陕西森林火灾重灾年与太阳活动、南方涛动异常变化的关系研究

沈姣姣，李建科，张宏芳，谢金涛，曹岳

（1.陕西省气象服务中心，陕西西安 710014；2.克拉玛依市气象局，新疆克拉玛依 834000；3.陕西省森林防火指挥部办公室，陕西西安 710082）

陕西森林火灾重灾年与太阳活动、南方涛动异常变化的关系研究

沈姣姣1，李建科1，张宏芳1，谢金涛2，曹岳3

（1.陕西省气象服务中心，陕西西安 710014；2.克拉玛依市气象局，新疆克拉玛依 834000；3.陕西省森林防火指挥部办公室，陕西西安 710082）

根据陕西省1954—2013年的森林火灾统计数据和1951—2013年南方涛动指数（SOI）、太阳黑子数逐月观测数据，采用异常度分析技术，研究了森林火灾重灾年当年及前后各3 a逐月南方涛动指数（SOI）异常变化规律及同期太阳活动特点。研究发现，陕西省森林火灾重灾时段以关键年前3 a至关键年当年SOI指数持续负值为前提条件，并在前1年8月逐渐增大，若同时太阳黑子活动处于谷期或者谷期极小值向较大值转变的时期，可预测未来一段时间内陕西可能处于森林火灾高火险时段，这一结果可为当地森林火灾重灾年的预测和森林火灾防控物资的调度提供参考。

森林火灾；重灾年；异常度；南方涛动指数；太阳活动

森林火灾的发生需要一定的气象条件、可燃物和火源，其中气象条件是引发森林火灾的关键因素，与林火的发生和蔓延有直接的关系[1]。空气湿度可以影响可燃物的含水量，进而影响着火点，对森林火灾的发生具有决定性的作用[2-3]。一般情况下，相对湿度>75%时不会发生林火，75%～55%可能发生林火，<55%容易发生林火，<30%时可能发生特大火灾[4]。风可以加速可燃物的水分蒸发，促使空气流畅，一旦出现火源，就会发生“火借风势，风助火威”的局面。当风速<2 m/s时易着火，风速>2 m/s时易蔓延[1]。气温升高可以使可燃物温度升高，易燃性增加[4]，宜春市80.7%的森林火灾发生在当天平均气温>5℃的天气，96.0%的森林火灾发生在当天最高气温>10℃的天气[5]。森林火灾的发生是各种气象因子综合作用的结果，如1987年5月大兴安岭发生特大森林火灾，前期干旱、少雨及5月上旬气温偏高，是导致此次火灾的气候背景，强冷锋过境而出现的大风，是使火场蔓延的关键因素[6]。

全球气候系统的变化会引起区域气候要素（特别是气温与降水）时空分布异常，厄尔尼诺现象导致全球性的气候异常，使许多地区出现一系列气温升高和气候干旱[7]。朱炳瑗等认为，厄尔尼诺通过与西太平洋副热带高压的南北位置摆动相联系，影响水汽输送，进而影响甘肃地区的降水变化[8]。袁媛等认为，厄尔尼诺是导致我国南方冬季降水偏多的重要外强迫因子，厄尔尼诺冷/暖位相对我国南方冬季降水的影响存在非对称性[9]。赵振国等分析发现，厄尔尼诺年的春夏季我国温度容易偏冷，秋冬季至次年春季偏暖的可能性大[10-11]。厄尔尼诺期间，新疆降水保持偏多趋势，偏多时段长度达15个月左右[12]，而对气温的影响因地区和季节而异[13-14]。

气候系统外强迫因素（海气耦合、太阳活动等）变化与区域范围内的森林火灾有一定关联。自20世纪90年代以来，随着全球变暖，厄尔尼诺现象变得极为频繁，强度也明显增大，在多重因素影响下世界范围的森林火灾次数之多，毁林面积之大，经济损失之重都是很罕见的[15]。有研究发现，厄尔尼诺现象与森林火灾密切相关，特别是与1.0×106hm2以上的森林火灾显著相关[16]。王述洋等研究认为，黑龙江林区的森林火灾重灾年多发生在厄尔尼诺年或次年和南方涛动指数（SOI）持续负值期，且SOI绝对值越大，灾情愈重[17]。厄尔尼诺对森林火灾的强化作用可能是由于厄尔尼诺期间正常纬向环流受阻，正常路径被破坏的二次效应[18-20]。研究表明，森林火灾年际活动与厄尔尼诺间的遥相关关系在各地区并不完全相同[21]。另有研究表明[17]，太阳黑子活动的谷年或次年，黑龙江地区发生森林火灾重灾年的可能性极大，年过火林地总面积及每年平均每次森林火灾过火林地面积皆与当年太阳黑子相对数年平均值呈负相关。

森林火灾作为一种自然灾害是自然与人类活动共同影响的结果[22]。目前国内关于气候系统外强迫因素变化与区域范围内森林火灾的相关研究多集中在东北一带，是否与陕西地区森林火灾之间存在关联需要进一步研究探讨。本文拟通过对陕西省森林火灾重灾年与太阳活动、南方涛动指数（SOI）异常变化的关系进行分析，探索气候系统外强迫因素变化对陕西省森林火灾的影响规律，为当地森林火灾高火险时段的前期预测和防火减灾工作提供有力的技术支持。

1 数据来源及分析方法

1.1 数据来源

陕西省地处我国西北内陆的中纬度地区，地处105°29′～111°15′E和31°42′～39°35′N之间，属大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，春暖干燥，秋凉湿润。陕西省现有森林面积7.675 6×106hm2，森林覆盖率37.26%，省内森林主要分布在秦岭、巴山、关山一带，由于自然、社会、火源管理等方面的问题，森林火灾发生比较频繁，火灾损失严重。

森林火灾数据包括火灾次数和受害森林面积，来源于陕西省森林防火指挥部办公室提供的1954—2013年陕西省森林火灾数据（1967—1972年无数据）。1951—2013年太阳黑子数和南方涛动指数（SOI）由中国气象局国家气候中心气候系统诊断预测室提供。

1.2 分析方法

森林火灾重灾年是大空间尺度范围内森林火灾致灾潜力年际变化过程中间歇出现的一种具有高致灾潜力的年份，这种年份约占历史年数的25%～ 30%，但所造成的损失高达历史森林火灾总损失的80%～90%[17]。采用异常度分析法计算森林火灾重灾年当年各月及前后各3年逐月SOI异常度指数。异常度分析法是探测重大自然灾害现象及其可能原因的有效方法[23]，王述洋等也多次将其应用于森林火灾的研究中[17，19]。

1.2.1 关键年选择

选取受害森林火灾面积（hm2）和森林火灾严重度[hm2/a·次）]均超过其多年平均值的突出年份为关键年（图1），用z标记，并控制所选的关键年总数4≤m≤1/3统计年数（n），经综合判断确定出关键年为1960，1978，1980和1995年。

图1 陕西省森林火灾受害森林面积与森林火灾严重度

1.2.2 异常度求算

设欲研究的某一环境因子X～N（a，s2），其时间序列为X={x1，x2……xi，xn}，则该因子在关键年（z）的异常度Qz由式（1）计算（关键年前1年、前2年、前3年和后1年、后2年、后3年的异常度计算以此类推）：

式中，Qz为关键年的异常度指数；?z表示关键年的样本均值；?为该因子多年均值；e为标准误差。具体求法如下：

式中，n为统计年数，m为关键年数，s为因子时间序列值的标准差。运用公式（1）分别计算关键年和关键年前后3年的异常度值，若|Q|≥1.5或2.0，说明该统计值是有意义的，信度分别可达93%和97%。

2 结果分析

2.1 森林火灾对太阳活动的响应

从陕西省森林火灾对太阳活动的响应曲线来看（图2），除20世纪50年代以外，陕西省森林火灾受害面积较严重的年份多与太阳黑子活动的谷期或谷期极小值向较大值转变的时期相对应。在20世纪80年代中后期（1984—1987年），陕西省森林火灾次数并不是最多的年份，但是受害森林面积达到3980 hm2，此时正处于太阳黑子数由偏少（1985年）转向偏多的转折期（1986—1990年）；而太阳活动峰期多与森林火灾偏弱时期对应，如1990年、2001年和2012年处于太阳活动较强时期，对应着陕西森林火灾面积异常偏少。

图2 陕西省森林火灾对太阳活动的响应

2.2 森林火灾对SOI异常变化的响应

运用异常度方法分析了SOI异常变化对陕西省森林火灾年际变化的影响，在计算森林火灾重灾（关键）年及前后各3 a的历年SOI指数的异常度变化基础上（图3），深入分析上述历年各月的SOI指数的异常变化规律（图4和表1）。

2.2.1 年异常度

由图3可见，陕西省森林火灾重灾（关键）年前后3年内，SOI异常度变化比较明显，重灾（关键）年前3年内，SOI异常度指数为负且持续减小；森林火灾重灾（关键）年前1年SOI异常度指数减小到-1.04；此后SOI异常度指数持续增加，森林火灾重灾（关键）年和后1年SOI异常度指数增加到-0.18 和0.39。纵观SOI异常度指数变化特征可发现，SOI的异常变化对陕西省森林火灾的发生有一定的预示性，如果连续3年SOI的异常度指数持续减小且持续为负，则接下来的年份SOI异常度可能会大幅增加，引发较严重的森林火灾。

图3 陕西省森林火灾重灾（关键）年及前后各3年SOI异常度指数

2.2.2 月异常度

进一步对陕西省森林火灾重灾（关键）年及前后3年内逐月SOI的异常度变化规律研究发现（图4和表1），森林火灾重灾（关键）年前3年至前1年内逐月SOI异常度指数持续为负，大致在-1.57～0，振幅较小；重灾（关键）年前1年8月开始SOI异常度指数逐渐增大，在关键年5月由负转正；此后至重灾（关键）年后1年SOI异常度指数持续为正，后1年6—7月异常度指数达到1.83～1.85（>1.50，信度为93%以上）；自关键年后2年3月起SOI异常度指数逐渐减小，由正转负，后2年6月—后3年4月SOI异常度指数≥1.5。由此可见，陕西省森林火灾重灾（关键）年前3年至关键年当年SOI异常度指数有前期持续为负后转而增大的过程，增大时期与森林火灾重灾时期对应，并对其有一定的（5个月以上）预示意义。

图4 陕西省森林火灾重灾（关键）年及前后各3 a SOI逐月异常度指数

3 结论

森林火灾的发生蔓延与气象条件、可燃物和火源等诸多因素有关，全球气候系统的变动（如厄尔尼诺、太阳活动、太平洋海表温度变化等）会引起区域范围内气候要素的时空分布异常，间接影响森林火灾发生的频次和严重程度。太阳黑子相对数和南方涛动指数（SOI）的异常变化对陕西省重大森林火灾的发生有一定的预测意义，可为当地防火减灾工作提供有力的技术支持。

表1 陕西省森林火灾重灾（关键）年及前后各3年SOI逐月异常度指数

（1）陕西省森林火灾较严重的年份多与太阳黑子活动的谷期或谷期极小值向较大值转变的时期相对应，森林火灾偏弱偏少时期多与太阳黑子活动峰期对应。

（2）陕西森林火灾重灾（关键）年前3年1月开始至前1年12月期间SOI异常度指数持续为负，前1年8月开始SOI异常度指数呈现增大趋势，关键年5月转为正值，并在此后的7个月内持续为正值。森林火灾重灾时段以关键年前3年至关键年当年SOI异常度指数持续负值为前提条件，并在前1年8月逐渐增大，这种演变趋势可为当地森林火灾重灾年的预测决策提供参考。

（3）当太阳黑子活动处于谷期或者谷期极小值向较大值转变的时期，若同时SOI异常度指数连续多个月为负值后转而出现增大的趋势，未来的一段时间内陕西可能处于森林火灾高火险时段。从天、地、生（天文灾害系、地球灾害系、生物灾害系，ENSO属地球灾害系）多种因子“耦合共创”重灾时段背景的条件出发[20]，仅利用太阳黑子活动和南方涛动指数来预测森林火灾的发生，是不科学不严谨的，进一步研究应与可燃物类型、气候因子的变化、太平洋海表温度变化等因子相联系。

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Relationship Between Serious Forest Fire Year and Abnormal Change of Solar Activity and Southern Oscillation in Shaanxi Province,China

SHEN Jiaojiao1，LI Jianke1，ZHANG Hongfang1，XIE Jintao2，CAO Yue3
（1.Shaanxi Meteorological Service Center，Xi’an 710014，China；2.Karamay Meteorological Xinjiang，Karamay 834000，China；3.Office of forest fire command in Shaanxi Province，Xi’an 710082，China）

Based on the annual forest fire statistics data over the Shaanxi province during the 1954-2013,and the monthly southern oscillation index（SOI）,the sunspot number from 1951 to 2013,we analyzed that the characteristic and abnormal change of SOI and solar activity in three years ahead of the serious forest fire year and three years after the serious year using the technology of analysis to abnormal degree.The results showed that the prerequisite of serious forest fire year in Shaanxi province,there were continued negative value for SOI in three years ahead of the serious year to the serious year,then SOI began to increase in August in the previous year.And at the same time if the sunspot activity was in the valley period or the sunspot number was turning from minimum to larger value,we can predict that the higher fire danger in the later future over Shaanxi province.The result can provide reference for local serious forest fire forecast and forest fire prevention and control supplies scheduling.

forest fire；serious forest fire year；abnormal degree；southern oscillation index（SOI）；solar activity

S762

：B

1002-0799（2016）06-0049-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.007

2015-12-09；

2016-01-15

陕西省气象局2014年度研究型业务重点科研项目“森林火险预报预警技术应用研究”（2014Z-2）资助。

沈姣姣（1986-），女，工程师，主要从事应用气象和公共气象服务研究。E-mail：shenjiaojiao86@163.com

沈姣姣，李建科，张宏芳，等.陕西森林火灾重灾年与太阳活动、南方涛动异常变化的关系研究[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（6）：49-53.