呼倫貝爾草原火格局及氣候驅動因子分析

秦希

摘 要：氣候因素對于草原火發生的驅動作用在草原火的研究中具有重要意義。基于呼倫貝爾地區2000—2015年16年的MODIS火產品數據以及氣象數據，在多年時間尺度下對研究區內草原火的發生與氣候因素響應進行了相關研究。結果表明，通過ArcGIS的Ripley's K函數對呼倫貝爾地區的草原火進行空間分析以及Pearson相關性檢驗，呼倫貝爾地區草原火在一定空間尺度內呈現聚集分布。其發生與相對濕度和降水量呈負相關，Pearson相關系數分別為-0.127和-0.306 （P<0.001）;與多年平均氣溫和平均風速呈正相關，Pearson相關系數分別為0.042和0.394（p<0.001）。

關鍵詞：草原火;空間分布;氣候因素

中圖分類號 X43文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）05-0127-04

Abstract：The driving force of climate factors on the occurrence of grassland fire is of great significance in the study of grassland fire.Based on the MODIS fire product data and meteorological data from the Hulunbeir area from 2000 to 2015，this paper studies the occurrence of grassland fire and the response of climatic factors in the study area on the multi-year time scale.After spatial analysis of the grassland fire in the Hulunbeir area and Pearson correlation test by the Ripley's K function of ArcGIS，the results show that the aggregate distribution appears in a certain spatial scale.The occurrence of grassland fire in Hulunbeir area was negatively correlated with relative humidity and precipitation.The Pearson correlation coefficients were -0.127 and -0.160 （P<0.001），respectively.It was positively correlated with the average annual temperature and average wind speed.The Pearson correlation coefficients were 0.042 and 0.394 respectively （p<0.001）.

Key words：Grassland fire;Spatial distribution;Climatic factors

草原火的發生是草地生態系統中重要的驅動過程[1-3]，也是生態系統重要的干擾因素之一[4]，草原火的發生不僅會破壞當地的生態系統，也給當地的人民生活帶來了巨大的經濟損失[5]。因此，對草原火的分布格局以及發生影響因素的研究，對于管理部門進行管理和預防都具有一定的指導意義。

草原火的發生受到氣候、可燃物自身性質、人為因素以及地形等多種因素的共同影響[6]。然而，在影響火發生的眾多因素中，最重要的因素是氣候因素，它不但影響可燃物的燃燒性質，還會對火發生的蔓延和傳播有一定程度的影響[7，8]。近些年來，受到全球氣候變化的影響，世界各地森林、草原火災的發生次數都在增加，氣候變化會增加地區內草原火發生的可能性[9]，因此，開展氣候與草原火發生的影響研究具有重要的意義。目前，國內外對于氣候與火發生的研究已有了很多成果，例如，加拿大森林火險等級系統是世界上發展最完善，應用最廣泛的系統之一[10]，加拿大森林火險氣候指數系統（FWI，fire weather index）是其重要的組成部分。通過氣象數據反應可燃物含水率的變化，將氣象數據、可燃物以及火險有機結合在一起[11，12];國內傅澤強等通過降水、氣溫、風速以及相對濕度建立了草原火險天氣預報模型[13]。但目前就氣候因素對于草原火的影響都主要集中在中短期，而在長期的氣候方面進行的研究較少。

內蒙古呼倫貝爾地區有著世界上四大草原之一的呼倫貝爾草原，是重要的草原生態系統，同時也是受到草原火較為嚴重的地區，隨著氣候變化的加劇，該地區內草原火發生的可能性不斷增加。本研究基于MODIS火產品數據和氣候數據，在長時間尺度內分析該地區草原火發生的空間格局以氣候要素對于草原火的驅動作用，為有關部門的管理和監控提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區東北部的呼倫貝爾市，地處115.22～126.06°E和47.08～53.23°N，面積為252.948km2，行政范圍包括陳巴爾虎旗、鄂溫克旗、新巴爾虎左旗和新巴爾虎右旗等13個旗縣（圖1）。呼倫貝爾市為典型的溫帶大陸性氣候，降水量自東南向西北減少，氣溫自東南像西北遞增。研究區內有豐富的草地資源，是草原火頻發地區。

2 數據和方法

2.1 數據收集及處理

2.1.1 氣象數據 本研究使用的氣象數據來自呼倫貝爾市的9個氣象站點，包括2000—2015年16年的年平均氣溫、年降水量、年平均風速以及年平均相對濕度。通過ArcGIS空間分析的克里金插值方法，對氣象因素進行空間插值，生成研究區內各氣象因素的空間分布數據。

2.1.2 草原火點數據 本研究使用的草原火點數據來自MOD14A1（Terra）和MYD14A1（Aqua）的MODIS火產品數據，均為8d合成的3級產品數據，空間分辨率為1km，時間分辨率為1d。在得到火產品數據后，通過MRT進行多景影像的鑲嵌、重采樣以及重投影，將投影轉為Albers等面積投影，影像格式由原始的HDF格式轉換為GeoTIFF的格式。得到的火產品數據包含4種信息，分別是：Fire Mask、Quality Assurance、Maximum FRP和Scan Sample，在本研究中用到了Fire Mask部分。Fire Mask里面存儲了每天火發生的情況，用8位無符號科學數據集來表示，并且每個像元都用0～9數字中一某一個來表示一類，其中0～9的數字含義如表1所示。

將處理后的影像通過ArcGIS將呼倫貝爾地區掩膜提取出來，從而得到研究區的影像;再將7、8、9的像元提取出來，并轉成點，從而得到2000—2015年16年的全部火點數據。在得到全部火點數據后，通過來自中國科學院遙感與數字地球研究所的土地利用數據，利用其中的草地數據篩選出草原火點。

2.2 研究方法

2.2.1 Ripley's K函數分析 草原火在空間上的分布可以看作為“點”事件，而“點”事件的空間分布模式并不是一成不變的，可能在不同空間尺度的格局下，呈現出不同的分布格局，在小尺度下呈現出聚集的分布模式，而在大尺度下呈現出離散或者均勻的分布模式[14]。Ripley's K函數是“點”事件空間模式分析最常用的方法之一，它能夠反映出點格局在整個空間范圍內的變化特征，計算公式如下：

其中，A為研究區的面積;n為研究區內草原火點的數目;d為研究區內草原火點i和草原火點j之間的距離;Wij為在距離d范圍內的草原火點i和草原火點j之間的權重函數，如果i與j之間的距離小于或者等于d，則權重為1，否則權重為0。本研究應用Ripley's K函數來反映2000—2015年16年呼倫貝爾的草原火點分布格局，當在一定尺度范圍內，觀測值大于預測值時，為聚集分布;而當觀測值小于預測值時，為離散分布。

2.2.2 核密度分析 根據Ripley's K函數的結果可以看出，呼倫貝爾草原火在一定的空間尺度上呈現聚集分布的特征，對于點要素的聚集分布，核密度分析常常被用來使用反映點要素分布的相對集中程度，將離散的草原火點通過插值生成連續的密度表明，進一步表明整個研究區內草原火點的分布格局。本研究通過ArcGIS的核密度分析對2000—2016年16年的草原火點進行密度估算，將其轉為1000m的柵格圖層，對草原火的空間分布密度進行研究。

2.2.3 相關分析 通過ArcGIS的數據轉換功能將核密度以及氣象數據轉成ASCII文本文件，進一步將文本文件導入SPSS中進行相關性檢驗，用Pearson相關系數評價16年呼倫貝爾地區的氣象數據與草原火點空間密度之間的相關關系。

3 結果和分析

3.1 草原火空間分布格局 經對16年的草原火點進行核密度空間分析（圖2），結果顯示，呼倫貝爾16年草原火發生的頻次范圍為0～0.288次。發生頻次高的地方主要在呼倫貝爾市的東部鄂倫春自治旗和西部的額爾古納市以及陳巴爾虎旗地區，最高頻次達到了0.288次/km·m2;相反，北部地區根河市以及牙克石市的南部地區草原火發生頻次較低。為了進一步了解草原火的分布格局，采用Ripley's K函數將2000—2016年16年的草原火點數據進行空間分析，結果如圖3所示。從圖3可以看出，呼倫貝爾草原16年來的草原火點分布情況是在小于240km時呈現聚集分布狀態，在大約160km處達到峰值，而大于240km時呈現分散分布。

3.2 氣候對草原火的驅動作用 通過SPSS軟件，將2000—2015年16年的多年平均氣溫，多年平均降水量，多年平均風速以及多年平均相對濕度與核密度進行相關性檢驗，用Pearson相關系數來表明它們之間的相關性，結果如表2所示。從表2可以看到，2000—2015年16的呼倫貝爾草原火的空間分布密度與多年平均相對濕度、降水量呈負相關，而與多年平均氣溫和風速呈正相關，且均通過顯著性檢驗（P<0.001，極顯著）。呼倫貝爾地區地處高緯度，溫度較低，且降水多濕度較大，在降水量本就大的地區，降水越多，相對濕度越大，可燃物濕度就會越高，水分蒸發的較為緩慢，越不利于草原火的發生;而當溫度升高時，一方面水分越容易蒸發，相對濕度會相應的降低，可燃物的濕度也會降低，可燃物更加干燥，越易燃，草原火越容易發生;另一方面，溫度的升高會使得可燃物越容易接近它的燃點，草原火就更容易發生;對于風速而言，風速越大，越容易將水分帶走，可燃物濕度降低，越干燥，越有利于草原火的發生。

4 結論和討論

本研究應用了Ripley's K函數對呼侖貝爾地區多年的草原火的空間分布格局進行了分析，結果顯示，研究區內的草原火的發生并不是隨機的，而是在小于240km時呈現聚集分布，在大于240km時呈現分散分布。通過相關分析表明，草原火的發生與相對濕度和降水量呈負相關，與多年平均氣溫和平均風速呈正相關。氣候對于草原火的影響作用一直是研究的熱點，本研究基于MODIS數據和氣象數據，在多年的時間尺度上對草原火的發生和氣候因子的相關性進行了探討。氣溫、降水、相對濕度以及風速對于草原火的發生都有著不同的驅動作用，為相關部門對于草原火的管理和監控提供了科學依據。但草原火的發生是一個復雜的過程，未來可以對人為因素、可燃物因素以及環境因素等以及如何與氣候因素共同影響草原火進行進一步的研究。

參考文獻

[1]Masters R B R A.Fire in North American Tallgrass Prairieby S.L.Collins;L.L.Wallace[J].Journal of Range Management，1991，44（4）：413-414.

[2]Belsky A J.Effects of Grazing，Competition，Disturbance and Fire on Species Composition and Diversity in Grassland Communities[J].Journal of Vegetation Science，1992，3（2）：187-200.

[3]Morgan J W J ，Lunt I D .The role of fire regimes in temperate lowland grasslands of south-eastern Australia[J].Flammable Australia the Fire Regimes &Biodiversity of A Continent，2002.

[4]雒瑞森.全球火格局的時空變異及其機理分析[D].杭州：浙江大學，2013.

[5]陳世榮.草原火災遙感監測與預警方法研究[D].北京：中國科學院遙感應用研究所，2006.

[6]蘇和，劉桂香.淺析我國草原火災信息管理技術進展[J].中國草地學報，2004，26（3）：69-71.

[7]傅澤強，陳動，王玉彬.大興安嶺森林火災與氣象條件的相互關系[J].東北林業大學學報，2001（1）：12-15.

[8]田曉瑞，趙鳳君，舒立福，等.西南林區衛星監測熱點及森林火險天氣指數分析[J].林業科學研究，2010，23（4）：523-529.

[9]趙鳳君，舒立福.氣候異常對森林火災發生的影響研究[J].森林防火，2007（1）：21-23.

[10]田曉瑞，Douglas J McRae，張有慧.森林火險等級預報系統評述[J].世界林業研究，2006（2）：39-46.

[11]Turner J A，Lawson B D.Weather in the Canadian Forest Fire Danger Rating System：a user guide to national standards and practices[J].Report. Pacific Forest Research Centre （Canada）.no.BC-X-177，1978.

[12]舒立福，田曉瑞，李紅.世界森林火災狀況綜述[J].世界林業研究，1998（6）：41-47.

[13]傅澤強，王玉彬，王長根.內蒙古干草原春季火險預報模型的研究[J].應用氣象學報，2001，12（2）：202-209.

[14]王勁峰，廖一蘭，劉鑫.空間數據分析教程[M].北京：科學出版社，2010.

（責編：張宏民）