前 ∀
这 u个方程预测的平衡含水率可差 u1z h ∀该模型是加拿大森林火险等级系统中可燃物湿度码的计算
基础 ∀
u1t1v „±§¨µ¶²±模型 在 ∂¤± • ¤ª±¨ µ模型基础上 o„±§¨µ¶²±等kt|z{l根据 Πινυσ πονδεροσα的数据 o重新进行
回归 o建立了如下模型 }
Ε§ € t1yxt Ηs1w|v n s1sst |zu s¨1s|u Η n s1tstkuv1| p Τl o ktsl
Εº € s1{|t Ηs1ytu n s1sss uvw s¨1ttu Η n s1tstkuv1| p Τl ∀ kttl
该模型与 ∂¤± • ¤ª±¨ µ模型结构相似 o在一些参数上有所变化 ∀当相对湿度在 us h ∗ |x h之间 !中等温
度条件下 o比 ∂¤± • ¤ª±¨ µ模型计算的平衡含水率可低 v个百分点 ∀
u1t1w ‘¨ ¶¯²±模型 ‘¨ ¶¯²±kt|{wl根据死可燃物水分变化的热力学原理建立了半物理模型 }
Ε € tχt χu p ±¯ kuzv1tx n Τl¯ ±
tss
Η ∀ ktul
式中 }χt oχu 为待估参数 o其他符号意义同前 ∀
该模型在相对湿度为 ts h ∗ |s h时 o精度较高 ~湿度高于 |x h时 o预测值与实测值偏差较大 o当湿度趋
向零时 o∞≤值趋向于 p ] ~当相对湿度趋向 tss h时 o∞≤ 值趋向于 n ] ∀ „±§¨µ¶²±kt||s¥l根据北美叶状
可燃物的数据 o认为 χt !χu 可用温度的二次函数来表示 ∀但 ∂¬±¨ ¼kt||tl认为 „±§¨µ¶²±kt||s¥l的结论局限性
太大 ∀ ≤¤·¦«³²¯¨等kusstl以该模型为基础 o提出了一种基于野外观测数据预测可燃物含水率的方法 o具体介
绍于 w1v1v中 o取得了较好的效果 ∀由于该模型是半物理模型 o因此 o适用范围较广 ∀
∂¬±¨ ¼kt||tl对上述 w个模型在 ux ε !不同相对湿度下 w种模型模拟结果进行了比较 o通过模型的导数
{ut 林 业 科 学 wv卷
比较了温度梯度下的平衡含水率的变化 ∀为方便计算本文对相同温度不同湿度和相同湿度不同温度下的 w
种模型计算的平衡含水率直接进行比较 ∀其中温度范围为 tx ∗ vs ε o相对湿度为 ts h ∗ |s h ∀ ‘¨ ¶¯²±模型
数据采用文献k‘¨ ¶¯²±ot|{wl中的 °²±§¨µ²¶¤³¬±¨ 数据 ∀结果表明 }不同温度下的湿度梯度或不同湿度的温度
梯度下的 w种模型的计算值的相对关系变化不大 ∀因此 o图 t中仅给出 ux ε 下不同湿度梯度和 xs h相对湿
度下不同温度的 w种模型的模拟值 ∀从中可见 o在湿度梯度上 o平衡含水率呈 ≥型变化 ~在温度梯度上 o平
衡含水率呈线性变化 ∀在 u个梯度上 o≥¬°¤µ§模型的计算值最小 o∂¤± • ¤ª±¨ µ模型最大 o而 „±§¨µ¶²±和 ‘¨ ¶¯²±
的模型的模拟结果比较相似 o数值居中 ∀不同模型模拟值的差异在温度梯度上要比湿度梯度上大很多 o前者
可达 x h o后者最大才为 u h左右 ∀
图 t w个死可燃物平衡含水率模型的模拟结果比较
ƒ¬ªqt ≤²°³¤µ¬¶²± ²©³¨µ©²µ°¤±¦¨ ²©©²∏µ∞≤ °²§¨ ¶¯
≥¬°¤µ§模型外的 v个模型的失水过程的平衡含水率比吸水过程的高 o随相对湿度增加显著增大 o但对温
度不敏感 ∀相同条件下 o„±§¨µ¶²±模型差异最大 o‘¨¶¯²±模型次之 o∂¤± • ¤ª±¨ µ模型最小 ∀这 v个模型在 |s h
相对湿度时的 u类过程中平衡含水率差异分别为 v1v{ h !v1sx h和 u1sx h ∀
212 可燃物特征对平衡含水率的影响
目前这方面研究得较少 ∀ ‘¨ ¶¯²±kt|{wl和 ≤¤·¦«³²¯¨等kusstl的研究发现 o不同可燃物类型在 ‘¨ ¶¯²±模型
中的参数不同 o表明可燃物类型会影响平衡含水率对环境的响应 o但影响机理还没有进行系统研究 ∀
v 对时滞影响因子的研究
相对于平衡含水率 o对时滞影响因子的研究较少 o主要原因是传统认为时滞受环境因子影响较小 ∀此
外 o还认为 o时滞与可燃物大小关系密切 o可燃物直径越细 o时滞越短k‘¨ ¶¯²±ot|y|l o如直径小于 s1y ¦°的细
小可燃物的时滞为 t «k…µ¤§¶«¤º ετ αλqot|{vl o但研究表明 o很多细小可燃物时滞大于 t «k∂¤± • ¤ª±¨ µot|y| ~
„±§¨µ¶²± t||s¤l o因为时滞除与直径大小有关外 o还与可燃物密实度 !形状 !组成等有关 ∀ „±§¨µ¶²±等kt|z{l
和 „±§¨µ¶²±kt||s¤l的研究表明 o草本可燃物时滞在 t «内 o一些针叶的时滞可达 vx «o阔叶的时滞介于两者
之间 ∀不同腐烂程度的叶子的时滞也不同 o同样的针叶 o时滞可以从 t到 tz1x «o腐烂时间长的要比短的时
|ut 第 tu期 刘 曦等 }平衡含水率法预测死可燃物含水率的研究进展
滞小 ∀
„±§¨µ¶²± kt||s¤l还研究了时滞与可燃物表面积体积比 !可燃物床层高度 !压缩比 !可燃物颗粒大小等物
理性质的关系 o建立了形如 Σ€ αΡβΒχ∆δ 的预测方程 o其中 oΡ !Β!∆分别为可燃物表面积体积比 !密实度和床
层高度 oα !β !χ !δ为回归系数 ∀该方程的决定系数都超过了 s1{ o效果较好 ∀
对于气象因子对时滞的影响研究较少 ∀在加拿大森林火险等级系统细小可燃物含水率计算中 o∂¤±
• ¤ª±¨ µ等kt|{xl提出用下式计算日失水k吸水l速率 }
κ§ € s1xyz t p Ηtss
t1z
n s1tzy Ωs1x t p Ηtss
{
s¨1svy xΤ o ktvl
κ¤ € s1xyz t p t p Ηtss
t1z
n s1tzy Ωs1x t p t p Ηtss
{
s¨1svy xΤ ∀ ktwl
式中 }κ§为日失水速率 ~ κ¤为日吸水速率 ~ Η !Ω意义同前 ∀
日失水k吸水l速率不完全等同时滞 o但与时滞相似 o都是刻画可燃物含水率变化快慢的量 o因此方程
ktvl和ktwl一定程度上反映了气象因子对时滞的影响 o但是否如此 o还需深入研究 ∀
w 平衡含水率法的应用
受数据采集限制 o实际应用中常对 t qv中方法采用离散形式 ∀另外 o时滞和平衡含水率在实验室测定相
对容易 o在野外则采用统计估计的方法 ∀具体介绍如下 ∀
411 在美国国家火险等级系统(ΝΦ∆ΡΣ)中的应用
该系统中采用 ƒ²¶¥¨µª等kt|ztl模型 ∀该模型是方程kul的离散形式 ∀即 }
µkτιl € Εkτιl n ≈ µkτιptl p Εkτιl ¨pkτι p τιptlΠΣ ∀ ktxl
式中 }µkτιl为 τι 时刻可燃物含水率 ~其他符号同上 ∀
设 Σ€ t «o从 { }vs ) tw }vs o每隔 vs °¬±测量 t次可燃物含水率 o因此kτι p τι p tlΠΣ€ tΠu o因此在 tw }vs时
的含水率为 }
µktw1xl € p¨y µk{1xl n kt p p¨tΠul Εktw1xl 6
tu
ι € t
k¨ιptulΠu ΕkτιlΠΕktw1xl ∀ ktyl
式中 }Εkτιl为 τι € {1x n s1xι时刻可燃物的平衡含水率 ∀
根据可燃物含水率的历史记录 o式ktyl的第一部分可忽略不计 ∀据此估计每个时间段内 ΕkτιlΠΕ
ktw1xl的值 o解方程ktyl得 }
µktw1xl € t1svv Εktw1xl o ktzl
此即为 ‘ƒ⁄• ≥中细小可燃物含水率的预测方程 ∀
该方法使用的气象和含水率数据都来自美国中部地区 o只适用于这些地区可燃物含水率的预测 o具有一
定的局限性 ∀气象数据为 t1x °处的温度 !湿度 o不是可燃物表面的值 o所以 ΕkτιlΠΕktw1xl偏低 o预测含水
率也偏低 ∀ ∂¬±¨ ¼等kt||tl对方程系数进行修订 o增大到 t qsxz o增加了模型预测精度 ∀
412 在加拿大森林火险等级系统(ΧΦΦ∆ΡΣ)中的应用
该系统假设可燃物变干过程符合指数递减规律 o即方程kul ∀ ∞≤ 因失水和吸水过程而有所不同 ∀在
不考虑降雨影响的条件下 o含水率按下式计算 }
Μ € Ε n k Μs p Εl p¨ κτ ∀ kt{l
式中 }κ为变干k变湿l速率 ~其他符号意义同上 ∀ Ε !κ对失水过程和吸水过程分别按方程ktsl !kttl和
ktvl !ktwl计算 ∀
413 根据野外观测数据预测死可燃物含水率
w1v1t ∂¬±¨ ¼等kt||tl方法 ∂¬±¨ ¼等kt||tl假设死可燃物平衡含水率按下式日变化 }
Εkτl € hΕ n Α¶¬±≈ Ξkτ p ΥΕl  ∀ kt|l
式中 }hΕ为平衡含水率均值 ~ Α为待估参数 ~ ΥΕ 为时滞 ~ Ξ € ΠΠtu o为变化频率 ∀
将该方程代入方程ktl得 }
svt 林 业 科 学 wv卷
µkτl € hΕ n Αkt n Ξu ΣulptΠu¶¬±≈ Ξkτ p <Ε p <ρl  n χ¨ p τΠΣ o
<ρ € tΞ¤µ¦·¤±k ΞΣl ∀ kusl
式中 }χ为定值 o<ρ为时滞k此处为平衡含水率和可燃物含水率之间日变化的时间滞后l oΣ为反应时间 ∀
在实际计算中 o平衡含水率根据 ≥¬°¤µ§模型计算 o根据野外数据通过非线性回归确定各参数 ∀以温度 !
湿度为输入 o根据方程kusl即预测死可燃物含水率 ∀
w1v1u ∂¬±¨ ¼方法 ∂¬±¨ ¼kt||ul提出用最大相关系数法来确定时滞 ∀首先根据 w1v1t中计算的平衡含水率
日变化数据和死可燃物含水率日变化实测数据 o计算不同时滞时 u组数据的相关系数 o然后取相关系数最大
的时滞为所求时滞 o再根据方程kusl预测死可燃物含水率 ∀
w1v1v ≤¤·¦«³²¯¨等kusstl方法 w1v1t和 w1v1u的方法都依靠 ≥¬°¤µ§模型来计算平衡含水率 o但该模型不是
普适的k¤·«¨ º¶oussyl ow1v1t的方法还要求平衡含水率和含水率的日变化为正弦曲线 o但实际往往不是这
样 ∀因此 o这 u种方法的局限性很大 ∀ ≤¤·¦«³²¯¨等kusstl根据 ‘¨ ¶¯²±模型 o提出了另一种死可燃物含水率的
预测方法 o具体如下 }
方程kul的离散形式为 }
µkτιl € ¬¨³ p ∆τΣ µιpt n
t
ΣΘτιτιpt ¬¨³ τ p τιptΣ θkτl§τ ∀ kutl
式中 }µkτιl为 τι 时刻的可燃物含水率 ~ µι p t为 τι p t时刻的可燃物含水率 ~ ∆τ € τι p τι p t ~ θkτl为 τ时刻的可
燃物平衡含水率 ∀
θkτl根据 u1t1w的 ‘¨ ¶¯²±模型计算 o实际计算时 o用下式离散计算 }
θkτl € θι oτι p ∆τΠu  τ  τι n ∆τΠu ∀ kuul
将式kuul代入式kutl简化得 }
µkτιl € Κu µιpt n Κkt p Κlθιpt n kt p Κlθι oΚ € ¬¨³≈p ∆τΠkuΠl  ∀ kuvl
根据死可燃物含水率动态的实测数据 o以组间离差平方和k≥≥∞l即 ΣΣΕ € 6
ν
ι € t
k µι p ⊥µιlu最小为约束目
标 o对式kuvl用非线性方法估计有关参数可得到时滞 ∀
该方法无需考虑死可燃物含水率的日变化模式 o同时采用了半物理的 ‘¨ ¶¯²±模型 o因此 o适用性比前面
u种方法好 o预测效果也好 ∀
x 结语
平衡含水率法是目前最重要的死可燃物含水率的预测方法 ∀其关键技术是环境因子对平衡含水率和时
滞的影响 o即平衡含水率模型 ∀关于平衡含水率的预测模型主要有 w种 o其中 ≥¬°¤µ§模型 !∂¤± • ¤ª±¨ µ模型
和 „±§¨µ¶²±模型都是统计模型 o外推能力有限k¤·«¨ º¶oussyl o‘¨ ¶¯²±模型为半物理模型 o预测死可燃物含
水率的局限性相对小一些 ∀可燃物类型影响平衡含水率 o但影响机理还不清楚 ∀时滞的影响因子研究较少 ∀
可燃物的种类 !物理性质对时滞都有影响 ∀
平衡含水率法在实际工作中得到广泛应用 o是美国火险等级系统和加拿大森林火险等级系统及类似系
统中的死可燃物含水率预测的主要方法 ∀ ≤¤·¦«³²¯¨等kusstl提出的利用 ‘¨ ¶¯²±半物理模型根据野外数据预
测死可燃物含水率的方法适用性好 o应用前途广 ∀尽管如此 o该类方法仍有一些问题需要深入研究 ∀在基础
理论上 o平衡含水率和时滞的影响因子研究还不完善 o在应用上 o现有系统的参数估计的数据基础薄弱 o代表
性可燃物类型的相关参数不完善 o只能利用现有的有限的数据进行外推 o往往产生很大的误差 ∀另外 o如何
确定合适的应用尺度也是未来应用中需要解决的重要问题 ∀
我国在此方面还没有开展系统的研究 o必须在现有基础上 o加强森林可燃物的基础数据测量工作 o可以
在以下 u个方面开展工作 o为构建合适的森林火险等级系统奠定坚实的数据基础 ∀一是现有可燃物平衡含
水率模型的适用性评价 ∀确定现有模型在我国各主要可燃物类型的适用程度 o必要时建立新的平衡含水率
模型 ∀二是基于可燃物含水率变化特征的可燃物类型划分 ∀我国森林类型复杂 o不同类型的死可燃物的含
水率变化参数不同 o全部测定困难 o只能采取代表性可燃物类型的方法 ∀因此 o要结合上述适用性评价工作 o
tvt 第 tu期 刘 曦等 }平衡含水率法预测死可燃物含水率的研究进展
建立既操作上可行又能保证要求精度的可燃物含水率预测类型划分体系 ∀
参 考 文 献
邸雪颖 qt||v q林火预测预报 q哈尔滨 }东北林业大学出版社
何忠秋 o李长胜 o张成钢 o等 qt||x q森林可燃物含水率模型的研究 q森林防火 okul }tx p ty
何忠秋 o张成钢 o牛永杰 qt||y q森林可燃物湿度研究综述 q世界林业研究 okxl }uy p u|
胡海清 qussx q林火生态与管理 q北京 }中国林业出版社
金 森 o姜文娟 o孙玉英 qt||| q用时滞和平衡含水率准确预测可燃物含水率的理论算法 q森林防火 okwl }tu p tw
金 森 o李绪尧 o李有祥 qusss q几种细小可燃物失水过程中含水率的变化规律 q东北林业大学学报 ou{ktl }vx p v{
单延龙 o刘乃安 o胡海清 o等 qussx q凉水自然保护区主要可燃物类型凋落物层的含水率 q东北林业大学学报 ovvkxl }wt p wv
王得祥 o徐 钊 o张景群 o等 qt||y q细小可燃物含水率与气象因子关系的研究 q西北林学院学报 ottktl }vx p v|
王瑞军 o于建军 o郑春艳 qt||z q森林可燃物含水率预测及燃烧性等级划分 q森林防火 okul }ty p tz
王金叶 o车克钧 o傅辉恩 o等 qt||w q可燃物含水率与气象要素相关性研究 q甘肃林业科技 okul }ut p uv
张思玉 o蔡金榜 o陈细目 qussy q杉木幼林地表可燃物含水率对主要火环境因子的相应模型 q浙江林学院学报 ouvkwl }wv| p www
郑焕能 qt||u q森林防火 q哈尔滨 }东北林业大学出版社
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k责任编辑 朱乾坤l
vvt 第 tu期 刘 曦等 }平衡含水率法预测死可燃物含水率的研究进展