大興安嶺呼中林區5月火險等級變化趨勢分析

國世友，王承偉，劉麗敏

(1.黑龍江省龍云氣象科技有限責任公司氣象院士工作站,哈爾濱 150030;2.黑龍江省氣象臺,哈爾濱 150030;3.伊春市氣象局,黑龍江伊春 153000)

近百年來，全球氣候變暖特征顯著。1980年代以來，全球每個連續10 a都比前一個10 a更暖。中國是全球氣候變化的敏感區和影響顯著區，1951—2019年中國年平均氣溫每10 a升高0.24 ℃，升溫速率高于同期全球平均水平[1-2]，且區域間差異明顯，如1959—2014年陜西略陽年平均氣溫每10 a升高0.15 ℃[3]，西安春季和冬季日數呈縮短趨勢、夏季和秋季呈增長趨勢[4]。同時氣候變暖正在影響著生態環境，千陽縣蘋果種植將不會受凍害影響[5]，全球森林火災災害發生的頻率與強度增加[6]。森林作為陸地生態系統，具有調節氣候、涵養水源、減少污染、提供科研等多種功能，對維護生態環境起著不可替代的作用[7]。而森林火災是對森林生態資源危害最為嚴重的災害之一，森林的燃燒與氣象條件密切相關，高溫、干旱、大風天氣有利于森林火災的發生[8-9]。

大興安嶺呼中林區擁有我國最大的溫帶原生落葉松自然保護區，林間可燃物積累豐富，易燃可燃物隨處可見。冬季氣溫低，地表積雪覆蓋，氣溫處于燃點以下，不易發生火災；而春季天氣回暖，3—4月積雪逐漸融化，5月氣溫升至燃點以上，加之降水少、大風日多，森林火險等級達到春季的最高等級，一旦發生火災，危害非常嚴重。春季林火多是人為火源引起的，因此，了解呼中林區5月火險等級變化趨勢，對于人為管控火源，預防火災發生，減少森林資源的損失具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

大興安嶺呼中林區位于我國大興安嶺主山脈東坡、伊勒呼里山脈北坡，總面積約9 372.44 km2，植被類型以西伯利亞植物區系成分為主，混有東北植物區系和蒙古植物區系成分。典型地帶性植被類型為寒溫帶針葉林，單優勢種為興安落葉松林。主要的針葉喬木樹種有興安落葉松、云杉、樟子松以及少量分布于高海拔山地的偃松。主要的闊葉喬木樹種有山楊、白樺、甜楊和位于河岸以及溝谷兩側的鉆天柳[10]。

1.2 資料

研究采用的資料包括呼中國家氣象觀測站1974—2020年5月氣溫、降水量、風速觀測資料；第六次國際耦合模式比較計劃(CMIP6)全球氣候模式1974—2014年歷史模擬試驗數據和中等發展情景(SSP2-4.5)2021—2100年預估數據，平均氣溫和降水量均使用22個模式數據，平均風速為19個模式數據，CMIP6模式數據下載及說明見網站(http://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/)，呼中的模式數據使用雙線性插值方法得到。為了便于與歷史時期比較，選取1991—2020年為基準時段，變化趨勢采用線性傾向率估計。

1.3 集成方法

由于不同的CMIP6模式模擬能力和預估結果存在差異[11]，這里假定模式模擬能力強，則模式預估結果的可信度就高。先計算1974—2014年各個模式的5月平均氣溫、降水量和平均風速模擬值與觀測值的符合度指數，根據指數大小選擇模式作為集成成員[12]，平均氣溫和降水量入選模式的符合度指數超過0.55，平均風速的達到0.50。平均氣溫選擇的模式為GFDL-ESM4、INM-CM4-8、NorESM2-LM，降水量的模式為BCC-CSM2-MR、CanESM5、GFDL-ESM4，平均風速的為INM-CM5-0、TaiESM1。在預估中采用權重集成方法得到呼中林區氣象要素值。

權重集成公式為

(1)

其中，y(t)表示第t年的集成值，t為年份(t=2021,2022,…,2100)，m是參加集成的模式數，χi(t)是第i個模式第t年的值，ωi是第i個模式的權重。

權重ωi(i≥1)計算公式為

(2)

式中ri為第i個模式模擬值與觀測值的符合度指數。

符合度指數的計算公式為

(3)

符合度指數在0.0與1.0之間，越接近于1，說明模式模擬值與觀測值越符合。符合度指數在40%以上為基本可信，60%以上為良好，80%以上為優秀[13]。

1.4 森林火險等級

采用《全國森林火險區劃等級》(LY/T 1063—2008)推薦的森林火險因子(樹種燃燒類型、人口密度、路網密度、月降水量、月平均氣溫、月平均風速)權值之和來定義森林火險等級指數[14]，以森林火險等級指數大小劃分火險等級。大興安嶺呼中林區地廣人稀，假定1974—2100年樹種燃燒類型、人口密度、路網密度變化不大，權值分別取10、3、4。逐年的森林火險氣象因子權值用f(x)=(1+aebx)-1計算得到[14-15]，式中x為氣象因子值，a、b為待定系數，e為常數，取2.72。

2 1974—2020年氣象因子和森林火險等級變化

圖1a給出了1974—2020年呼中5月平均氣溫距平變化曲線。由圖1a可以看到，1974—2020年，呼中5月平均氣溫整體的上升趨勢非常明顯，增溫速率為0.31 ℃/10 a。1970年代中后期至2000年代5月平均氣溫低于基準值(9.1 ℃)，其中1970年代中期至1980年代偏低幅度超過0.5 ℃，1974年最低為6.4 ℃；1990年代、2000年代偏低幅度小。2010年代處于偏高時期，2010年最高為11.0 ℃(表1)。

圖1 1974—2020年呼中5月平均氣溫距平(a)、降水量距平百分率(b)、平均風速距平(c)及火險等級指數距平(d)年際變化

表1 1974—2020年呼中5月平均氣溫距平、降水量距平百分率、平均風速距平及火險等級指數距平的年代際變化

1974—2020年呼中5月降水量呈現增加趨勢(圖1b)，增加幅度為10.2 %/10 a。1970年代中后期至2000年代處于偏少時期(表1)，其中1970年代中后期至1980年代、2000年代比基準值(49.0 mm)少20%以上， 2006年最少為10.3 mm(偏少79%)。2010年代為偏多時段，偏多近3成，2015年最多為102.2 mm，比基準值多1倍有余。同時也可以看出，降水量的年際變動幅度大，最大值約為最小值的10倍。

1974—2020年呼中5月平均風速趨于明顯減小(圖1c)，變化速率-0.17 (m/s)/10 a。1970年代中后期至1990年代平均風速大于基準值(2.2 m/s)的幅度逐漸減小(表1)，到2000年代以后轉為小于基準值。平均風速比基準值偏小的年份主要在2007年以后，其中2011年和2012年均偏小0.5 m/s；2006年之前大多數年份偏大，1978年和1999年最大為3.4 m/s。

在氣候暖濕化、平均風速顯著減小背景下，1974—2020年呼中5月火險等級指數在波動中呈減小趨勢(圖1d)，變化速率-5.0/10 a。在2000年代之前火險等級指數偏大(表1)，2010年代開始轉為偏小。1999年火險等級指數最大為99，比基準值(51)大48，比2015年最小值(37)大62。火險等級指數最大值約是最小值的3倍，年際變化幅度較大。

3 2021—2100年氣象因子和森林火險等級變化趨勢預估

圖2a給出了預估的2021—2100年呼中5月平均氣溫距平時間序列。由圖2a可知，2021—2100年，呼中5月平均氣溫整體上仍維持上升趨勢，增溫速率0.15 ℃/10 a。從5月平均氣溫距平年代際變化幅度來看(表2)，各年代5月平均氣溫均偏高1.0 ℃以上，其中2020年代至2040年代偏高幅度逐漸增大，2050年代有所回落，2060年代又上升，2070年代小幅下降，2080年代至2090年代又增大，偏高幅度升至2.0 ℃以上。從年際變化來看，2021—2100年呼中5月平均氣溫有79 a高于基準值，最大值偏高3.9 ℃，最小值偏低0.3 ℃。

圖2 2021—2100年呼中5月平均氣溫距平(a)、降水量距平百分率(b)、平均風速距平 (c)及火險等級指數距平(d)年際變化

表2 2021—2100年呼中5月平均氣溫距平、降水量距平百分率、平均風速距平及火險等級指數距平的年代際變化

2021—2100年呼中5月降水量在波動中呈增加趨勢(圖2b)，增加幅度為3.8%/10 a。就降水量年代際變化而言(表2)，2020年代、2030年代偏少，尤其是2020年代明顯偏少，達-23%；2040年代以后轉為偏多，其中2060年代至2080年代偏多10%以上。從年際變化來看，未來80 a呼中5月降水量最大值為81.4 mm，比基準值多60%以上；最小值23.4 mm，偏少52%。可見，降水量的年際變動幅度仍然較大。

2021—2100年呼中5月平均風速變化趨勢不明顯，僅表現為微弱的減小趨勢(圖2c)。2040年代、2050年代偏小(表2)，其它時段偏大，2020年代、2060年代偏大0.1 m/s以上。未來80 a呼中5月平均風速最大值為2.9 m/s，比基準值大0.7 m/s；最小值為1.6 m/s，偏小0.6 m/s。

在氣候暖濕化、風速減小情景下，2021—2100年呼中5月火險等級指數整體呈減小趨勢(圖2d)，變化速率-7.0/10 a。從年代際變化來看(表2)，2020年代、2030年代、2060年代火險等級指數偏大，其中2020年代偏大5.3；其它年代指數偏小，大多數年代火險等級指數距平低于-3.0。在2021—2100年期間，火險等級指數最大值為77，約是最小值(39)的2倍，說明森林火險等級指數的年際變化幅度仍比較大。

4 結論

(1)1974—2020年大興安嶺呼中林區5月氣候具有暖濕化的趨勢，平均風速和火險等級均呈現減小趨勢，平均氣溫、降水量、平均風速及火險等級指數的變化速率分別為0.31 ℃/10 a、10.2%/10 a、-0.17 (m/s)/10 a、-5.04/10 a。氣象因子及火險等級指數年際變化幅度大，平均氣溫、平均風速和火險等級指數最大值約為最小值的2倍，降水量約為10倍。

(2)中等發展情景下，2021—2100年5月呼中林區整體為氣溫上升、降水量增加、風速減小、火險等級減小趨勢。相對于基準值，2020年代和2030年代平均氣溫偏高、降水偏少、平均風速偏大、火險等級偏高，2060年代平均氣溫偏高、降水偏多、平均風速偏大、火險等級偏高，其它年代平均氣溫偏高、降水量偏多、火險等級偏低。氣象因子及火險等級指數年際變化幅度仍較大，平均氣溫、降水量最大值是最小值的3倍有余，平均風速、火險等級指數的約為2倍。