森林防火期内气象要素与森林火险等级相关性分析

周 勇，章 林⋆，赵凤君，张大明，张吉龙，王晓娜，钟殿伟

（1.吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033；2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 海淀 100091；3.吉林省森林防火预警监测指挥中心，吉林 长春 130022；4.北方航空护林总站 黑龙江 哈尔滨 150027；5.吉林省图们市林业局 吉林 延边 133100）

火灾给森林生态系统造成巨大破坏[1]，森林火险评价对林火监测和防控有着重要的实际意义[2]。对森林火险评价，是在天气预报的基础上进行，而天气预报的准确性直接影响林火预报的准确性，因此，森林火险天气预报越来越受到学术界的关注和重视[3]。我国专家学者已对森林火险与天气条件的关联性开展了深入研究[4-5]。研究表明气象要素显著影响林火变化，影响林火发生发展的时空规律[6-8]，并建立了以气象要素作为主要预报参数的不同类型的林火预报模型或系统[9-10]。

为使这些模型或系统更好地为研究区域林火预报服务，研究人员将最基础的温度、相对湿度、风速和降雨量等气象因子进行多种变换后建立预报模型，这掩盖了基础气象因子对森林火险等级的直接影响。因此，笔者拟通过分析森林火险监测站观测的基础气象数据和发布的森林火险等级，找出二者最直接的关系。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

吉林龙湾国家级自然保护区（E：126°13′55″～126°32′02″，N：42°16′20″～42°26′57″），属于北温带大陆性季风气候。四季分明，年平均气温4.1℃，年平均降水量704.2 mm，年平均光照2 550 h，无霜期110～120 d。森林火险监测站设置在保护区内大龙湾林场，站点的地理坐标为E：126°24′55″，N：42°18′42″。

1.2 研究方法

选取2014年、2015年、2016年吉林省秋季森林防火期（9月15日～11月30日）和2015年、2016年春季防火期（3月15日～6月15日）期间的森林火险监测站监测数据。记录森林防火期间4时～20时温度、相对湿度、风力、雨量、无雨日、连旱天数和森林火险等级。

1.3 数据处理

运用Excel 2013软件对记录数据进行基本的处理和分析，各时刻温度（℃）、相对湿度（%）、风力（m/s）、雨量（mm）、火险等级、无雨日（d）指标分别做平均值处理，记为X1、X2、X3、X4、X5、X6；连旱天数（d）取最大值处理，记为X7；对森林火险等级1级、2级、3级的发布次数分别求和，记为Y1、Y2、Y3。将X1至X7列为气象要素指标，Y1至Y3列为森林火险等级指标。

采用SPSS 19.0软件对不同气象要素指标和森林火险等级指标进行典型相关分析。典型相关分析编辑语法：

2 结果与分析

2.1 气象要素指标与森林火险等级指标基本统计分析

平均温度7.44℃，标准差2.78℃，各时刻动态变化明显，温度较低不满足森林火灾发生温度条件；平均相对湿度60.33%，50%分位数56.25，标准差11.13%，各时刻变化明显，具备发生森林火灾或发生大火灾的条件；风力在1.74 m/s至3.03 m/s之间，属于2级轻风；超过25%雨量低于1.07 mm，对森林地被可燃物湿度几乎无影响，极大值2.03 mm表明可以降低林分的燃烧性；超过75%的火险等级低于1.74，标准差0.06，变化不明显，属很少危险水平；无雨日平均值2.36 d，结合雨量表明具备森林火灾多发条件；连旱天数各时刻无变化，连旱天数越长森林火灾发生可能性越大，发生大火灾概率越高；森林火险等级发布多为1、2级，属很少危险水平，存在3级中等危险水平。气象要素指标与森林火险指标基本情况见表1。

表1 气象要素指标与森林火险指标基本情况

气象要素指标与森林火险等级指标6 h～20 h呈现出不同的变化趋势。平均温度、平均风力、平均火险等级、森林火险等级2级、森林火险等级3级这5个指标随时间动态变化相似表现为“先升高后降低”趋势，平均相对湿度、森林火险等级1级随时间变化相似表现为“先降低后升高”趋势，雨量平均值呈递增趋势，无雨日平均值呈递减趋势，连旱天数最大值各时刻无明显变化。

2.2 气象要素指标与森林火险指标相关性分析

温度与相对湿度呈显著负相关（r=-0.991，ρ=0.000），与风力呈显著正相关（r=0.816，ρ=0.000)，与火险等级呈显著正相关（r=0.929，ρ=0.000)；相对湿度与风力呈显著负相关（r=-0.864，ρ=0.000)，与火险等级显著负相关（r=-0.948，ρ=0.000)；风力与火险等级显著正相关（r=0.936，ρ=0.000)；无雨日与连旱天数呈显著正相关（r=0.740，ρ=0.002)。气象要素指标相关性见表2。

表2 气象要素指标相关性

森林火险等级1级与森林火险等级2级呈显著负相关（r=-0.992，ρ=0.000)，与森林火险3级呈显著负相关（r=-0.873，ρ=0.000)；森林火险等级2级与森林火险等级3级呈显著正相关（r=807，ρ=0.000）。森林火险等级指标相关性见表3。

平均温度与森林火险等级1级呈显著负相关（r=-0.935，ρ=0.000），与森林火险等级2、3级指标呈显著正相关（r=0.950，ρ=0.000；r=0.743，ρ=0.001）；平均相对湿度与森林火险等级1级呈显著正相关（r=0.952，ρ=0.000），与森林火险等级2、3级指标呈显著负相关（r=-0.968，ρ=0.000；r=-0.757，ρ=0.001）；平均风力与森林火险等级1级呈显著负相关（r=-0.936，ρ=0.000），与森林火险等级2、3级指标呈显著正相关（r=0.932，ρ=0.000；r=0.794，ρ=0.000）；平均火险等级与森林火险等级1级呈显著负相关（r=-0.998，ρ=0.000），与森林火险等级2、3级指标呈显著正相关（r=0.985，ρ=0.000；r=0.893，ρ=0.000）。气象要素指标与森林火险等级指标相关性见表4。

表3 气象要素指标相关性

2.3 典型相关系数及典型相关的显著性检验

第1对典型相关系数ρ1=0.999，其所对应的检验总体中典型相关系数为0的假设的概率水平为0.000；第2对典型相关系数ρ2=0.915，其所对应的检验总体中典型相关系数为0的假设的概率水平为0.044；第3对典型相关系数ρ3=0.713，其所对应的检验总体中典型相关系数为0的假设的概率水平为0.303。典型相关的显著性检验分别为Wilks统计量、卡方统计量、自由度和伴随概率。在0.05的显著性水平下，3对典型变量中第1、2对典型相关是显著的。气象要素指标与森林火险等级指标典型相关系数及检验见表5。

2.4 典型相关变量系数

气象要素指标各变量单位不同，需对各指标标准化，标准化系数和未标准化系数只差一个原始变量的标准差。典型相关变量系数见表6和表7。

来自气象要素指标的第1对典型相关变量表达式为V1，第2对典型相关变量表达式为V2。

表4 气象要素指标与森林火险等级指标相关性

表5 气象要素指标与森林火险等级指标典型相关系数及检验

表6 气象要素指标典型相关变量的标准化系数

表7 森林火险等级指标典型相关变量的标准化系数

来自森林火险等级指标的第1对典型相关变量为U1，第2对典型相关变量表达式为U2。

根据典型相关变量系数，结合典型相关变量与原始变量相关系数，表明：X1、X2、X3、X5在V1中起主要作用，Y2在U1中起主要作用。因此，森林火险2级次数主要取决于气象要素中的平均温度、平均相对湿度、平均风力和平均火险等级；X1、X7在V2中起主要作用，Y3在U2中起主要作用。因此，森林火险3级次数主要取决于气象要素中的平均温度、平均相对湿度和连旱天数。典型相关变量与原始变量相关系数见表8和表9。

表8 气象要素指标典型相关变量与原始变量相关系数表

表9 森林火险等级指标典型相关变量与原始变量相关系数表

2.5 冗余度分析

第1对和第2对典型相关变量解释气象要素指标，森林火险等级指标总变异的比例情况见表10。V1解释气象要素指标总变异的52.8%，V2解释气象要素指标总变异的4.9%；U1解释森林火险等级指标总变异的92.6%，U2解释森林火险等级指标总变异的6.6%。典型相关变量对解释指标总变异的比例情况见表10。

3 讨论和结论

平均温度、平均风力、平均火险等级、森林火险等级2级、森林火险等级3级指标随时间变化表现为“先升高后降低”趋势，平均相对湿度、森林火险等级1级随时间变化表现为“先降低后升高”趋势，雨量平均值呈递增趋势，无雨日平均值呈递减趋势，连旱天数最大值各时刻无明显变化。综合各指标动态变化对林火发生的影响，与森林火灾发生次数日变化呈常态曲线分布[11]是一致的。

表10 典型相关变量对解释指标总变异的比例情况

气象要素、森林火险等级各变量指标间存在明显的显著相关关系，且2类指标在0.05的显著性水平下，第1、2对典型相关显著。典型相关变量系数、典型相关变量与原始变量相关系数表明，森林火险2级次数主要取决于气象要素中的平均温度、平均相对湿度、平均风力和平均火险等级，森林火险3级次数主要取决于气象要素中的平均温度、平均相对湿度和连旱天数，这与已有的研究结果相符[7，11]。气象要素指标典型相关变量V1解释气象要素指标总变异的52.8%，气象要素指标典型相关变量V2解释气象要素指标总变异的4.9%；森林火险等级指标典型相关变量U1解释森林火险等级指标总变异的92.6%，森林火险等级指标典型相关变量U2解释森林火险等级指标总变异的6.6%。

运用典型相关分析的方法进行两类指标相关关系的评判，通过典型相关变量系数建立的表达式，气象要素指标可以直接对森林火险等级指标进行全面评价。