吉林省森林火险天气等级划分1)

王 超 邸雪颖 杨 光

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

林火预测预报始于20世纪20年代［1］，经过近90 a的发展，取得了长足的进步。一些林业发达国家形成了国家尺度的林火预报系统，并不断进行完善，如美国、加拿大、澳大利亚;一些国家或地区引进或移植发达国家的先进系统的模块或研究思想，也形成了自己的林火预报系统，如墨西哥、新西兰、美国佛罗里达。国内林火预报研究始于1966年，起步较晚，但取得了一定的成绩。全国累计研制了数十种火险天气预报方法，一些省(自治区)的林火预报系统已经投入运行。然而遗憾的是，林火预报系统的应用还局限在小范围区域内，在全国范围内缺乏尝试，况且目前使用的林火预报方法还停留在利用火灾发生的历史数据和气象数据之间的单纯统计关系，而不是基于林火行为的真正意义上的森林火险预报。面对气候变暖和严峻的防火形势，引进国外先进经验，建立国家尺度的森林火险等级预报系统迫在眉睫。加拿大森林火险等级系统(Canadian Forest Fire Danger Rating System，CFFDRS)中的林火天气指标(Forest Fire Weather Index，FWI)系统是目前世界上发展最完善，应用最广泛的火险等级预报系统之一。该系统一方面考虑气象因子，另一方面考虑森林可燃物状态，将气象因子和可燃物含水率有机地联系，通过天气条件的变化计算可燃物含水率的变化，然后再根据不同大小或位置的可燃物含水率确定潜在火险等级［2－3］。早在20世纪80年代中期，加拿大学者通过研究认为，FWI系统在我国大兴安岭地区适用［2］。随后，许多学者也研究证明只要对系统中的相关参数和技术细节进行一些相应的本地修正，FWI系统可以完全在我国适用［4－5］。因此，笔者借鉴FWI系统，以吉林省为例，对FWI系统的火险等级划分进行研究，以期获得等级预报系统适用的技术参数，为全国火险等级预报系统的建设提供技术保证和支持。

1 研究区概况

吉林省是全国重点林业省份之一，地处E121°38～131°19、N40°52 ～ 46°18。全省林业用地面积 928.8 万 hm2，有林地面积为820.2万hm2，森林覆盖率为43.4%，活立木总蓄积8.9亿m3［6］。全省具有显著的温带大陆性季风气候特点，四季分明，雨热同季。有明显的四季更替，春季干燥风大，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷漫长。大部分地区年平均气温为2～6℃，年活动积温在2700～3200℃，全省年降水量一般在400～900 mm，自东部向西部有明显的湿润、半湿润和半干旱的差异。全省中部以西无霜期150 d左右，东部山区130 d左右。每年3—6月份、9—11月份，植物干枯、气候干燥、风速大，是森林火灾极易发生的季节，但近年来吉林省森林资源保护管理水平不断提高，实现了连续29 a无重大森林火灾。森林植物种类十分丰富，针叶林以红松(Pinus koraiensis Sieb.)、云杉(Picea asperata Mast.)、冷杉(Abies)、黄花松(Larix olgensis Henry)为主，阔叶林以水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)、胡桃楸(Juglans mandshurica Maxim.)、黄波罗(Phellodendron amurense Rupr.)等为最多。

2 数据与方法

2.1 数据收集

气象数据来源于中国气象科学数据共享中心(http://cdc.cma.gov.cn/)。选用吉林省28个气象台站，其在省内分布情况如图1所示。数据包括1996—2008年每日数据(日最高气温、相对湿度、平均风速、日降水量)。由于有一些台站因降等为一般台站等原因导致数据缺失，剔除8个台站，最后采用了20个台站。林火历史数据来自于吉林省森林防火指挥部，主要指标包括1996—2008年累计发生的702次森林火灾的发生时间、扑灭时间、着火点经纬度坐标、过火面积、受害森林面积等。森林火灾发生地点的分布如图2所示。

图1 吉林省各气象台站站点分布

图2 1996—2008年上半年吉林省森林火灾分布

2.2 数据处理

利用收集到的吉林省每日气象数据中的日最高气温、日相对湿度、日降水量、日平均风速，根据Van Wagner的FWI系统模型公式［7］编程计算得出 12 a 来每日的 CFFM、CDM、CD、IIS、IBU、IFW值。FWI系统简化结构如图3所示。各台站初始值设定为CFFM=85，CDM=15，CD=6。模型的具体计算方法参见文献［7］、［8］。计算系统分级范围，将吉林省内20个气象台站1996—2008年火险期内每一天的林火天气指标划分火险等级，并统计各等级的频率。

图3 FWI系统简化结构

对已收集到的林火历史数据，要通过与其经纬度坐标最近的气象台站建立联系，得到每一次火灾发生当日的林火天气指标。利用吉林省区内5个国际气象台站的气象数据计算出1996—2008年每一天的林火天气指标，求出每个指标在每个月的平均值，计算各指标与林火发生次数的相关系数。对应林火发生日的火险等级，分析火灾发生次数以及火灾发生条件概率和火险等级的关系。

2.3 火险等级的划分方法

在应用加拿大林火天气指标系统过程中，计算IFW值的方法都是相同的，即根据Van Wagner的FWI系统模型公式计算得出，但火险天气的范围在不同地区有所差异，不能在任何地方都沿用加拿大森林火险等级系统(CFFDRS)，所以给IFW值限定范围以适合当地的火险天气就是FWI系统本地化处理的首要任务。

这个火险等级分级范围并不是随便设定的，太平洋林业研究中心根据FWI系统本身的特点制订了一个分级方法，经过多年的验证，该分级方法是最合理可行的。本研究即采用此方法根据林业行业《全国森林火险天气等级》标准，合理地将吉林省森林火险天气等级分为5级，具体步骤如下:①收集多年的IFW历史样本;②根据当地林火数据，确定每个季节极高火险等级平均天数，并设定一个极高等级的最低值;③依照I－等级的几何级数计算其它等级(见公式1)，并用一个固定比率逐级赋值。④将I－等级转换成S－等级下的IFW值(见公式2)。例如，假设IFW=30被选定为极高等级的最低值，用方程1算出I－等级等于2309，这样每级之间的固定比率将是2309的五次方根4.706，如此便得到其它几级I－等级的最低限，再通过公式2转化成S－等级下的IFW值，从而得出各级值域［9－10］。为了后面可以利用所有气象台站得出的数据进行验证，选用吉林省内分布比较均匀的5个国际气象台站(包括长春、临江、前郭尔罗斯、四平和延吉)的气象数据计算出1996—2008年每一天的林火天气指标，将结果按照IFW值的大小降序排列，取前3%处作为极高火险等级的最低值，继而计算出各个等级分界处的IFW值，获得吉林省的FWI火险等级分级范围。

式中:S表示S－等级下的IFW值;I表示I－等级值。

3 结果分析与验证

3.1 FWI指标与林火发生次数的关系

吉林省规定3—6月份是春防期，9—11月份是秋防期，中间的7、8月份由于降水较多，不易发生森林火灾。对1996—2008年吉林省发生的林火进行统计，也能很明显地反应出4、5、10月份是吉林省的火灾高发期。表1就是利用5个国际台站气象数据计算出1996—2008年每一天的林火天气指标，得到每个指标在每个月的平均值。计算得出IFW、CFFM、CDM、IIS和IBU的月平均值与每月林火实际发生次数的相关系数在0.05水平上分别是0.73、0.72、0.60、0.87和0.38。虽然达不到显著相关，但IFW、CFFM和IIS这3个主要指标与之相关系数都达到0.7以上，也说明具有较大的相关性，可见FWI系统中的各项指标能够比较好地反映吉林省火灾发生情况。

表1 1996—2008年每月发生林火次数及CFFM、IIS、IFW平均值

3.2 FWI分级范围

按照研究方法所述计算得出吉林省林火天气指标的分级范围(表2)，将所有吉林省内气象台站1996—2008年火险期内每一天林火天气指标分别按照计算得出的分级范围和加拿大森林火险等级系统(CFFDRS)中的分级范围划分火险等级，并统计各等级的频率。两者相比较，在计算出的吉林省值域中，低等级火险天数占54.03%，普通等级天数占19.24%，高、很高、极高等级火险分别占火险期天数的14.64%、8.25%、3.83%，比按照CFFDRS值域得出的结果更符合火险等级的一般分布情况，说明按本研究方法得到的分级范围应用在吉林省更加合理。

表2 FWI各等级值域及吉林省1996—2008年各等级频率

3.3 FWI火险等级与林火发生次数的关系

将1996—2008年吉林省林火历史资料中的日期和地点与气象数据关联，得到每次林火发生当日的FWI火险等级，按两种等级划分方法对各等级发生林火次数进行统计，结果见表3。可知，按本研究方法划分火险等级，63.4%的林火是在火险等级高以上情况下发生的，14.1%的林火发生在火险等级低的时候。按CFFDRS的分级方法划分的话，则是56.69%的林火在火险等级高以上情况下发生，18.09%的林火发生在火险等级低的时候。正常情况下，火险等级越高，发生林火的可能性也就越高，所以两者相对比，显然是研究所得的火险等级范围更加合理。再根据各等级林火发生次数和实际各等级天数，算出各等级下发生林火的条件概率。由表)4可见随着火险等级的升高，发生林火的概率也随之增高。以吉林省为一个整体，如果当天全省平均火险等级为极高，则在全省的某个地区发生林火的概率高达50.85%。因此也从另外一个角度验证了研究得出的火险等级分级方法是合理可行的。

表3 2种等级划分法对各等级发生林火情况统计

表4 林火发生条件概率

4 结论与讨论

通过过往实测气象数据计算得到IFW值，与林火历史数据进行比对分析，说明FWI系统能够比较好地反映出吉林省的林火发生情况。按研究方法所述得到吉林省火险天气等级分级范围，即以 IFW值4.1、8.4、15.2、25.9 为界，将火险天气等级划分为低、普通、高、很高和极高5个等级。通过林火历史资料的验证和与原系统分级范围比较后，用该方法划分出的火险等级能够更加准确地描述当日林火发生可能性，此分级方法在其他地区应用FWI系统时可推广采用。

在本研究中也有一些问题值得讨论，例如经统计有99次林火发生在低火险日，但并不能因此就说这个分级方法不准确。首先，任何火险等级预报都不可能绝对精确，FWI系统只是通过计算气象因子来估计林火在当日发生的概率。在低火险日，如果人为失误或者纵火也可能诱发森林火灾，毕竟接近一半的林火是人为因素引起的;而在高火险日，由于防火工作的重视，反倒不容易发生。其次，大多数林火发生在下午或其他不同时间，而计算IFW所用的则是每日中午所测气象要素，这也可能导致最终结果出现小小的误差。最后，诸如气象台站密度过低而导致数据不够精确等因素也会影响到火险等级划分的结果。因此，在此分级方法下将系统试运行一段时间，并做一些更加细致和深入的研究，将FWI的其他指标和火险形势、火行为指标建立联系，将会使该系统更加适用于吉林省乃至全国各地的防火工作。

［1］赵凤君，舒立福，田晓瑞，等.森林火险中长期预测预报研究进展［J］.世界林业研究，2007，20(2):55－58.

［2］田晓瑞，McRae D J，张有慧.森林火险等级预报系统评述［J］.世界林业研究，2006，19(2):41－46.

［3］孙玉成，马洪伟，王秀国，等.加拿大火险天气指标(FWI)计算的初始化方法和解释［J］.森林防火，2003(4):12－13.

［4］赵凤君，舒立福，田晓瑞，等.1957—2007年云南省森林火险变化［J］.生态学杂志，2009，28(11):2333－2338.

［5］王会研，李亮，刘一，等.加拿大火险天气指标系统在塔河林业局的适用性［J］.东北林业大学学报，2008，36(11):45－47.

［6］吉林省林业厅.吉林省林业概况(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］邸雪颖，王宏良，姚树人，等.林火预测预报［M］.哈尔滨:东北林业大学出版社，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.林火原理和林火预报［M］.北京:气象出版社，1991.