長沙地區干旱時空分布特征及其對森林火災的影響

蘭明才 周莉 劉紅武 周盛 丁玄 彭月 周長青

摘要 利用1971—2016年長沙市常規氣象資料，計算綜合氣象干旱指數，分析長沙地區干旱的時空分布特征及氣象成因，并利用2003—2015年森林火災資料進一步研究干旱對森林火災的影響。結果表明，近46年來長沙地區干旱頻率有所下降，干旱的年代際變化明顯，呈三峰型。最長干旱持續天數和干旱總日數的年變化對應較好，長沙、瀏陽、寧鄉3站年際變化基本一致，且3站干旱分級特征具有較高的空間一致性。長沙地區以夏秋干旱最為常見，持續時間最長，最主要的氣象原因為大氣環流的影響。干旱情況下，森林等植被含水率下降，下降到一定程度，森林火災容易發生。最長干旱持續日數和森林火災發生次數、受災面積的相關系數超過0.05信度水平。2007年的火災情況分析表明，森林火災多發生在干旱條件下的連晴時段內。

關鍵詞 干旱；時空分布特征；綜合氣象干旱指數；森林火災；影響

中圖分類號 S167；P466 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）29-0174-06

Spatial and Temporal Distribution of Drought and Its Impact on Forest Fire in Changsha Area

LAN Mingcai，ZHOU Li，LIU Hongwu et al

（Hunan Province Meteotological Observatory， Changsha，Hunan 410118）

Abstract Based on the conventional meteorological data of Changsha City from 1971 to 2016， the comprehensive meteorological drought index was calculated， and the temporal and spatial distribution characteristics of drought in Changsha area and meteorological factors were analyzed.The effects of drought on forest fires were further studied by using forest fires data from 2003 to 2015.The results showed that the frequency of drought in Changsha area decreased in the past 46 years， and it had a obvious decadal variation of triple peak type.The annual variation of the longest consecutive dry days quite matches with the total dry days， the decadal variations of the longest annual consecutive dry days and the total annual dry days of Changsha， Ningxiang and Liuyang stations were consistent， and the consistency was found in hierarchical drought characteristics of the three stations.Drought of Changsha area occured mostly in summer and autumn，and lasted for a long time on account of atmospheric circulation.Under drought conditions，the forest vegetation water content decreased down to a certain extent， which was beneficial to forest fire.The correlation coefficient of the longest annual consecutive dry days and the numbers of forest fires and the affected area exceeded the reliability level of 0.05.Analysis of forest fire in 2007 showed that forest fire easily occured in a period of consecutive sunny days during a drought.

Key words Drought； Temporal and spatial distribution characteristics； Integrated meteorological drought index；Forest fire；Effect

基金項目

湖南省氣象局預報預測能力建設項目“湖南省強天氣指數和短期預報方法研究及應用”“湖南干旱期人工增雨潛力研究”；湖南省氣象局橫向課題“湖南省分縣地質災害區劃研究”“湖南省精細化天氣要素預報”。

作者簡介 蘭明才（1984—），男，湖南長沙人，工程師，碩士，從事天氣預報預測及短時臨近預報預警技術研究。

收稿日期 2017-08-28

干旱是湖南主要氣象災害之一，幾乎每年都有發生。因土壤質地、植被條件、水利設施以及耕作制度等不同，干旱有成塊分布和插花分布等特征，旱災所造成的損失表現形式比洪澇災害緩慢，但它造成災害的時間長、范圍廣、后續潛在影響大[1-3]。長沙作為湖南省省會，位于湖南省東部偏北，湘江下游和長瀏盆地西緣，人口密集，工農業比較發達，需用水量大[4]，由于降水的時空分布不均，容易發生季節性干旱，在一些地方也出現程度不同的水資源短缺現象。長沙市在一般干旱年缺水率達21.9%，特殊干旱年缺水率達28.3%[5]。干旱嚴重影響水資源的供需矛盾，制約了長沙地區持續的城市發展和經濟發展增長。為建設生態長沙，近年來長沙地區不斷加快城鄉綠化建設，并取得了顯著成效，全市林業用地61.63萬hm2，森林覆蓋率達53%左右[6]。森林火災作為一種自然災害，能直接、迅速減少森林覆蓋率。一些研究表明[7-8]，森林火災的發生與干旱有密切的聯系，大的森林火災多發生在干旱高溫季節。通過長沙干旱的特征及與森林火災的關系研究對建設綠色長沙、生態長沙有重要現實意義。

采用氣象方法從統計方面研究降水量的分布規律，來反映旱澇的程度和持續時間的指數很多[9-12]。綜合氣象干旱指數（CI）是以標準化降水指數（SPI）、相對濕潤指數（MI）為基礎建立的一種干旱綜合指數[13]，該指數同時考慮了降水和蒸發能力因子，綜合考慮了前期的天氣狀況，具有較好的時空對比性，比單純利用降水量的干旱指數具有較大的優越性，蒸發能力的計算也比較簡便，目前國家氣候中心運用該指數對全國范圍的干旱實況進行逐日滾動實時監測，業務實踐效果良好。筆者利用長沙市1971—2016年氣溫、日照、降水等常規氣象資料計算CI，根據干旱監測結果及干旱影響程度對CI進行等級劃分，分析長沙地區干旱時空分布特征及氣象成因，并利用2003—2015年森林火災資料研究長沙干旱對森林火災的影響。

1 資料與方法

1.1 資料來源 所用資料為湖南省氣候中心提供的長沙、寧鄉、瀏陽三站1971—2016年的逐日降水、溫度、相對濕度等氣象要素觀測數據；長沙市林業局、林業站提供的2003—2015年森林火災資料。

1.2 分析方法

1.2.1 綜合氣象干旱指數。

綜合氣象干旱指數（CI）是利用近30 d（相當月尺度）和近90 d（相當季尺度）降水量標準化降水指數，以及近30 d相對濕潤指數進行綜合而得，該指標既反映短時間尺度（月）和長時間尺度（季）降水量氣候異常情況，又反映短時間尺度（影響農作物）水分虧欠情況。該指標適合實時氣象干旱監測和歷史同期氣象干旱評估[13]。CI的計算公式為：

CI=aZ30+bZ90+cM30 （1）

式中，Z30、Z90分別為近30 d和近90 d SPI值；a為近30 d標準化降水系數，由達輕旱以上級別Z30的平均值除以歷史出現的最小Z30值得到，平均取0.4；b為近90 d標準化降水系數，由達輕旱以上級別

Z90的平均值除以歷史出現最小Z90值得到，平均取0.4；c為近30 d相對濕潤系數，由達輕旱以上級別M30的平均值，除以歷史出現最小M30值得到，平均取0.8；M30為近30 d相對濕潤度指數。

相對濕潤度指數是表征某時段降水量與蒸發量之間平衡狀況的指標之一。該等級標準反映作物生長季節的水分平衡特征，適用于作物生長季節旬以上尺度的干旱監測和評估。

相對濕潤度指數的計算公式為：

MI= P-PE PE （2）

式中，P為某時段的降水量；PE為某時段的可能蒸散量，用FAO Penman-Monteith或Thornthwaite 方法計算。

1.2.2 干旱等級。

CI分為5個等級：1級，CI>-0.6，無旱，表現為降水正常或較常年偏多，地表濕潤，無旱象；2級，-1.21.2.3 干旱過程。

干旱過程的確定為當CI連續3 d為輕旱以上等級，則確定為發生一次干旱過程。干旱過程的開始日為第1天CI指數達輕旱以上等級的日期。在干旱發生期，當CI連續2 d為無旱等級時干旱解除，同時干旱過程結束，結束日期為最后1次CI指數達無旱等級的日期。干旱過程開始到結束期間的時間為干旱持續時間。

1.2.4 趨勢分析。氣候變化分析使用了趨勢分析方法，其中線性修正趨勢分析法是根據歷史上各期的實際資料求出平均數，然后利用求出的平均數建立趨勢預測模式，求出趨勢值，在此基礎上計算折算系數，最后結合折算系數和趨勢預測模型進行預測的方法[14]。

2 干旱時空分布特征

2.1 干旱頻次的年變化趨勢

從圖1可看出，近46年來長沙干旱頻率有所下降，速率為0.007 6次/a，干旱的年代際變化明顯，呈三峰型。20世紀70年代—80年代初干旱頻次緩慢增大，在1983年達到峰值，達5.7次/a；80年代中期—90年代中期，干旱頻次明顯減少，在1994年達到谷值，為0.3次/a， 1995和1996年有一次明顯躍增，1995年達4.0次/a， 1996年達5.7次/a；之后，干旱頻次明顯減少，在2002年達到谷值，為1.0次/a，隨后干旱頻次再次增加，在2011年達到46年的最大值，為6.0次/a，隨后干旱頻次減少。20世紀70年代、80年代、90年代、2000—2009年、2010—2016年干旱頻次的平均值分別為3.6、4.3、3.2、3.3、3.6次/a，說明20世紀80年代干旱整體發生頻繁。

2.2 干旱日數的變化特征

從圖2可看出，近46年來長沙、瀏陽、寧鄉三站干旱日數的年際變化基本一致。長沙地區年干旱日數為6 d（1994年）～186 d（2007年），多年平均干旱日數為73 d，每一年都會出現干旱，且年代際變化比較明顯，70、80年代年干旱日數在平均值附近上下波動，波動幅度80年代比70年代大；到了90年代，長沙干旱日數基本在平均值以下，2000年以后，波動幅度明顯增大， 2007年干旱日數達到最大，為186 d。

從年干旱日數線性趨勢看（圖2），長沙、瀏陽、寧鄉三站年干旱日數均呈下降趨勢，平均下降速度為0.4 d/a，其中長沙站下降速度最慢，為0.2 d/a，瀏陽站下降速度最快，為0.6 d/a。

從圖3可看出，近46年來長沙地區最長干旱持續天數和干旱總日數的年變化對應較好。長沙地區年最長干旱持續天數呈下降趨勢， 平均下降速度為0.2 d/a。20世紀70—80年代最長干旱持續天數的波動幅度較大，到了90年代，最長干旱持續天數基本在平均值以下，2003年最長干旱持續天數為最低值，不足3 d，但到2004年最長干旱持續天數有一個飛快躍增，達140 d。2004—2016年是呈一個緩慢遞減的狀態。

從圖4可看出，長沙、瀏陽、寧鄉三站在46年間大多數年份以輕旱為主，中旱、重旱次之，特旱比較少見，且出現的年份基本一致，可見干旱分級特征具有較高的空間一致性，因此3區平均的年分級干旱日數年際變化具有一定的代表性。1978年之前，長沙地區以輕旱和中旱為主，每年平均在40 d左右，重旱的時間分布呈單峰型，特旱幾乎沒有出現；1979—1992年，干旱程度顯著增強，幾乎每年都有特旱發生；1993—2002年，干旱程度明顯緩解，中旱、重旱、特旱都鮮有發生；2003—2015年，干旱程度再度增強，尤其是2007年，中旱、重旱、特旱分別達72、59、17 d。

安徽農業科學 2017年

圖5顯示，1971—2016年長沙地區各年代干旱等級均以輕旱（46%～57%）為主，中旱（29%～35%）、重旱（10%～16%）次之，特旱（3%～6%）最少，其中20世紀80年代干旱程度最輕，輕旱占57%，特旱僅占比3%；2000—2009年干旱程度最重，輕旱占47%，特旱和重旱占比21%。

2.3 干旱氣象成因分析

長沙區域內每年都有不同程度的干旱發生，冬旱、春旱、夏秋干旱（夏秋干旱又包括夏旱、秋旱和夏秋連旱）均有出現，但以夏秋干旱最為常見，年年都有發生，持續時間最長。近46年來長沙地區干旱日數呈明顯的單峰型，從2月開始至8、9月，干旱日數顯著增加，從50 d左右增加至500 d，10月以后干旱日數顯著減少（圖6）。

夏秋干旱最主要的氣象原因為大氣環流的影響。大氣環流的規律性運動和異常是形成長沙規律性干旱和特大干旱的主要因素。常年6月以后，長沙地區常受西伸北躍的西太平洋副熱帶高壓控制，雨帶北移，各地雨季相繼結束，天氣晴朗，氣溫高，南風大，蒸發強，引起干旱發生。如常年7—9月，長沙總雨量多在300 mm以下，水分的不足常常引起旱象出現；大氣環流異常，前期副熱帶高壓很弱，脊線位置偏南，在長沙冷暖空氣交匯少，雨季降水不足，后期副熱帶高壓過強、過早并長時間控制長沙地區，則出現長期無雨或少雨的現象，引起嚴重干旱。氣溫高、蒸發量大是形成干旱的又一個重要原因。6—9月是一年中月平均氣溫最高的4個月份。持續酷暑高溫，使蒸發量大增，若遇長時間少雨天氣，干旱程度愈加嚴重。

3 干旱對森林火災的影響

3.1 干旱與森林火災

統計2003—2015年長沙市森林火災的發生次數和火災受災面積情況（圖7）發現，火災次數和受災面積均表現為2009年前數值較大，2009年后數值減少明顯。

將2003—2015年森林火災受災次數面積與相對應時段的干旱日數、頻次進行相關分析，相關系數分別為0.25和0.20，相關系數不高，但通過α=0.10信度檢驗。說明森林火災次數面積與干旱日數、干旱頻次有一定的對應關系。進一步分析2009年之前發生森林火災情況發現，森林火災一般發生在干旱持續時間比較長的時段內。引入最長持續干旱天數指標（圖3），2003—2015年最長持續干旱天數總體趨勢也表現為2009年以后明顯減少，6階多項式曲線的波峰與森林火災次數、受災面積基本一致，在2007年前后，最長持續干旱天數與森林火災次數、受災面積的相關系數分別是0.42、0.45，明顯比年干旱日數、干旱頻次與森林火災次數、受災面積的相關性好，且通過了α=0.05的信度檢驗。

3.2 森林火災個例

干旱是在氣溫、降水等氣象因子共同作用下發生。干旱情況下，降水較少，空氣濕度低，蒸發大，可造成植被含水量下降，而可燃物含水率與森林火災的發生有密切關系[15-16]。從長沙2007年溫度和降水狀況看，長沙年平均氣溫為18.5 ℃，較常年偏高1.4 ℃，屬異常偏高年份，超過2006和1998年極值0.3 ℃， 成為第一高值年。從季節年（前一年12月—當年11月）來看，整體偏高1.4 ℃（表1）。

2007年全市降水偏少3成，年總降水量僅為997.3 mm（表2），各站超過歷史最小值年，成為有記錄以來最小值年；上半年偏少3～4成，下半年除寧鄉偏少14%外，其他站偏少近3成。

2007年長沙出現春旱、特大春夏連旱、特大秋冬連旱，因此造成森林火災頻發。全市共發生森林火災302起，受災森林面積達335.39 hm2，損失林木、成林蓄積3 831.8 m3；森林火災主要集中在2、4、8、12月，以4月最多，占全年的36%，火災大多發生在干旱時段內，尤其8、12月主要因為干旱。由表3可知，長沙森林火災基本發生在干旱連晴天氣時段內，部分火災由于干旱撲滅困難。

4 結論與討論

利用1971—2016年長沙市常規氣象資料，計算綜合氣象干旱指數，對長沙地區干旱的時空分布特征及氣象成因進行分析，并利用2003—2015年森林火災資料進一步研究干旱對森林火災的影響，得出以下結論。

（1）近46年來長沙地區干旱頻率有所下降，速率為0.007 6次/a，干旱的年代際變化明顯，呈三峰型。20世紀80年代干旱整體發生頻繁。

（2）近46年來長沙地區平均干旱日數為73 d，且年代際變化比較明顯。長沙、瀏陽、寧鄉3站干旱日數年際變化基本一致，均呈下降趨勢，其中長沙站下降速度最慢，瀏陽站下降速度最快。

（3）1971—2016年長沙地區最長干旱持續天數和干旱總日數的年變化對應較好。最長干旱持續天數呈下降趨勢，平均下降速度為0.2 d/a。2004年最長干旱持續天數有一個飛快躍增，達到140 d。

（4）長沙、瀏陽、寧鄉3站在46年間大多數年份以輕旱為主，中旱、重旱次之，特旱比較少見，且出現的年份基本一致，干旱分級特征具有較高的空間一致性。

（5）長沙地區以夏秋干旱最為常見，持續時間最長。夏秋干旱最主要的氣象原因為大氣環流的影響。氣溫高、蒸發量大是形成干旱的又一個重要原因。干旱情況下，森林等植

表3 2007年長沙地區干旱與森林火災情況

Table 3 Drought and forest fires in Changsha area in 2007

時間Time 干旱情況Drought situation 森林火災情況Forest fires situation

1—3月January-March 8 d 1月末連續8 d的連晴干燥天氣催生了十余起森林火災

4月April 4月11—28日 4月上中旬就發生104起火警，到4月末，受災面積達120 hm2

5月May 5月5—31日 發生林火239起，受災面積15.06 hm2

6—8月June-August 連續2個月持續干旱 由于干旱導致山塘缺水，長沙縣星沙鎮的一起森林大火撲救延誤

9—12月September - December 10月9日—12月20日 11月26日寧鄉縣一次森林大火，持續近28 h，燒毀山林20 hm2以上

被含水率下降，下降到一定程度，森林火災容易發生。2007年的火災情況分析表明，森林火災多發生在干旱條件下的連晴時段內。

森林火災部分由人為原因引發， 上述分析由于資料限制，沒有排除人為原因火災，如在火災情況分析中，能剔除掉部分人為原因火災，則干旱對森林火災影響分析能夠更加客觀。

參考文獻

[1]

薛麗.湖南大型灌區干旱風險管理分析、評價[J].湖南水利水電， 2013（3）：45-49.

[2] 王淮永.湖南省典型農業干旱區基本農田保護研究[D].長沙：中南林業科技大學， 2015.

[3] 彭元琪.湖南省農業旱災恢復性資源評價及優化研究[D].湘潭：湖南科技大學， 2014.

[4] 熊見紅.長沙市水資源短缺狀況分析及對策[J].人民長江，2003，34（2）：12-13，23.

[5] 劉珊，顏智勇.湘江流域長沙段水資源問題分析[J].湖南農業大學學報（自然科學版），2009，35（1）：64-67.

[6] 周慶年.打造綠色星城 建設生態長沙[J].湖南林業，2010，8（1）：1.

[7] 徐明超，馬文婷.干旱氣候因子與森林火災[J].冰川凍土，2012，34（3）：603-608.

[8] 任金鑫，肖慧娟，張超，等.持續干旱對森林火災的影響研究綜述[J].內蒙古林業調查設計，2013，36（5）：135-138.

[9] 張劍明.近36年來湖南省干旱的時空分布特征[D].長沙：湖南師范大學， 2008.

[10] 張調風，張勃，王有恒，等.基于綜合氣象干旱指數的石羊河流域近50年氣象干旱特征分析[J].生態學報，2013，33（3）：975-984.

[11] 劉紀遠，匡文慧，張增祥，等.20世紀80年代末以來中國土地利用變化的基本特征與空間格局[J].地理學報，2014，69（1）：3-14.

[12] 金菊良，楊齊祺，周玉良，等.干旱分析技術的研究進展[J].華北水利水電大學學報（自然科學版），2016，37（2）：1-15.

[13] 張強，高歌.我國近50 年旱澇災害時空變化及監測預警服務[J].科技導報，2004（7）：21-24.

[14] 王雷.線性修正趨勢分析技術在環境質量預警預測中的應用[J].干旱環境監測，2010，24（3）：171-176.

[15] 文定元.森林防火基礎知識[M].北京：中國林業出版社，1995.

[16] 張大明，楊雨春，張維勝，等.可燃物含水率與氣象因子相關關系預測模型的研究[J].吉林林業科技，2010，39（3）：27-30.