闽北林区森林火险等级中期预测方法

邱泉成，曹李兴，曹顶富，郑清明

（1福建省顺昌县气象局，福建 顺昌 353200；2福建省建瓯市气象局，福建 建瓯 353100）

顺昌县位于福建省闽北林区腹地，地理坐标为东经 117°30′～118°14′, 北纬 26°39′～27°12′，属于亚热带海洋季风气候，雨量充沛，干季湿季分明，森林资源丰富，森林覆盖率达73.4%，森林火灾每年都有发生。森林火灾是危害森林资源的大敌，被认为是当今世界最严重的自然灾害之一，能够在较短的时间内使大片森林化为灰烬。森林火灾发生后森林更新周期长，其损失难以估量。闽北山区森林资源存在着火灾隐患的严重威胁，是危害森林资源的突出问题之一。森林火灾的发生和蔓延与气象因子相关联，这是森林火灾发生中的一个事实。但森林着火度与怎样的气象因子关系密切，气象因子达到怎样的指标森林火险天气等级高，从而容易着火，是值得长期关注和研究的问题。从本质上说，任何植物性的材料都是可燃的，但在实践中由于天气情况的差异，造成森林着火性和燃烧性有较大的区别。因此，研究森林火灾发生规律与气象条件的关系，找出气象因子对森林着火性的影响，建立山区森林火险等级中期预测方法[1～5]，并对林区作出森林火险等级中期预报，为林区农业气象防灾减灾服务，有实际应用价值。

1 资料与方法

1.1 资料

森林火灾资料，由顺昌县森林防火指挥部提供的1983-2009年的林火资料；气象资料，顺昌县气象局提供的1983-2009年逐日有关气象监测资料。

1.2 森林火灾分布特征

森林火灾发生与地表植被物的水分有密切关系，地表湿润程度与年内降水量的气候分布有关，每年9月至翌年4月主要受西北干季风的影响，空气干燥，湿度小、蒸发大、降水少、月平均降水量84 mm，11月至翌年2月是冬干季明显季节，月平均降水量45 mm，且分布不均，常常是整个月无降水，甚至更长时间，这一时期大部分植物停止生长，进入休眠期，若遇连续干旱植物体内含水率低，地表植被物干燥，容易发生森林火灾。通过1983-2009年顺昌县森林火灾资料统计分析，在此期间发生森林火灾的有262天，363起，其中1～4月和9～12月发生森林火灾的有242天，343起，分别占林火总天数和总次数的92.4%和94.5%。5～8月主要受西南暖湿气流影响，月平均降水量213 mm，地表植被物湿润，同时植物处在旺盛生长时期，植物体内含水率高，不易引起森林火灾。1983-2009年5～8月仅发生森林火灾的有20天20起，分别占林火总天数和总次数的7.6%和5.5%，其中5月2天2起，6月未发生过森林火灾，7月6天6起，8月12次火灾中有3次是发生在2003年8月大干旱期间，另外有3次是雷击火,2次是电线起火。因此，我们将每年9月到次年4月定为本县森林防火期。在防火期内大部分森林火灾又发生在11月到次年3月，1983-2009年1～3月和11～12月发生林火的有202天，301起，分别占森林防火期天数和次数的83.5%和86.9%。这主要与冬季植被干燥，农业开垦种植，人类活动频繁有密切关系。为此，将11月到翌年3月定为本县重点森林防火期，这与本县气候区分中的秋冬干季相吻合。

1.3 森林火灾发生与气象条件关系

通过杨美和等的研究结果发现森林火灾的发生，与当地当日气象因子呈非线性相关关系[6]。其中降水量、相对湿度与着火危险度呈指数函数递减。蒸发量、气温日较差与着火危险度呈幂函数递增。我们对1983-2008年1～4月和9～12月森林防火期内森林火灾发生的数据，选取相对应的相关较好的气象因子降水量、相对湿度、气温日较差、蒸发量进行平行分析，采用气象资料6299天，森林火灾242天，343起的大样本资料研究我县森林火灾与气象因子间的关系，结果表明森林火灾发生的频率与连续无降水日数、14时相对湿度、日蒸发量、气温日较差关系密切。

风向风速与森林火灾的发生关系不十分密切，但对火灾的蔓延有着密切的关系。风能加速可燃物的水分蒸发，使其干燥，又可使空气流通加快，补充火场氧气使火烧得更旺，对火势蔓延速度加快，使地面火变为树冠火，有时还可使隐火复燃成明火。

1.4 森林火险等级的计算

据李兆明等研制森林火险天气的数学模式[7]，对降水量级编码、14时相对湿度、日蒸发量、气温日较差进行相关关系分析（表1）。

从表1可知，我县森林火灾的发生与降水量级编码、14时相对湿度、气温日较差、日蒸发量有较好的相关关系,是影响我县森林火险天气等级的主要因子。结合本站气象因子变化特征对森林火险天气的数学模式进行相关修正，其数学表达式为:

式中：Y为森林火险天气等级指数，是森林火险等级综合指标；RA为降水量等级编码；U为14时相对湿度；L为日蒸发量；△T为温度日较差。

RA降水量等级编码规定：

式中：R（-1，0）为当日降水量级R0（表2a）和前一日降水量级R-1的降水编码组合参数（表2b）。A值为前期（-2～-7天）日雨量＜2.0 mm的连晴天气参数（表2c）。

表1 森林火灾的发生与气象因子相关关系

表2a 当日降水量级参数

表2b 当日与前一日降水编码组合参数

表2c 前期（-2～-7天）日雨量＜2.0 mm的连晴天数编码参数

1.5 森林火险等级的确定

森林火险指数的计算，按（1）式计算1983-2008年1～4月和9～12月逐日共6299个样本数的森林火险指数Y值，根据Y值按森林火灾发生情况划分森林火险天气等级（表3）。

用本县1983-2008年1～4月和9～12月逐日气象资料计算的Y值，根据表3划分的森林火险天气等级来确定每天的森林火险天气等级。在6299个样本中，森林火险等级1～2级共有2455天，发生林火2天，占林火总数0.9%，林火发生可能性0.1%；3～5级共有3874天，发生林火233天，占林火总数99.1%，林火发生可能6.1%，其中3级共有978天，发生林火7天，占林火总数3.0%，林火发生可能性0.7%，4级共有1041天，发生林火36天，占林火总数15.3%，林火发生可能性3.5%，5级共有1855天，发生林火190天，占林火总数80.9%，林火发生可能性10.2%。顺昌县绝大多数森林火灾都发生在森林火险等级4～5级。2009年的森林火灾资料和气象资料留着试报用。

1.6 森林火险等级中期预报方法

运用数值预报产品，首先查看未来3～5天欧洲500百帕流场及风场预报，9～10月查看未来3～5天有无强副高控制或东亚槽与台风活动型，11月到翌年4月查看未来3～5天有无东亚大槽活动。基本上能够定性地了解未来3～5天的森林火险等级。

表3 Y值划分森林火险天气等级

降水量等级编码RA值用数值预报产品“天气在线”未来3～5天晴雨预报结合顺昌县气象站（以下简称本站）16时发布的未来3～5天降水量级预报及本站前期降水情况计算出RA值。

气温日较差△T值用数值预报产品“天气在线”未来3～5天最高气温、最低气温预报算出气温日较差△T值，并加以修正，由数值预报的系统性误差,用预报发布日最高气温、最低气温的误差值修正到预报日的气温日较差。

相对湿度U值用南平市气象局研制的《网上数值预报产品Ncep资料下载与显示》读取未来3～5天14时相对湿度U值。

根据大样本资料统计表明，日蒸发量与14时的温度露点差有密切相关关系，它们的相关系数是0.821，按月份建立日蒸发量L与14时温度露点差（T14-Td14）线性回归方程式（表 4）。

日蒸发量L值用T639数值预报产品读取未来3～5天温度露点差,根据不同月份读取的温度露点差值代入表4相应月份的L方程得出预报日的蒸发量L。

表4 1～4月，9～12月各月求算L值的方程

综合（1）式和表 4表明 Y 值取决于 RA（即 R（-1，0）和 A）、T、U、L，而 L值可以由 14时温度露点差（T14-Td14）定出，于是只要预测出RA、△T、U和（T14-Td14），就可以计算确定Y值，根据Y值确定森林火险等级。

2 结果与分析

2.1 森林火灾发生日的气象因子分析

通过对1983-2008年1～4月和9～12月26年235天森林火灾发生日14时相对湿度、日蒸发量、温度日较差、降水量等级编码等4项气象因子和森林火险综合指数进行分析。

（1）14时相对湿度。当14时相对湿度U＞79%时没有发生过森林火灾，有95.7%的林火天数发生在14时相对湿度U≤60%的天气条件下,有89.8%的林火天数发生在14时相对湿度U≤55%的天气条件下。

（2）日蒸发量。当日蒸发量L＜1.0 mm时没有发生过森林火灾，有97.9%的林火天数发生在日蒸发量L≥1.5 mm的天气条件下，有90.6%的林火天数发生在日蒸发量L≥2.0 mm的天气条件下。

（3）温度日较差。当温度日较差△T＜3.5℃时没有发生过森林火灾，有95.7%的林火天数发生在温度日较差△T≥7.0℃的天气条件下，有90.6%的林火天数发生在温度日较差△T≥9.0℃的天气条件下。

（4）降水量等级编码。当降水量等级编码RA＞0时没有发生过森林火灾，有96.6%的林火天数发生在降水量等级编码RA≤-1的天气条件下，有86.0%的林火天数发生在降水量等级编码RA≤-3的天气条件下。

（5）森林火险等级综合指标。当森林火险等级综合指标值Y＜7.40时没有发生过森林火灾，有99.1%的林火天数发生在森林火险等级综合指标值Y≥8.00的天气条件下，有96.2%的林火天数发生在森林火险等级综合指标值Y≥10.00的天气条件下。

2.2 2009年试报检验

对2009年1～4月和9～12月逐日242个实例求取的未来第3天森林火险等级试报与实况森林火险天气等级进行检验，其逐日森林火险天气等级试报与实况的二级误差率为8.3%，各月二级误差率见表5。

表5 2009年1～4月，9～12月各月预报与实况二级误差率

2009年1～4月和9～12月森林火险等级试报过程中，用本方法求算试报的森林火险等级为3～5级的共有142天，发生林火7天，占林火总数100%，林火发生可能4.9%。其中3级共有41天，没有发生林火，4级共有52天，发生林火1天，占林火总数14.3%，林火发生可能性1.9%；5级共有49天，发生林火6天，占林火总数85.7%，林火发生可能性12.2%。可见，2009年防火期内发生林火7天，有1天发生在森林火险等级预报值为4级，有6天发生在森林火险等级预报值为5级的天气情况下，试报效果较好。

2.3 2010年实际业务应用检验

对2010年1～4月和9～12月逐日242个实例求取的未来第3天森林火险等级预报与实况森林火险等级进行检验，其逐日森林火险天气等级预报与实况的二级误差率为5.0%。各月二级误差率见表6。

2010年1～4月和9～12月森林火险等级中期预报在业务使用中，用本方法求算的火险等级为3～5级的共有84天，其中3级的有30天，42010年森林火灾大大减少，减少率为80%。

2.4 森林火险等级中期预报系统

每天做3～5天森林火险等级中期预报，应用（1）式和表4计算，还是比较麻烦，在实际业务中为了减少工作量，根据温度、降水综合预报结论，使用计算机编制森林火险等级中期预报系统。本系统业务流程操作简单（图1），使用简便，只要在计算机上分别输入 3～5 天的 TG、TD、A、R（-1，0）值，就可输出打印Y值，森林火险等级Q，得出森林火险等级预报结果。级的有48天，5级的有37天。仅发生林火事件1天1起，出现在2010年3月23日，该日森林火险等级中期预报和实况值均为5级，可见本预报方法做出的森林火险等级中期预报，能给我县的护林防火工作提供有实际意义的信息。森林防火工作部门，增加使用了森林火险等级中期预报信息，有足够的时间采取有效措施进行防御，从而使

图1 系统操作流程

表6 2010年1～4月，9～12月各月预报与实况二级误差率

3 结语

（1）通过分析和检验，顺昌县森林火灾的发生，其着火危险度与相对湿度、蒸发量、温度日较差和降水量有密切的关系。

（2）应用本预报方法结合数值天气预报产品制作未来3～5天逐日森林火险等级预报，可进一步提高森林火险中期预报的准确性和实用性。在防御中，与森林火险短期预报相比有更充分的时间进行预防，使防御工作更到位。在2009年试报和2010年业务应用中取得较好的效果，其二级误差率均低于10%。

（3）本预报方法有一定的推广应用价值，在闽北林区乃至南方林区只要找出各地气象因子差异的相关系数，即可使用本预报方法。

（4）本项目的预报因子依托于中期数值天气预报产品，显然当中期数值天气预报产品产生系统性误差时，则中期森林火险等级预测也将产生误差。

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