可燃物干燥指数在草地火险预警中的应用

黄宝华

(1.烟台市不动产登记中心，烟台 264003； 2.中国农业大学(烟台)理工学院，烟台 264670)

0 引言

陆地生态系统的主体——森林与草地，在全球气候变化中发挥着重要作用。火灾是森林与草地面临的诸多灾害中影响最大的灾害，其烧毁森林草地，降低森林草地的更新能力，引起土壤贫瘠并破坏植被涵养水源的功能，导致环境破坏，造成大气污染[1-2]。随着全球变暖，未来全球发生的森林草地火灾将会增加，为此，迫切需要了解森林草地火灾发生发展规律，开展森林草地火险预测预报，为森林草地的防灾减灾提供决策支撑信息[3]。相对于森林，草地具有类型单一、生长过程区域高度均匀等特征，针对其特征应研究适用于草地的火险预报方法。草地火险与草地的生长季节有着显著的关系，枯草期的草地火险主要由气象因子决定，生长期(初期，发育期、中期和晚期)的草地火险主要由草地的活可燃物的水分含量决定。生态系统中活可燃物含水量是影响火灾易燃危险的关键因素[4-5]，活可燃物含水量和易燃性在燃烧过程中的逆相关性会导致热量的损耗而影响火势的蔓延[6-7]。在美国圣塔莫尼卡山脉[8](加利福尼亚州)和西班牙[9]大火中已证实活可燃物含水量对火势的影响，活可燃物含水量是可燃物易燃空间连通性的重要内容，也是火灾发生概率的主要影响因子[10]。

传统利用GIS方法对气象站点点位数据插值生成火险因子数据，其精度会随距气象站点距离的增加而降低[11]，不能反映大范围实际环境条件，且费用高、耗时长。利用遥感方法来估算活可燃物含水量克服了上述缺点，但现有的遥感活可燃物含水量估算主要利用植被指数，估算精度低。由于活可燃物含水量与蒸腾作用的潜热和显热通量有着密切关系，本文利用其关系构建了基于生物物理特性与能量交换原则的可燃物干燥指数来监测草地植被生长季节的火险预报模型[12]。利用遥感和气象数据获取可燃物干燥指数所需参数，大大提高了火险监测速度、范围和精度。

1 可燃物干燥指数构建

1.1 能量平衡方程

依据能量守恒与转换定律，地表接收的能量以不同方式转换为其他运动形式，使能量保持平衡，这一交换过程可用地表能量平衡方程来表示，即[13]

Rn=G+H+λE，

(1)

式中：Rn为地表太阳净辐射通量；H为下垫面到大气的显热通量(又称感热通量)，即下垫面与大气间湍流形式的热交换；λE为从下垫面到大气的潜热通量，即下垫面与大气之间水汽的热交换，其中λ为水汽的汽化潜热，E为蒸散量；G为土壤热通量，即下垫面土壤中的热交换，上述所有通量单位为W·m-2。

1.2 理论基础

根据能量平衡原理，叶片与空气温差的变化取决于太阳净辐射的强弱和作物蒸腾量的大小。研究植物的蒸腾特性与抗旱性之间的关系表明，当植物获得充分的水分供应时，叶片温度因蒸腾而下降，温度下降并低于其在蒸腾抑制时所能达到的温度。植被水分充足时，有足够多的水分用于蒸发，此时的显热通量非常小； 在干旱胁迫条件下，植物能够通过气孔的开闭来调节植物蒸腾耗水量的大小，而旱生植物在水分充足时同样表现出较强的蒸腾作用，当植物处于水分亏缺状态时，为了防止细胞失水，气孔部分关闭，气孔阻力加大，使得蒸腾作用潜热减少，显热增加，叶片温度相应上升[14]。据此，利用显热和潜热通量构建可燃物干燥指数Fd，其中有效能量A(净辐射通量Rn和土壤热通量G之差)划分为显热和潜热交换(H+λE)。Rn和G方向向下，显热和潜热通量方向向上，EF反映了可燃物表面湿度情况，公式为

(2)

(3)

当EF>1时，可燃物水分充足，实际中设置EF上限为1(需要注意的是，当EF>1时，H<0的情况在平均超过24 h很少发生)。从EF≈1变化到EF≈0表示植被表面从湿润到干燥的变化情况。因此，利用EF得到可燃物干燥指数Fd。Fd提供了可燃物的表面干燥情况，Fd在0附近时，植被含水量高，潜在火险低； 当上升到1时，植被含水量降低，火灾发生机会增加。

1.3 遥感潜热/显热通量计算方法

净辐射通量Rn[15]为

Rn=Qin(1-α)+(Sin-Sout)-(1-ε)Sin，

(4)

(5)

(6)

ε=1.009+0.047ln(NDVI)，

(7)

Qin=Gsc×cosθ×dt×tsw，

(8)

tsw=0.75+2×10-5h，

(9)

(10)

θ=arccos(sinφsinδ+cosφcost)，

(11)

(12)

(13)

式中：α为地表反照率；Sin为太阳入射的长波辐射，W·m-2；Sout为地表发射的长波辐射，W·m-2； S为斯忒藩-玻尔兹曼常数，即5.67×10-8W·m-2·K-4；Ta为空气温度；To为地表温度；ε为地表比辐射率，又称发射率，是一个无量纲量，在[0，1]之间，根据经验公式，当地表的归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)在0.157～0.727之间时，ε可以通过NDVI近似求取，限定当0

显热通量H[18]为

(14)

(15)

(16)

zh=8z0，

(17)

(18)

由Allen等[19]提出计算土壤热通量G的方法，其表达式为

G/Rn=0.4e-0.5LAI。

(19)

从而利用Rn，H和G根据式(1)计算潜热通量。

2 研究区及数据源

2.1 山东省草地概况

山东省草地面积约占全省土地总面积的10%(图1)，其结构特征为中覆盖草地面积大，而高覆盖草地和低覆盖草地面积小。中覆盖草地面积占全省草地总面积的54.3%，高覆盖与低覆盖草地面积之和占全省草地总面积的46.7%。草地面积总体呈减少趋势，其中火灾是一个主要原因。山东省草地分布比较集中，在全省17个城市中，草地面积较大的城市分别为烟台、临沂、青岛和东营，分别占全省草地面积的25.19%，18.39%，7.55%和7.25%； 其余各城市草地面积相对较小[22]。山东省大面积天然草地自春季地温回升后，一般保持在0℃以上即开始萌发返青。随着气温逐渐升高，草地净第一性生产量亦随之增加，至8月份达到了最高产量，也是植株营养成分最丰富的时期。待秋季来临，随着气温下降，至11月上旬植株开始枯黄，草地的地上部分便成为立枯凋落的可燃物。

图1 2010年山东省植被类型分布

2.2 数据源

1)MODIS 产品： 使用6种MODIS产品，分别为MOD11C1(每日地表温度)、MOD13A1(16 d归一化植被指数NDVI，空间分辨率为500 m)、MOD14A1(每日热异常，火灾和生物量燃烧，空间分辨率为1 km)、MOD15A2(8 d叶面积指数LAI)、MOD43B3(16 d表面反射Albedo，空间分辨率为1 km)，时间范围为2010年全年的包括31个火点和均匀分布的14期数据(DOY 93，113，127，140，157，171，187，207，230，241，255，271，288，301)。原始MODIS 产品存储采用分级数据格式、正弦曲线投影，因此对其进行了投影变换、镶嵌、掩模(提取子区)和值域变换等预处理。

2)DEM数据： SRTM(shuttle Radar topography mission)数据主要是由美国国家航空航天局和国防部国家测绘局联合测量的，空间分辨率为30 m。

3)气象数据： 所用的风速、温度等气象数据来源于中国气象数据共享服务网提供的地面气候资料日值数据集。利用GIS的插值权法对山东省分布着的20个国家基准气象站点的实测气象数据进行插值处理，得到覆盖山东省的栅格气象数据。

4)土地利用数据： 利用旱区寒区科学数据中心的基于多源数据融合方法得到的中国1 km空间分辨率的土地覆盖图[23]，利用土地利用类型中的草地数据提取MOD14A1火点。

由DEM计算得到tsw，由θ,dt和tsw计算得Qin； 由气象站点插值得到的Ta，再与tsw计算得到太阳入射的Sin； 由MOD13A1计算得到ε，MOD11C1得到To，再由ε和To计算得到Sout； 由MOD43B3得到α，再由式(4)计算得到Rn。由MOD13A1得到作物高度zh，由MOD15A2的LAI计算得到D，利用MODIS红外资料反演Ts，再由式(14)计算得到H。从而由能量平衡方程计算得到λE，由H和λE构建可燃物干燥指数。利用土地利用数据提取草地，分析可燃物干燥指数在草地火险中的应用。

3 结果与分析

3.1 Fd独立样本检验、火险等级划分及模型验证

3.1.1 独立样本检验

对31个火点与随机选取的62个非火点的Fd值进行T检验，目的是利用来自2个总体的独立样本，推断2个总体的均值是否存在显著差异。表1为火点与非火点处Fd值的均值检验结果。

表1 火点/非火点Fd分组统计量

分析结论通过2步完成： ①2个总体方差是否相等条件下的Levene检验，该检验的F统计量观测值为30.948，对应的概率P值为0.000，显著性水平α为0.05，由于概率P值小于0.05，所以2个总量的方差有显著差异； ②2个总体均值的检验，由于2个总体方差有显著差异，因此应分析表2中第2行假设方差不相等时T检验的结果。其中T统计量观测值为12.228，对应的双尾开率P值为0.000，显著性水平α为0.05，由于概率值小于0.05，所以2个总体的均值有显著性差异，即火点与非火点处的Fd平均值存在显著差异。表2中的均值差值和标准误差值分别为T统计量的分子和分母； 最后2列分别为2个总体差的95%置信区间的上限和下限。

表2 火点/非火点Fd独立样本的检验结果

3.1.2Fd与美国潜在火险指数对比

为了验证Fd的使用效果，将其与美国潜在火险指数(fire potential index, FPI)对比研究。FPI模型在不考虑火源的情况下估测植被的点燃系数，模型假设： ①如果活、死植被的湿度被合理提出，就能预测林火发生的可能性； ②植被的绿度为活植被的湿度提供有用的参照； ③细小死可燃物湿度对火传播至关重要，所以利用10 h时滞可燃物湿度来代表细小死植被湿度； ④因为风是短暂即逝的，所以可以不考虑风的因素，FPI模型定义为

FPI=100(1-FMC10HRFRAC)(1-VC) ，

意象美术作品则不拘泥于客观物象的真实再现，美术家的主观认识和情感渗透所占的比重要多一些。中国画里的写意画以简练概括的笔墨表现物象的意态神韵与画家的个性情感，是典型的意象美术。

(20)

式中：FMC10HRFRAC为10 h时滞死可燃物湿度和水分消失量比；VC为植被覆盖度。

将FPI与Fd指数模型应用于山东省2010年4月8日火灾分析，结果显示两者没有明显的相关性(R2=0.001 2)(图2(a))。这是因为2个模型的构建及输入数据不同，FPI指数中忽略了风速影响，风是火灾发生和蔓延的主要因素之一，风不仅能加快可燃物水分蒸发，加速干燥而使可燃物易燃，而且同时不断补充新的氧气，增加助燃条件，加速燃烧过程。Fd指数在能量平衡方程与生物物理基础上构建，具有明确的物理意义，且风参加了显热计算。在4月8日着火点前6 d的Fd与FPI指数变化情况上可以看出，火灾前6 d的FPI指数整体呈现较为稳定高值状态，其中前一天的FPI值呈现一个微小的增长，指示效果不明显；Fd指数则变化较大，在火灾前3 d呈现一个变幅较大的增长趋势，火灾前一天达到最大值(图2(b))。这说明火灾前3 d的Fd值对火灾发生起到良好的指示作用，Fd指数通过植被物理性质来预测植被干燥程度。

(a) 火灾Fd和FPI相关性分析 (b) 火灾发生前6 d的Fd和FPI指数变化

3.1.3 火险等级划分和模型验证

火灾风险估计主要是确认变量的潜在贡献，并将其集成为一个数学表达式，即一个指数中，通过量化指数来表示风险级别，反映了火灾发生的可能性与蔓延的风险性。利用等间距分类法将山东省Fd进行分类，将火灾危险程度共分为5类，按照森林火险措施来对草地进行火险等级划分，如表3所示。

表3 基于可燃物干燥火险指数Fd的草地火险等级划分

图3(a)表示山东省2010年全年31个火点数量随时间分布情况，该区火点主要集中在3—4月间，这与山东省的防火期基本一致。由于9月中旬以来的持续干旱，导致了9—10月的火点增多。通过火点处的Fd值统计信息可以看出火点落在火险等级为Ⅱ级的有4个，占全部火点的12.9%； Ⅲ级的有9个，占全部火点的29.0%； Ⅳ级的有10个，占全部火点的32.3% ； Ⅴ级的有8个，占全部火点的25.8%(图3(b))，该统计情况证实了可燃物干燥指数的应用价值。

(a) 火点随时间分布 (b) 火险等级与火点频率关系

3.2 Fd与草地生长季节关系分析

3.2.1 基于LAI/NDVI的草地生长阶段划分

(a) 日最低温度 (b) 植被覆盖度

(c) 草地高度 (d) LAI

本文中优势牧草、稀疏牧草以LAI开始减小作为生长中期结束，乔木、灌木取参考值。山东省2010年牧草生长中期为6月初—8月上旬(图4(d))。生长晚期从开始成熟一直持续到完全衰老为止，据此判断山东省2010年牧草生长晚期为8月上旬—11月初(图4(d))。

3.2.2 植被生长阶段与Fd关系

2010年草地生长季节的14期的H，λE和Fd与DOY的关系分别如图5所示。通过图5可以看出，Fd与草地植被生长季节有着紧密的关系，通过H与λE曲线发现H与λE随草地植被的生长过程呈现较为明显变化特征。草地生长初期和发育期2个时期，H>λE，且生长初期的H与λE变化程度大于发育期的变化程度，Fd呈现一个先升后降的高火险状态。其中A的位置由于该时期的干燥导致呈现一个突变，该位置的突变说明了Fd在植被生长期的火险监测作用。生长中期由于植被含水量的增加，因此H<λE，且随生长过程变化程度呈现先增后减，Fd表现为一个低火险状态。晚期由于植被含水量开始减少，因此晚期开始阶段H<λE，后期H>λE，Fd呈现增长状态，并在晚期的中后段达到高火险状态。

(a) λE, H与DOY关系 (b) 可燃物干燥指数曲线

2010年DOY 25，140，241和301的Fd值分布如图6所示。可以看出图6(a)时期山东全省Fd值较高，主要是因为该时期草地刚开始生长，植被水分含量少，且植被覆盖度小。其中高Fd值区域西部地区要大于东部地区，主要原因是该时期西部温度高于东部地区； 图6(b)时期随植被生长进入发育期，含水量的增加，虽然部分地区Fd值仍然较高，但覆盖面积减少明显，且主要集中于胶东半岛和泰安附近，主要是因为这2个区域的风速较高，导致可燃物易于失水； 图6(c)时期全省呈现低火险值，因为夏季虽然气温高，但是空气相对湿度大、风速低、降水量大，是草地营养成分、水量最丰富的时期，不易燃烧，并有阻火作用，但如遇强火被加热干燥后也能燃烧。可燃物湿度大直接影响着火的难易程度，如引燃概率、引燃时间等。且夏季草地郁闭度高，直接关系到下面可燃物的水分和小气候的变化。一般情况下郁闭度越高，射入草内的辐射能量越弱，因而草内的温度就越低，造成蒸发弱，温度低，物质不易燃烧。因此夏季Fd值降低，火险危害性减小； 图6(d)时期全省Fd值均较高，因为自9月开始，山东全省持续特大干旱，旱情发展总体上呈现持续时间长、秋冬春3季连旱、干旱范围广和影响面不断扩大的特点，从鲁南到鲁北、从半岛到内陆、从山区到平原，全省草地均同时遭遇到了气象干旱。滨海草地主要分布在黄河三角洲地区的东营市和滨州市，2市草地受旱面积已达30多万hm2，占2市草地总面积的80%以上； 沿黄河下游流域和南四湖区域周边的草地，特别是菏泽、济宁2市草地牧草生长已受到严重影响，牧草分蘖数减少，地上植株干燥程度提高； 低山丘陵地区的草地，主要分布在枣庄、泰安、莱芜、临沂和日照等市，这些城市由于干旱导致牧草春后萌发明显延迟，新生芽生长也受到不同程度的抑制。地表干枯可燃物由于蒸腾作用，使叶丛脱水，导致显热通量大于潜热通量，Fd值升高。

(a) DOY 25(b) DOY 140

(c) DOY 241(d) DOY 301

4 结论

蒸腾作用是影响植被水分亏缺的主要因素，它通过显热和潜热变化表现出来，因此由两者构建的可燃物干燥指数(Fd)具有明确的生物物理特征。本研究基于能量平衡原理结合遥感(MODIS产品数据)与气象(温度、风速)数据反演出潜热和显热通量，有效提高了参数的估算精度。主要结论如下：

1)通过对2010年山东省31个火点与随机选取的62个非火点的Fd进行独立样本T检验，概率值小于0.05，表明2个总体的方差和均值都存在显著性差异。

2)将Fd与美国潜在火险模型(FPI)用于2010年4月8日的火险预警研究，结果表明火灾前Fd指数变化明显，且前3 d的Fd值具有较好的指示作用，而FPI指数变化不明显，Fd较FPI能够更好地指示火险，可以作为草地火险预报的有效工具。

3)2010年山东省31个火点数据的Fd值采用等间距分类法在Ⅲ级以上的占87.1%，Ⅰ级为0，火灾发生地点与火灾风险预警高的区域吻合较好，说明了Fd指数的应用价值。通过均匀分布于2010年草地生长季节的14期的H与λE关系图和利用H与λE计算的可燃物干燥指数(Fd)曲线图可以看出Fd与草地植被生长季节有着紧密的关系，随植被生长期(初期、发育期、中期和晚期)呈现不同的变化，初期和发育期的Fd值较高，但呈下降趋势； 中期Fd值低； 晚期Fd值高，呈现上升趋势。

基于生物物理和能量平衡原理基础上的可燃物干燥指数，具有明确的生物、物理意义，方便发展和集成以后多种不同的火险模型。可燃物干燥指数可以脱离地域限制，适合于全球草地火险监测，如通过LiDAR数据获取树高数据，基于该指数可用于森林火险预报。火灾的发生和发展是个非常复杂的过程，涉及到许多影响因素，因此火险是一个综合因素共同影响的结果。但是，本文只是从植被状态方面进行考虑，下一步应将影响火灾发展的天气、地形和人类因素考虑进来，增强火险预报精度。