呼伦贝尔草原火格局及气候驱动因子分析

秦希

摘 要：气候因素对于草原火发生的驱动作用在草原火的研究中具有重要意义。基于呼伦贝尔地区2000—2015年16年的MODIS火产品数据以及气象数据，在多年时间尺度下对研究区内草原火的发生与气候因素响应进行了相关研究。结果表明，通过ArcGIS的Ripley's K函数对呼伦贝尔地区的草原火进行空间分析以及Pearson相关性检验，呼伦贝尔地区草原火在一定空间尺度内呈现聚集分布。其发生与相对湿度和降水量呈负相关，Pearson相关系数分别为-0.127和-0.306 （P<0.001）;与多年平均气温和平均风速呈正相关，Pearson相关系数分别为0.042和0.394（p<0.001）。

关键词：草原火;空间分布;气候因素

中图分类号 X43文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）05-0127-04

Abstract：The driving force of climate factors on the occurrence of grassland fire is of great significance in the study of grassland fire.Based on the MODIS fire product data and meteorological data from the Hulunbeir area from 2000 to 2015，this paper studies the occurrence of grassland fire and the response of climatic factors in the study area on the multi-year time scale.After spatial analysis of the grassland fire in the Hulunbeir area and Pearson correlation test by the Ripley's K function of ArcGIS，the results show that the aggregate distribution appears in a certain spatial scale.The occurrence of grassland fire in Hulunbeir area was negatively correlated with relative humidity and precipitation.The Pearson correlation coefficients were -0.127 and -0.160 （P<0.001），respectively.It was positively correlated with the average annual temperature and average wind speed.The Pearson correlation coefficients were 0.042 and 0.394 respectively （p<0.001）.

Key words：Grassland fire;Spatial distribution;Climatic factors

草原火的发生是草地生态系统中重要的驱动过程[1-3]，也是生态系统重要的干扰因素之一[4]，草原火的发生不仅会破坏当地的生态系统，也给当地的人民生活带来了巨大的经济损失[5]。因此，对草原火的分布格局以及发生影响因素的研究，对于管理部门进行管理和预防都具有一定的指导意义。

草原火的发生受到气候、可燃物自身性质、人为因素以及地形等多种因素的共同影响[6]。然而，在影响火发生的众多因素中，最重要的因素是气候因素，它不但影响可燃物的燃烧性质，还会对火发生的蔓延和传播有一定程度的影响[7，8]。近些年来，受到全球气候变化的影响，世界各地森林、草原火灾的发生次数都在增加，气候變化会增加地区内草原火发生的可能性[9]，因此，开展气候与草原火发生的影响研究具有重要的意义。目前，国内外对于气候与火发生的研究已有了很多成果，例如，加拿大森林火险等级系统是世界上发展最完善，应用最广泛的系统之一[10]，加拿大森林火险气候指数系统（FWI，fire weather index）是其重要的组成部分。通过气象数据反应可燃物含水率的变化，将气象数据、可燃物以及火险有机结合在一起[11，12];国内傅泽强等通过降水、气温、风速以及相对湿度建立了草原火险天气预报模型[13]。但目前就气候因素对于草原火的影响都主要集中在中短期，而在长期的气候方面进行的研究较少。

内蒙古呼伦贝尔地区有着世界上四大草原之一的呼伦贝尔草原，是重要的草原生态系统，同时也是受到草原火较为严重的地区，随着气候变化的加剧，该地区内草原火发生的可能性不断增加。本研究基于MODIS火产品数据和气候数据，在长时间尺度内分析该地区草原火发生的空间格局以气候要素对于草原火的驱动作用，为有关部门的管理和监控提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区东北部的呼伦贝尔市，地处115.22～126.06°E和47.08～53.23°N，面积为252.948km2，行政范围包括陈巴尔虎旗、鄂温克旗、新巴尔虎左旗和新巴尔虎右旗等13个旗县（图1）。呼伦贝尔市为典型的温带大陆性气候，降水量自东南向西北减少，气温自东南像西北递增。研究区内有丰富的草地资源，是草原火频发地区。

2 数据和方法

2.1 数据收集及处理

2.1.1 气象数据 本研究使用的气象数据来自呼伦贝尔市的9个气象站点，包括2000—2015年16年的年平均气温、年降水量、年平均风速以及年平均相对湿度。通过ArcGIS空间分析的克里金插值方法，对气象因素进行空间插值，生成研究区内各气象因素的空间分布数据。

2.1.2 草原火点数据 本研究使用的草原火点数据来自MOD14A1（Terra）和MYD14A1（Aqua）的MODIS火产品数据，均为8d合成的3级产品数据，空间分辨率为1km，时间分辨率为1d。在得到火产品数据后，通过MRT进行多景影像的镶嵌、重采样以及重投影，将投影转为Albers等面积投影，影像格式由原始的HDF格式转换为GeoTIFF的格式。得到的火产品数据包含4种信息，分别是：Fire Mask、Quality Assurance、Maximum FRP和Scan Sample，在本研究中用到了Fire Mask部分。Fire Mask里面存储了每天火发生的情况，用8位无符号科学数据集来表示，并且每个像元都用0～9数字中一某一个来表示一类，其中0～9的数字含义如表1所示。

将处理后的影像通过ArcGIS将呼伦贝尔地区掩膜提取出来，从而得到研究区的影像;再将7、8、9的像元提取出来，并转成点，从而得到2000—2015年16年的全部火点数据。在得到全部火点数据后，通过来自中国科学院遥感与数字地球研究所的土地利用数据，利用其中的草地数据筛选出草原火点。

2.2 研究方法

2.2.1 Ripley's K函数分析 草原火在空间上的分布可以看作为“点”事件，而“点”事件的空间分布模式并不是一成不变的，可能在不同空间尺度的格局下，呈现出不同的分布格局，在小尺度下呈现出聚集的分布模式，而在大尺度下呈现出离散或者均匀的分布模式[14]。Ripley's K函数是“点”事件空间模式分析最常用的方法之一，它能够反映出点格局在整个空间范围内的变化特征，计算公式如下：

其中，A为研究区的面积;n为研究区内草原火点的数目;d为研究区内草原火点i和草原火点j之间的距离;Wij为在距离d范围内的草原火点i和草原火点j之间的权重函数，如果i与j之间的距离小于或者等于d，则权重为1，否则权重为0。本研究应用Ripley's K函数来反映2000—2015年16年呼伦贝尔的草原火点分布格局，当在一定尺度范围内，观测值大于预测值时，为聚集分布;而当观测值小于预测值时，为离散分布。

2.2.2 核密度分析 根据Ripley's K函数的结果可以看出，呼伦贝尔草原火在一定的空间尺度上呈现聚集分布的特征，对于点要素的聚集分布，核密度分析常常被用来使用反映点要素分布的相对集中程度，将离散的草原火点通过插值生成连续的密度表明，进一步表明整个研究区内草原火点的分布格局。本研究通过ArcGIS的核密度分析对2000—2016年16年的草原火点进行密度估算，将其转为1000m的栅格图层，对草原火的空间分布密度进行研究。

2.2.3 相关分析 通过ArcGIS的数据转换功能将核密度以及气象数据转成ASCII文本文件，进一步将文本文件导入SPSS中进行相关性检验，用Pearson相关系数评价16年呼伦贝尔地区的气象数据与草原火点空间密度之间的相关关系。

3 结果和分析

3.1 草原火空间分布格局 经对16年的草原火点进行核密度空间分析（图2），结果显示，呼伦贝尔16年草原火发生的频次范围为0～0.288次。发生频次高的地方主要在呼伦贝尔市的东部鄂伦春自治旗和西部的额尔古纳市以及陈巴尔虎旗地区，最高频次达到了0.288次/km·m2;相反，北部地区根河市以及牙克石市的南部地区草原火发生频次较低。为了进一步了解草原火的分布格局，采用Ripley's K函数将2000—2016年16年的草原火点数据进行空间分析，结果如图3所示。从图3可以看出，呼伦贝尔草原16年来的草原火点分布情况是在小于240km时呈现聚集分布状态，在大约160km处达到峰值，而大于240km时呈现分散分布。

3.2 气候对草原火的驱动作用 通过SPSS软件，将2000—2015年16年的多年平均气温，多年平均降水量，多年平均风速以及多年平均相对湿度与核密度进行相关性检验，用Pearson相关系数来表明它们之间的相关性，结果如表2所示。从表2可以看到，2000—2015年16的呼倫贝尔草原火的空间分布密度与多年平均相对湿度、降水量呈负相关，而与多年平均气温和风速呈正相关，且均通过显著性检验（P<0.001，极显著）。呼伦贝尔地区地处高纬度，温度较低，且降水多湿度较大，在降水量本就大的地区，降水越多，相对湿度越大，可燃物湿度就会越高，水分蒸发的较为缓慢，越不利于草原火的发生;而当温度升高时，一方面水分越容易蒸发，相对湿度会相应的降低，可燃物的湿度也会降低，可燃物更加干燥，越易燃，草原火越容易发生;另一方面，温度的升高会使得可燃物越容易接近它的燃点，草原火就更容易发生;对于风速而言，风速越大，越容易将水分带走，可燃物湿度降低，越干燥，越有利于草原火的发生。

4 结论和讨论

本研究应用了Ripley's K函数对呼仑贝尔地区多年的草原火的空间分布格局进行了分析，结果显示，研究区内的草原火的发生并不是随机的，而是在小于240km时呈现聚集分布，在大于240km时呈现分散分布。通过相关分析表明，草原火的发生与相对湿度和降水量呈负相关，与多年平均气温和平均风速呈正相关。气候对于草原火的影响作用一直是研究的热点，本研究基于MODIS数据和气象数据，在多年的时间尺度上对草原火的发生和气候因子的相关性进行了探讨。气温、降水、相对湿度以及风速对于草原火的发生都有着不同的驱动作用，为相关部门对于草原火的管理和监控提供了科学依据。但草原火的发生是一个复杂的过程，未来可以对人为因素、可燃物因素以及环境因素等以及如何与气候因素共同影响草原火进行进一步的研究。

参考文献

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[12]舒立福，田晓瑞，李红.世界森林火灾状况综述[J].世界林业研究，1998（6）：41-47.

[13]傅泽强，王玉彬，王长根.内蒙古干草原春季火险预报模型的研究[J].应用气象学报，2001，12（2）：202-209.

[14]王劲峰，廖一兰，刘鑫.空间数据分析教程[M].北京：科学出版社，2010.

（责编：张宏民）