云南松林飞火形成的火环境研究

王秋华， 徐盛基， 李世友， 瞿海斌， 万 春， 文灿明， 张晓明

（1. 西南林业大学 土木工程学院 云南省森林灾害预警与控制重点实验室， 云南 昆明650224； 2. 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室， 安徽 合肥230026； 3. 国家林业局 西南航空护林总站， 云南 昆明650021）

飞火是高能量火中最复杂、 最危险的现象， 是在燃烧过程中， 由火焰热对流带出的未燃尽的木屑、炭块等散布在火区外形成新的火点现象［1］。 有人把飞火看成是除了传导、 对流和辐射之外的第4 种热量传递的方式［2］。 云南松Pinus yunnanensis 林又称“飞松”或“青松”林， 是中国西南地区的一个特有、 广布森林类型， 是云贵高原的主要针叶树种， 是地带性植被的主要建群种， 也是云南的主要森林类型。 云南松林区是森林火灾最严重地区之一， 受害面积约占云南全省的70%以上， 四川全省的80%［3］。 火环境指气象条件、 天气形势以及地形地势， 这些因素与火源、 可燃物互为环境条件［4－5］， 是影响或改变火的初起、 蔓延及火行为的可燃物、 地形和气象因素的综合体［6］。 现有研究主要集中于大兴安岭地下火、 山地偃松林、 呼中林区雷击火发生的火环境［7－9］， 境外火的火环境［10］， 以及云南松林飞火的初步研究［11－12］。 研究方法主要有炭屑法［13］、 气象资料及气象模型［14］、 BP 神经网络法等［15］。 飞火的出现给火头前方和火区外围增加了新的火源［16］， 使扑救森林火灾更困难、 更危险。 本研究通过2006 年“3·29”重大森林火灾典型案例， 分析云南省安宁市1971－2000 年30 a 的气象资料、 基础地形数据， 并调查火烧迹地， 研究云南松林飞火形成的火环境， 从而揭示飞火形成的基础属性， 为安全扑火提供指导。

1 研究地概况

安宁市隶属于昆明市， 24°31′～25°06′N， 102°10′～102°37′E， 南北长66.5 km， 东西宽46.4 km， 总面积1 321 km2。 境内山脉主要为南北走向， 为乌蒙山系。 属北亚热带湿润低纬度高原山地季风气候，受西南季风影响， 冬无严寒， 夏无酷暑， 四季如春， 干湿季分明［17］。 年平均气温为14.0～17.0 ℃， ≥10 ℃的年活动积温为4 566.4 ℃。 年平均日照时数为2 054.0 h， 年平均雾天数为54 d， 有霜天数64 d； 年平均降水量为900.7 mm， 其中， 下半年786.6 mm， 约为全年的87.3%。 防火期长达6～7 个月。

现有植被多为次生或人工植被, 主要森林植被类型有半湿润常绿阔叶林、 暖温性针叶林、 暖温性灌木林等3 种， 其中云南松林分布最广。 现有森林面积5.1 万hm2， 森林覆盖率为38.5%， 主要树种有云南松， 华山松Pinus armandii， 云南油杉Keteleeria evelynian， 地盘松Pinus yunnanensis var. pygmaea， 旱冬瓜Alnus nepalensis， 栓皮栎Quercus variabilis， 云南樟Cinnamanum glanduliferum， 元江栲Castanopsis orthacanth； 灌木主要有南烛Lyonia ovalifoli， 光叶石栎Lithocarpus maire， 大白花杜鹃Rhododendron decorum， 大树杨梅Myrica esculenta 等。

安宁市发生的重大森林火灾较多， 如1986 年“3·28”重大森林火灾， 1995 年“4·17”重大森林火灾，造成的损失都特别大。 尤其是2006 年“3·29”重大森林火灾， 北线火场由于产生飞火， 从正北处隔离带突破形成新的火点， 过火面积达到了1 695.4 hm2［18］。

2 研究方法

2.1 历史资料法

通过查阅历史资料， 包括森林防火部门的历史档案、 中国森林火灾典型案例库的资料， 特别是安宁市“3·29” 重大森林火灾扑救全过程的录像、 文字资料， 访问扑救火灾中云南松林飞火的亲历者， 记录飞火的相关性状。

2.2 火烧迹地调查

多次实地调查安宁市“3·29” 重大森林火灾火烧迹地， 详细掌握云南松林发生飞火的地形、 地貌特征（坡度、 坡向、 坡位）以及可燃物、 植被特征等， 分析飞火形成的最有利地形特征。

2.3 气象资料收集、 分析

通过昆明市气象局获得安宁市1971-2000 年30 a 的气象资料， 用SPSS 16.0 统计， Excel 2003 作图， 得到30 a 的平均气温、 平均相对湿度、 平均风速、 最大平均风速、 平均大风日数、 平均降水量和蒸发量等， 并对气象资料进行整理、 分析， 结合“3·29”重大森林火灾飞火发生的气象资料， 得到云南松林飞火发生的气象因素特征。

3 结果与讨论

3.1 气象条件

3.1.1 气温 气温与林火发生十分密切， 直接影响空气相对湿度和可燃物含水率的变化。 气温升高， 相对湿度变小， 可燃物自身的温度也提高， 使达到燃点所需热量大大减少。 30 a 资料（图1）表明： 3 月份开始气温逐渐回升， 达到13.2 ℃， 并且升温很明显， 比2 月升高了3.3 ℃， 为干季的次高温月份 （云南从当年11 月至翌年4 月为干季， 降水量仅占全年的15%）。

3.1.2 相对湿度 相对湿度40%是临界值。 低于40%， 细小可燃物容易燃烧， 火的强度基本保持不变，当小于20%时， 常使细小可燃物猛烈燃烧， 并产生飞火［19］。 超过40%时， 火的蔓延速度将显著降低， 直立的木质可燃物极不容易点燃， 产生飞火的可能性很少， 但大于55%时， 飞火火源不能使周围的可燃物燃烧。 1971－2000 年30 a 里3 月份的平均相对湿度为1 年中最低， 为58%， 最小相对湿度也是全年最低， 为3%（图2）。 表明林区植被异常干旱， 极易发生森林火灾， 火灾发生后燃烧迅猛， 扑救困难。

图1 安宁市30 a 平均气温图Figure 1 Average temperature from 1971 to 2000 in Anning

图2 安宁市30 a 平均相对湿度和最小相对湿度Figure 2 Average relative humidity and minimal relative humidity from 1971 to 2000 in Anning

3.1.3 风 风因子很大程度上决定了林火蔓延速度。 由于安宁市地形复杂， 大气候对林火蔓延的影响较小， 小气候反而影响较大。 当风速大于8.9 m·min－1时， 燃烧的滚草、 可燃物碎屑等被卷起， 形成飞火。飞火距离随风速和火焰高度的增大而增大， 随树高的增大反而减小［20］。 飞火的出现与可燃物类型、 火强度、 近地层风的状况等密切相关， 因为可燃物的形状决定了空气动力学特性， 导致在空中漂移的距离不同［21］。 1971－2000 年30 a 里平均最大风速、 平均风速3 月份都为最大（图3）， 分别为29.0 m·min－1和16.3 m·min－1， 分别相当于暴风和7 级的疾风。 3 月份的平均大风日数也是全年最多的（图4）， 达到了22 d·a－1， 这都非常有利于飞火的蔓延、 传播。 安宁“3·29” 重大森林火灾火场风非常大， 最高瞬时风速达31.0 m·min－1， 且风向多变， 特别是受火场小气候影响， 风无定向导致火无定势， 已控制的火场内频繁发生飞火， 飞火最远距离达1 000 m， 多次突破防火隔离带引发新火点， 给扑救和围堵工作增加了很大难度。

图3 安宁市30 a 平均风速和最大平均风速Figure 3 Average wind speed and maximal average wind speed from 1971 to 2000 in Anning

图4 安宁市30 a 平均大风日数Figure 4 Average large wind days from 1971 to 2000 in Anning

3.1.4 降水和蒸发 3 月降水量少， 不足20.0 mm； 而蒸发量大， 为全年第2 位， 达到了263.0 mm（图5）， 仅比4 月（全年最大蒸发量）少19.8 mm， 表明3－4 月该地区比较干燥。 同时， 由于安宁市次生林、 灌木林等植被多， 加上飞播林和密集的灌木林集中分布， 因此安宁是云南森林火灾的高发区， 并且重大森林火灾时有发生。

图5 安宁市30 a 平均月降水量和蒸发量Figure 5 Average precipitation and evaporation from 1971 to 2000 in Anning

3.1.5 干旱 飞火的发生与长期干旱天气密切相关。 干旱首先使深层可燃物及重型可燃物变干， 大大增加有效可燃物量， 增加燃烧速度； 其次， 促使植被过早成熟，树木和灌木顶部枯萎， 增加了有效可燃物量； 最后， 干旱使已腐朽可燃物的含水量降到最低程度， 增加飞火的着火概率， 使飞火更严重持久［1］。 云南1－3 月干旱最严重， 平均每年有约2 /3 的土地受旱［22］。 越是干旱的月份， 森林火灾越多， 并且越严重。 1980－1999 年20 a 间， 安宁市共出现8 次干旱， 1995 年的干旱， 从3 月1 日至4 月30 日长达61 d， 2 个月降水仅为5.6 mm， 持续干旱高温干燥的天气， 直接诱发了4 月17 日的县街乡的重大森林火灾［23］。

3.2 地形条件

安宁地形呈东南高、 西北低， 有八街、 连然、 禄脿3 个山间盆地， 其余为山区半山区。 市内西南部黑风洞为全市最高点， 海拔2 618 m， 最低点在草铺镇王家滩村委会红河流域扒河出安宁的鲁家山河谷、 海拔1 690 m。 主要地貌类型有螳螂川侵蚀地貌， 八街中山丘陵侵蚀谷盆地貌， 构造地貌和中山浅切割“V” 型谷盆地貌以及新生界地层。

相对高差在200～1 000 m 的中低山面积占了总面积的60.7%， 主要特征是山高坡陡（表1）。 这样的地表形势会影响太阳辐射、 气温、 风和降水等因子， 对天气、 气候、 植被以及森林火灾都有重要的影响。 “3·29” 重大森林火灾火场地形复杂、 破碎， 海拔为1 880～2 500 m， 相对高差620 m， 平均坡度为25°， 主体火场的坡度多在60°以上［18］。 当坡度较大时， 上山火的蔓延形态呈跳跃式发展易， 产生飞火，形成新的火场［14］。 强大的对流柱如果倾斜， 被卷扬起来的燃烧物， 在风力和重力的作用下， 作抛物线运动， 当火线强度超过300～500 kW·m－1时， 也会产生飞火［24－26］。

表1 安宁市地貌类型面积分布特征Table 1 Characteristics of landforms proportion of Anning City

3.3 可燃物

调查表明： 云南松林发生飞火的可燃物主要是球果， 特别是部分腐朽的球果。 云南松球果近似圆柱形， 单个松果特征见表2。 在“3·29” 森林大火的蔓延区域， 植被覆盖指数大于60% ， 可燃物载量超过10 kg·m－2， 云南松林与地盘松和栎类灌木混交， 林木密度大， 集中连片， 火灾发生后， 燃烧强度大。 在所测定的100 个云南松球果中， 球果接近圆柱形， 其直径为3.0～8.0 cm， 平均为5.1 cm； 长度为3.5～9.0 cm， 平均为5.4 cm； 含水率为2.78%～13.28%， 平均为10.45%。

表2 云南松单个球果特征Table 2 Characteristics of one cone of Pinus yunnanensis

4 结论与讨论

结合安宁2006 年“3·29” 重大森林火灾典型案例， 经过分析1971－2000 年30 a 气象资料以及基础地形数据并实地调查火烧迹地， 云南松林飞火形成的火环境很复杂， 影响因素很多。 首先， 气象因素非常有利于形成飞火： 云南松林区的干季， 特别是3 月份， 气温逐渐上升， 平均相对湿度、 最小相对湿度分别达到最小值， 分别为53%和3%， 降水量为18.2 mm， 但蒸发量高达263.0 mm， 非常干燥； 最大平均风速、 平均风速、 大风日数都达到1 年中最大， 分别为29.0 m·min－1， 16.3 m·min－1和16.3 d， 一旦发生森林火灾， 有利于火的蔓延， 很容易产生飞火。 其次， 地形、 地势有利于飞火的产生： 全市相对高差为200～1 000 m 的面积占了总面积的60.7%， 特征是山高坡陡， 有利于飞火的产生、 传播。 其他因素： 云南松林区干、 湿季分明， 特别是干季气候干暖， 少雨， 此时又正是云南松及其林下灌丛、 草本的休眠期， 可燃物非常丰富， 特别是稍腐朽的球果， 燃烧性较强， 很可能发生飞火。

火环境是多因素的综合体， 如何运用数学的方法来进行综合表达并进行量化比较， 需要继续深入研究。 可燃物是森林火灾的物质基础， 在研究火环境的同时， 也要更深入的研究可燃物的相关属性。 本研究只研究了重大森林火灾多发区的云南松林飞火形成的火环境， 以后还应继续研究其他非典型地区云南松林发生过飞火的火环境， 从而更透彻地把握飞火的形成， 为森林火灾的预防与扑救提供科学的依据。

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