加拿大林火天气指标系统在通化市的应用

杜　帅，单延龙，尹赛男，彭　瑶，张　浩，刘金鑫，高文双

(北华大学林学院，吉林 吉林　132013)



加拿大林火天气指标系统在通化市的应用

杜帅，单延龙，尹赛男，彭瑶，张浩，刘金鑫，高文双

(北华大学林学院，吉林 吉林132013)

摘要：针对通化市林火特点，引入加拿大林火天气指标系统，利用通化市1996—2010年气象资料和森林火灾数据，研究林火天气指标与林火的相关性，并划分森林火险等级.结果表明：除了干旱码(DC)外，林火次数与其他林火天气指标极显著相关；受害森林面积、火场总面积与林火天气指数(FWI)、初始蔓延指标(ISI)极显著相关，与细小可燃物湿度码(FFMC)虽然没有达到极显著相关，但显著度与0.01水平很接近，因此可以证明加拿大林火天气指标系统适合通化市进行林火天气预报.按照极端火险天气小于3%的原则和几何方法划分了森林火险级别.4级火险天气下林火频率、火场面积比例、受害森林面积比例最大，森林火灾发生近似于正态分布，因此此种等级划分方法比较适合通化市，但需要更多的森林火灾资料加以验证.

关键词：加拿大；林火天气指标系统；森林火险等级；通化市

【引用格式】杜帅，单延龙，尹赛男，等.加拿大林火天气指标系统在通化市的应用[J].北华大学学报(自然科学版)，2016，17(2)：176-180.

我国森林火灾严重，林火管理水平还相对落后，森林火灾预测预报技术更为落后.随着我国人工林和保护面积的不断增大，急需提高当前的森林火灾管理水平和森林防火人员的素质，提高森林火险预测预报能力成为当务之急.因此，有必要引入国外的系统.目前，加拿大林火天气指标系统是世界上被广泛应用的火险系统之一[1].加拿大林火天气指标系统是在大量点火试验和天气资料的基础上，从可燃物含水率平衡理论出发，通过一系列推导、计算，每天只需要测定其温度、相对湿度、风速和降水量等气象因子就可以依据林火天气指标(FWI)来进行火险预报[2-3].加拿大林火天气指标系统已经在我国大兴安岭地区、西南地区和吉林省进行了应用，能够很好地评估火险[4-7].但未见小范围使用，如在一个地级市.通化市是吉林省重点森林火险区，本文使用通化市每日气象数据，运用加拿大林火天气指标系统计算火险指数，并用该市林火数据评估加拿大林火天气指标系统在通化市的适用性.

1研究区自然概况

通化市位于吉林省东南部，地理位置为N 40°13′～43°01′，E 125°15′～126°41′.东邻白山市的八道江区及靖宇县，东南隔鸭绿江与朝鲜民主主义人民共和国相望，西接辽宁省清源、新宾、桓仁县，西北与桦甸、磐石、东丰县为邻，是吉林省距出海口最近的城市[8].通化市三分之二以上面积为山区，属长白山系.南部是鸭绿江与浑江之间的老岭山区，中部是浑江与辉发河之间的龙岗山脉，北部为低山丘陵区，是山地和平原的过渡地带.

通化市属中温带湿润气候区，年平均气温5.5 ℃，四季气候变化分明.1月份平均气温最低，常年平均在-14 ℃左右，7月份平均气温最高在22 ℃左右，年平均降水量在870 mm左右，主要集中在夏季，6—8月3个月的降水量占年总降水量的60%以上，年日照时间2 200 h.森林植物种类丰富，主要乔木树种有蒙古栎(Quercusmongolica)、长白落叶松(Larixolgensis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、红皮云杉(Piceakoraiensis)等.本文主要研究通化市的东昌区、二道江区和经济开发区.

2研究方法

2.1林火天气指标(FWI)的求算

加拿大林火天气指标系统流程见图1.

细小可燃物湿度码FFMC：代表细小可燃物的可燃性和易燃性的一个相对简单的指标；半腐层湿度码DMC：可表明中等下层落叶层和中型木质物质的燃料消耗；干旱码DC：是一个计算长期干旱对森林可燃物影响的简单指数；累积指数BUI：由DMC和DC计算得到，是一个无单位指数，相对代表了森林可燃物潜在燃烧的量；初始蔓延指标ISI：由FFMC和风速计算得到，代表了火灾蔓延的潜在等级；林火天气指数FWI：由ISI和BUI计算得到，是一个地区的林火天气条件与可燃物含水率相结合的结果，代表着林火强度[9].但是现在火灾管理部门依赖FWI系统中更多的指标来预测火灾[10].

2.2火险指标与林火的相关性

通化市气象站坐标为N 41°41′，E 125°54′，海拔402.9 m.在此气象站中收集日最高气温、日最小相对湿度、日降水量、日最大风速，并且收集通化市东昌区、二道江区、经济开发区的森林火灾资料.用Visual Basic语言编程，计算得出气象站每日FFMC，DMC，DC，ISI，BUI，FWI值.对1996—2010年每月的平均火险指数与林火进行相关分析，评估加拿大林火天气指标系统在通化市的适用性.

2.3森林火险等级划分

根据极端火险天气小于3%的原则和几何方法，划分森林火险级别.步骤：确定FWI中的极端火险级低值，然后根据几何方法划分其他森林火险级别，最后分析森林火险等级划分方法的适用性.具体计算如下：

利用3%原则确定FWI极端火险级的低值，即将数据降序排序，用总数据数量×3%，查得FWI为50.83，即S=50.83，输入

ln(0.289I)=0.980(lnS)1.546[9]，

计算出I=11 704.538 5，这样每级之间的固定比率是11 704.53的5次方根，为6.51，由此得出其他几级I，然后输入

lnS=1.013[ln(0.289I)]0.647[9].

计算出其他几级S的临界值，从而得到各级的范围.

3结果与分析

3.1通化市林火概况

3.1.1林火的年际变化

通化市15 a间共发生森林火灾38次，平均3次/a.由图2可以看出：通化市森林火灾高发期集中于1998、2001—2002、2008—2010年.总体先增长再下降，最后在2009年达到次数最高，为7次.同时这几个时段森林火灾过火的总面积也较大，最大的是2008年，为18.66 hm2；2009年虽然森林火灾次数最多，但过火总面积为5.13 hm2.受害森林面积较大的年份与过火总面积情况基本相同，受害森林面积最严重的年份是2002年，为5.72 hm2.

3.1.2林火的月变化

由图3可以看出：通化市森林火灾的月变化呈现出单波形，森林火灾次数较多的月份为春季的4月、5月，分别为25次、9次.过火总面积和受害森林面积也主要集中于这两个月，其中最高的是4月，分别为43.26，21.39 hm2.出现春季森林火灾多的原因是通化市春季气温相对较高、空气干燥并伴有大风；6—8月植物生长茂盛，植被含水量很大，不易发生林火；9—11月气温相对较低，降水比较多，所以没有发生火灾；12—2月白天气温在0 ℃以下，加上积雪覆盖，一般不会发生林火.

3.1.3林火的日变化

由图4可以看出：呈现单波形曲线的通化市森林火灾高发时间段为10：00—13：59，这一时段内发生的森林火灾次数为26次，约为全部森林火灾次数的68%，其中，12：00—12：59这一时间段内发生的森林火灾次数最多，共9次；与火灾次数相同，过火总面积和受害森林面积较大的区域也集中在10：00—13：59，分别为43.4 hm2和11.9 hm2，分别约为全部面积的85%和47%.呈现这种趋势是正常的，因为中午前后正是太阳辐射最强的时候，导致地表温度上升以及空气湿度的下降，并且这个时间段是人为活动最频繁的时刻，比较容易引起森林火灾.

3.2火险指标与林火的相关分析

1996—2010年通化市每月林火与火险指标的相关分析见表1.由表1可以看出：除了DC外，林火次数与其他林火天气指标极显著相关，受害森林面积、火场总面积与FWI，ISI极显著相关；火场总面积、受害森林面积与FFMC虽然没有达到极显著相关，但P=0.03与0.01水平很近；DMC与林火次数和过火总面积显著相关，而DMC与受害森林面积不相关，可能由于受害森林面积受森林面积的限制；DC与林火不显著相关，因为DC表示大的倒木，小溪、湿地的水，还有更深土壤的有机层的水分状况，并且DC变化很慢[9].DC与重特大森林火灾有关，而通化市没有重特大森林火灾.1996—2010年，一般森林火灾占82%，较大森林火灾占18%；BUI与过火总面积和受害森林面积不显著相关，是因为DC调整DMC生成BUI指标，并且DC与林火不显著相关.因此可以证明，加拿大林火天气指标系统适合于通化市进行林火天气等级预报.

表1　1996—2010年通化市每月林火与火险指标的相关分析

注：**表示极显著相关(P=0.01)；*表示显著相关(P=0.05)

3.3森林火险等级划分

按照极端火险天气小于3%的原则，本文找到FWI为50.8作为极端火险级的低值，并用几何方法划分其他森林火险级别.由于第1级林火次数、火场面积、受害森林面积值都为0，所以将第1级与第2级进行合并(表2)；4级火险天气下林火频率、火场面积比例、受害森林面积比例最大，分别为50.0%，49.9%，61.9%，森林火灾发生近似于正态分布.1～2级低火险天气点着很难，因此才会有林火频率、火场面积比例、受害森林面积比例相对较小；4级能点着但不受重视，所以比例最大；在5级高火险天气，人们和林火管理部门比较重视，且通化市火源都是人为火，所以发生率反而下降，但一旦发生森林火灾，面积就比较大.因此，此种划分等级的方法比较适合通化市，但还需进一步验证，因为毕竟只有38次森林火灾.

表2通化市森林火险等级划分

Tab.2Division of forest fire danger ratings of Tonghua City

4结论与讨论

除DC外，林火次数与其他林火天气指标极显著相关；受害森林面积、火场总面积与FWI，ISI极显著相关；火场总面积、受害森林面积与FFMC虽然没有达到极显著相关，但P=0.03与0.01水平很近；DC与林火不显著相关，这因为DC与重特大森林火灾有关，而通化市没有重特大森林火灾.因此,可以证明：加拿大林火天气指标系统适合通化市进行林火天气等级预报.

按照极端火险天气小于3%的原则和几何方法划分森林火险级别.4级火险天气下林火频率、火场面积比例、受害森林面积比例最大，森林火灾发生近似于正态分布.这种划分等级的方法比较适合通化市，但因为只有38次森林火灾，需要更多的森林火灾资料加以验证，并要与《全国森林火险天气等级》标准进行对比，才能将加拿大林火天气指标系统更好地运用到通化市林火预测预报工作中.

参考文献：

[1] Amiro B D，Logan K A，Wotton B M，etal.Fire weather index system components for large fires in the Canadian boreal forest[J].International Journal of Wildland Fire，2004，13(4)：391-400.

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[3] 杨喜军.森林防火学专论[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2003.

[4] 金继中，韩树庭，周薇.加拿大林火天气指标系统在大兴安岭林区的试用[J].森林防火，1986(3)：19-23.

[5] Tian X R，McRae D J，Jin J Zh，etal.Wildfires and the Canadian forest fire weather index system for the Daxing’anling region of China[J].International Journal of Wildland Fire，2011，20(8)：963-973.

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[8] 解晶波，刘丽华，盖喜，等.通化市生态经济沟发展现状及展望[J].农业环境与发展，2002(1)：12-13.

[9] Van Wagner C E.Development and structure of the Canadian forest fire weather index system[R].Chalk River Ontario：Environment Canada，Canadian Forest Sevice，Petawawa Forest Experiment Station，1987.

[10] Wotton B M.Interpreting and using outputs from the Canadian forest fire danger rating system in research applications[J].Environmental and Ecological Statistics，2009，16(2)：107-131.

【责任编辑：郭伟】

Applying Canadian Forest Fire Weather Index System in Tonghua City

Du Shuai，Shan Yanlong，Yin Sainan，Peng Yao，Zhang Hao，Liu Jinxin，Gao Wenshuang

(ForestryCollegeofBeihuaUniversity，Jilin132013，China)

Abstract：According to the characteristics of forest fires in Tonghua City，we introduced the Canadian forest fire weather index system.We studied the correlation of fire weather indexes and forest fire，and division of forest fire danger rating with the forest fire data and the meteorological data of 1996—2010 in Tonghua City.The results indicate that number of forest fires and other forest fire weather indexes are highly significant in addition to Drought Code；forest area burnt，area burnt and Fire Weather Index，Initial Spread Index are also highly significant；forest area burnt，area burnt and Fine Fuel Moisture Code aren’t highly significant，but the significances are very close to 0.01，so Canadian forest fire weather index system is suitable for Tonghua City.We divided forest fire danger ratings on the premise that extreme days should be less than 3% of the total study period and the geometric method.Forest fire frequency，area burnt ratio and forest area burnt ratio are the largest under level 4 of fire weather.Forest fire is similar to normal distribution，so the hierarchy method is suitable for Tonghua City，but further examination and comparison are required to make the system for forest fire forecast in Tonghua City.

Key words：Canada；forest fire weather index system；forest fire danger ratings；Tonghua City

中图分类号：S762

文献标志码：A

作者简介：杜帅(1990-)，男，硕士研究生，主要从事林火生态和林火管理研究，E-mail：1312038891@qq.com；通信作者：单延龙(1975-)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事林火生态和林火管理研究，E-mail：shanyl@163.com.

基金项目：国家自然科学基金项目(31470497)；吉林省科技发展计划项目(20100582；20121820)；吉林省教育厅科学技术研究项目(2013158)；吉林省林业厅项目(2013-007)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-12-0726).

收稿日期：2015-12-21

文章编号：1009-4822(2016)02-0176-05

DOI：10.11713/j.issn.1009-4822.2016.02.007