吉林省森林火險天氣等級劃分1)

王 超 邸雪穎 楊 光

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

林火預測預報始于20世紀20年代［1］，經過近90 a的發展，取得了長足的進步。一些林業發達國家形成了國家尺度的林火預報系統，并不斷進行完善，如美國、加拿大、澳大利亞;一些國家或地區引進或移植發達國家的先進系統的模塊或研究思想，也形成了自己的林火預報系統，如墨西哥、新西蘭、美國佛羅里達。國內林火預報研究始于1966年，起步較晚，但取得了一定的成績。全國累計研制了數十種火險天氣預報方法，一些省(自治區)的林火預報系統已經投入運行。然而遺憾的是，林火預報系統的應用還局限在小范圍區域內，在全國范圍內缺乏嘗試，況且目前使用的林火預報方法還停留在利用火災發生的歷史數據和氣象數據之間的單純統計關系，而不是基于林火行為的真正意義上的森林火險預報。面對氣候變暖和嚴峻的防火形勢，引進國外先進經驗，建立國家尺度的森林火險等級預報系統迫在眉睫。加拿大森林火險等級系統(Canadian Forest Fire Danger Rating System，CFFDRS)中的林火天氣指標(Forest Fire Weather Index，FWI)系統是目前世界上發展最完善，應用最廣泛的火險等級預報系統之一。該系統一方面考慮氣象因子，另一方面考慮森林可燃物狀態，將氣象因子和可燃物含水率有機地聯系，通過天氣條件的變化計算可燃物含水率的變化，然后再根據不同大小或位置的可燃物含水率確定潛在火險等級［2－3］。早在20世紀80年代中期，加拿大學者通過研究認為，FWI系統在我國大興安嶺地區適用［2］。隨后，許多學者也研究證明只要對系統中的相關參數和技術細節進行一些相應的本地修正，FWI系統可以完全在我國適用［4－5］。因此，筆者借鑒FWI系統，以吉林省為例，對FWI系統的火險等級劃分進行研究，以期獲得等級預報系統適用的技術參數，為全國火險等級預報系統的建設提供技術保證和支持。

1 研究區概況

吉林省是全國重點林業省份之一，地處E121°38～131°19、N40°52 ～ 46°18。全省林業用地面積 928.8 萬 hm2，有林地面積為820.2萬hm2，森林覆蓋率為43.4%，活立木總蓄積8.9億m3［6］。全省具有顯著的溫帶大陸性季風氣候特點，四季分明，雨熱同季。有明顯的四季更替，春季干燥風大，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷漫長。大部分地區年平均氣溫為2～6℃，年活動積溫在2700～3200℃，全省年降水量一般在400～900 mm，自東部向西部有明顯的濕潤、半濕潤和半干旱的差異。全省中部以西無霜期150 d左右，東部山區130 d左右。每年3—6月份、9—11月份，植物干枯、氣候干燥、風速大，是森林火災極易發生的季節，但近年來吉林省森林資源保護管理水平不斷提高，實現了連續29 a無重大森林火災。森林植物種類十分豐富，針葉林以紅松(Pinus koraiensis Sieb.)、云杉(Picea asperata Mast.)、冷杉(Abies)、黃花松(Larix olgensis Henry)為主，闊葉林以水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)、胡桃楸(Juglans mandshurica Maxim.)、黃波羅(Phellodendron amurense Rupr.)等為最多。

2 數據與方法

2.1 數據收集

氣象數據來源于中國氣象科學數據共享中心(http://cdc.cma.gov.cn/)。選用吉林省28個氣象臺站，其在省內分布情況如圖1所示。數據包括1996—2008年每日數據(日最高氣溫、相對濕度、平均風速、日降水量)。由于有一些臺站因降等為一般臺站等原因導致數據缺失，剔除8個臺站，最后采用了20個臺站。林火歷史數據來自于吉林省森林防火指揮部，主要指標包括1996—2008年累計發生的702次森林火災的發生時間、撲滅時間、著火點經緯度坐標、過火面積、受害森林面積等。森林火災發生地點的分布如圖2所示。

圖1 吉林省各氣象臺站站點分布

圖2 1996—2008年上半年吉林省森林火災分布

2.2 數據處理

利用收集到的吉林省每日氣象數據中的日最高氣溫、日相對濕度、日降水量、日平均風速，根據Van Wagner的FWI系統模型公式［7］編程計算得出 12 a 來每日的 CFFM、CDM、CD、IIS、IBU、IFW值。FWI系統簡化結構如圖3所示。各臺站初始值設定為CFFM=85，CDM=15，CD=6。模型的具體計算方法參見文獻［7］、［8］。計算系統分級范圍，將吉林省內20個氣象臺站1996—2008年火險期內每一天的林火天氣指標劃分火險等級，并統計各等級的頻率。

圖3 FWI系統簡化結構

對已收集到的林火歷史數據，要通過與其經緯度坐標最近的氣象臺站建立聯系，得到每一次火災發生當日的林火天氣指標。利用吉林省區內5個國際氣象臺站的氣象數據計算出1996—2008年每一天的林火天氣指標，求出每個指標在每個月的平均值，計算各指標與林火發生次數的相關系數。對應林火發生日的火險等級，分析火災發生次數以及火災發生條件概率和火險等級的關系。

2.3 火險等級的劃分方法

在應用加拿大林火天氣指標系統過程中，計算IFW值的方法都是相同的，即根據Van Wagner的FWI系統模型公式計算得出，但火險天氣的范圍在不同地區有所差異，不能在任何地方都沿用加拿大森林火險等級系統(CFFDRS)，所以給IFW值限定范圍以適合當地的火險天氣就是FWI系統本地化處理的首要任務。

這個火險等級分級范圍并不是隨便設定的，太平洋林業研究中心根據FWI系統本身的特點制訂了一個分級方法，經過多年的驗證，該分級方法是最合理可行的。本研究即采用此方法根據林業行業《全國森林火險天氣等級》標準，合理地將吉林省森林火險天氣等級分為5級，具體步驟如下:①收集多年的IFW歷史樣本;②根據當地林火數據，確定每個季節極高火險等級平均天數，并設定一個極高等級的最低值;③依照I－等級的幾何級數計算其它等級(見公式1)，并用一個固定比率逐級賦值。④將I－等級轉換成S－等級下的IFW值(見公式2)。例如，假設IFW=30被選定為極高等級的最低值，用方程1算出I－等級等于2309，這樣每級之間的固定比率將是2309的五次方根4.706，如此便得到其它幾級I－等級的最低限，再通過公式2轉化成S－等級下的IFW值，從而得出各級值域［9－10］。為了后面可以利用所有氣象臺站得出的數據進行驗證，選用吉林省內分布比較均勻的5個國際氣象臺站(包括長春、臨江、前郭爾羅斯、四平和延吉)的氣象數據計算出1996—2008年每一天的林火天氣指標，將結果按照IFW值的大小降序排列，取前3%處作為極高火險等級的最低值，繼而計算出各個等級分界處的IFW值，獲得吉林省的FWI火險等級分級范圍。

式中:S表示S－等級下的IFW值;I表示I－等級值。

3 結果分析與驗證

3.1 FWI指標與林火發生次數的關系

吉林省規定3—6月份是春防期，9—11月份是秋防期，中間的7、8月份由于降水較多，不易發生森林火災。對1996—2008年吉林省發生的林火進行統計，也能很明顯地反應出4、5、10月份是吉林省的火災高發期。表1就是利用5個國際臺站氣象數據計算出1996—2008年每一天的林火天氣指標，得到每個指標在每個月的平均值。計算得出IFW、CFFM、CDM、IIS和IBU的月平均值與每月林火實際發生次數的相關系數在0.05水平上分別是0.73、0.72、0.60、0.87和0.38。雖然達不到顯著相關，但IFW、CFFM和IIS這3個主要指標與之相關系數都達到0.7以上，也說明具有較大的相關性，可見FWI系統中的各項指標能夠比較好地反映吉林省火災發生情況。

表1 1996—2008年每月發生林火次數及CFFM、IIS、IFW平均值

3.2 FWI分級范圍

按照研究方法所述計算得出吉林省林火天氣指標的分級范圍(表2)，將所有吉林省內氣象臺站1996—2008年火險期內每一天林火天氣指標分別按照計算得出的分級范圍和加拿大森林火險等級系統(CFFDRS)中的分級范圍劃分火險等級，并統計各等級的頻率。兩者相比較，在計算出的吉林省值域中，低等級火險天數占54.03%，普通等級天數占19.24%，高、很高、極高等級火險分別占火險期天數的14.64%、8.25%、3.83%，比按照CFFDRS值域得出的結果更符合火險等級的一般分布情況，說明按本研究方法得到的分級范圍應用在吉林省更加合理。

表2 FWI各等級值域及吉林省1996—2008年各等級頻率

3.3 FWI火險等級與林火發生次數的關系

將1996—2008年吉林省林火歷史資料中的日期和地點與氣象數據關聯，得到每次林火發生當日的FWI火險等級，按兩種等級劃分方法對各等級發生林火次數進行統計，結果見表3。可知，按本研究方法劃分火險等級，63.4%的林火是在火險等級高以上情況下發生的，14.1%的林火發生在火險等級低的時候。按CFFDRS的分級方法劃分的話，則是56.69%的林火在火險等級高以上情況下發生，18.09%的林火發生在火險等級低的時候。正常情況下，火險等級越高，發生林火的可能性也就越高，所以兩者相對比，顯然是研究所得的火險等級范圍更加合理。再根據各等級林火發生次數和實際各等級天數，算出各等級下發生林火的條件概率。由表)4可見隨著火險等級的升高，發生林火的概率也隨之增高。以吉林省為一個整體，如果當天全省平均火險等級為極高，則在全省的某個地區發生林火的概率高達50.85%。因此也從另外一個角度驗證了研究得出的火險等級分級方法是合理可行的。

表3 2種等級劃分法對各等級發生林火情況統計

表4 林火發生條件概率

4 結論與討論

通過過往實測氣象數據計算得到IFW值，與林火歷史數據進行比對分析，說明FWI系統能夠比較好地反映出吉林省的林火發生情況。按研究方法所述得到吉林省火險天氣等級分級范圍，即以 IFW值4.1、8.4、15.2、25.9 為界，將火險天氣等級劃分為低、普通、高、很高和極高5個等級。通過林火歷史資料的驗證和與原系統分級范圍比較后，用該方法劃分出的火險等級能夠更加準確地描述當日林火發生可能性，此分級方法在其他地區應用FWI系統時可推廣采用。

在本研究中也有一些問題值得討論，例如經統計有99次林火發生在低火險日，但并不能因此就說這個分級方法不準確。首先，任何火險等級預報都不可能絕對精確，FWI系統只是通過計算氣象因子來估計林火在當日發生的概率。在低火險日，如果人為失誤或者縱火也可能誘發森林火災，畢竟接近一半的林火是人為因素引起的;而在高火險日，由于防火工作的重視，反倒不容易發生。其次，大多數林火發生在下午或其他不同時間，而計算IFW所用的則是每日中午所測氣象要素，這也可能導致最終結果出現小小的誤差。最后，諸如氣象臺站密度過低而導致數據不夠精確等因素也會影響到火險等級劃分的結果。因此，在此分級方法下將系統試運行一段時間，并做一些更加細致和深入的研究，將FWI的其他指標和火險形勢、火行為指標建立聯系，將會使該系統更加適用于吉林省乃至全國各地的防火工作。

［1］趙鳳君，舒立福，田曉瑞，等.森林火險中長期預測預報研究進展［J］.世界林業研究，2007，20(2):55－58.

［2］田曉瑞，McRae D J，張有慧.森林火險等級預報系統評述［J］.世界林業研究，2006，19(2):41－46.

［3］孫玉成，馬洪偉，王秀國，等.加拿大火險天氣指標(FWI)計算的初始化方法和解釋［J］.森林防火，2003(4):12－13.

［4］趙鳳君，舒立福，田曉瑞，等.1957—2007年云南省森林火險變化［J］.生態學雜志，2009，28(11):2333－2338.

［5］王會研，李亮，劉一，等.加拿大火險天氣指標系統在塔河林業局的適用性［J］.東北林業大學學報，2008，36(11):45－47.

［6］吉林省林業廳.吉林省林業概況(新)［Z/OL］.http://lyt.jl.gov.cn/lygk/200907/t20090731_612063.html.

［7］Van Wagner C E.Equations and FORTRAN program for the Canadian Forest Fire Weather Index System［M］.Ottawa:Canadian Forestry Service，1985.

［8］邸雪穎，王宏良，姚樹人，等.林火預測預報［M］.哈爾濱:東北林業大學出版社，1993.

［9］Van Wagner C E.Development and Structure of the Canadian Forest Fire Weather Index System［M］.Ottawa:Canadian Forestry Service，1987.

［10］宋志杰.林火原理和林火預報［M］.北京:氣象出版社，1991.