大兴安岭呼中林区5月火险等级变化趋势分析

国世友，王承伟，刘丽敏

(1.黑龙江省龙云气象科技有限责任公司气象院士工作站,哈尔滨 150030;2.黑龙江省气象台,哈尔滨 150030;3.伊春市气象局,黑龙江伊春 153000)

近百年来，全球气候变暖特征显著。1980年代以来，全球每个连续10 a都比前一个10 a更暖。中国是全球气候变化的敏感区和影响显著区，1951—2019年中国年平均气温每10 a升高0.24 ℃，升温速率高于同期全球平均水平[1-2]，且区域间差异明显，如1959—2014年陕西略阳年平均气温每10 a升高0.15 ℃[3]，西安春季和冬季日数呈缩短趋势、夏季和秋季呈增长趋势[4]。同时气候变暖正在影响着生态环境，千阳县苹果种植将不会受冻害影响[5]，全球森林火灾灾害发生的频率与强度增加[6]。森林作为陆地生态系统，具有调节气候、涵养水源、减少污染、提供科研等多种功能，对维护生态环境起着不可替代的作用[7]。而森林火灾是对森林生态资源危害最为严重的灾害之一，森林的燃烧与气象条件密切相关，高温、干旱、大风天气有利于森林火灾的发生[8-9]。

大兴安岭呼中林区拥有我国最大的温带原生落叶松自然保护区，林间可燃物积累丰富，易燃可燃物随处可见。冬季气温低，地表积雪覆盖，气温处于燃点以下，不易发生火灾；而春季天气回暖，3—4月积雪逐渐融化，5月气温升至燃点以上，加之降水少、大风日多，森林火险等级达到春季的最高等级，一旦发生火灾，危害非常严重。春季林火多是人为火源引起的，因此，了解呼中林区5月火险等级变化趋势，对于人为管控火源，预防火灾发生，减少森林资源的损失具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

大兴安岭呼中林区位于我国大兴安岭主山脉东坡、伊勒呼里山脉北坡，总面积约9 372.44 km2，植被类型以西伯利亚植物区系成分为主，混有东北植物区系和蒙古植物区系成分。典型地带性植被类型为寒温带针叶林，单优势种为兴安落叶松林。主要的针叶乔木树种有兴安落叶松、云杉、樟子松以及少量分布于高海拔山地的偃松。主要的阔叶乔木树种有山杨、白桦、甜杨和位于河岸以及沟谷两侧的钻天柳[10]。

1.2 资料

研究采用的资料包括呼中国家气象观测站1974—2020年5月气温、降水量、风速观测资料；第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)全球气候模式1974—2014年历史模拟试验数据和中等发展情景(SSP2-4.5)2021—2100年预估数据，平均气温和降水量均使用22个模式数据，平均风速为19个模式数据，CMIP6模式数据下载及说明见网站(http://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/)，呼中的模式数据使用双线性插值方法得到。为了便于与历史时期比较，选取1991—2020年为基准时段，变化趋势采用线性倾向率估计。

1.3 集成方法

由于不同的CMIP6模式模拟能力和预估结果存在差异[11]，这里假定模式模拟能力强，则模式预估结果的可信度就高。先计算1974—2014年各个模式的5月平均气温、降水量和平均风速模拟值与观测值的符合度指数，根据指数大小选择模式作为集成成员[12]，平均气温和降水量入选模式的符合度指数超过0.55，平均风速的达到0.50。平均气温选择的模式为GFDL-ESM4、INM-CM4-8、NorESM2-LM，降水量的模式为BCC-CSM2-MR、CanESM5、GFDL-ESM4，平均风速的为INM-CM5-0、TaiESM1。在预估中采用权重集成方法得到呼中林区气象要素值。

权重集成公式为

(1)

其中，y(t)表示第t年的集成值，t为年份(t=2021,2022,…,2100)，m是参加集成的模式数，χi(t)是第i个模式第t年的值，ωi是第i个模式的权重。

权重ωi(i≥1)计算公式为

(2)

式中ri为第i个模式模拟值与观测值的符合度指数。

符合度指数的计算公式为

(3)

符合度指数在0.0与1.0之间，越接近于1，说明模式模拟值与观测值越符合。符合度指数在40%以上为基本可信，60%以上为良好，80%以上为优秀[13]。

1.4 森林火险等级

采用《全国森林火险区划等级》(LY/T 1063—2008)推荐的森林火险因子(树种燃烧类型、人口密度、路网密度、月降水量、月平均气温、月平均风速)权值之和来定义森林火险等级指数[14]，以森林火险等级指数大小划分火险等级。大兴安岭呼中林区地广人稀，假定1974—2100年树种燃烧类型、人口密度、路网密度变化不大，权值分别取10、3、4。逐年的森林火险气象因子权值用f(x)=(1+aebx)-1计算得到[14-15]，式中x为气象因子值，a、b为待定系数，e为常数，取2.72。

2 1974—2020年气象因子和森林火险等级变化

图1a给出了1974—2020年呼中5月平均气温距平变化曲线。由图1a可以看到，1974—2020年，呼中5月平均气温整体的上升趋势非常明显，增温速率为0.31 ℃/10 a。1970年代中后期至2000年代5月平均气温低于基准值(9.1 ℃)，其中1970年代中期至1980年代偏低幅度超过0.5 ℃，1974年最低为6.4 ℃；1990年代、2000年代偏低幅度小。2010年代处于偏高时期，2010年最高为11.0 ℃(表1)。

图1 1974—2020年呼中5月平均气温距平(a)、降水量距平百分率(b)、平均风速距平(c)及火险等级指数距平(d)年际变化

表1 1974—2020年呼中5月平均气温距平、降水量距平百分率、平均风速距平及火险等级指数距平的年代际变化

1974—2020年呼中5月降水量呈现增加趋势(图1b)，增加幅度为10.2 %/10 a。1970年代中后期至2000年代处于偏少时期(表1)，其中1970年代中后期至1980年代、2000年代比基准值(49.0 mm)少20%以上， 2006年最少为10.3 mm(偏少79%)。2010年代为偏多时段，偏多近3成，2015年最多为102.2 mm，比基准值多1倍有余。同时也可以看出，降水量的年际变动幅度大，最大值约为最小值的10倍。

1974—2020年呼中5月平均风速趋于明显减小(图1c)，变化速率-0.17 (m/s)/10 a。1970年代中后期至1990年代平均风速大于基准值(2.2 m/s)的幅度逐渐减小(表1)，到2000年代以后转为小于基准值。平均风速比基准值偏小的年份主要在2007年以后，其中2011年和2012年均偏小0.5 m/s；2006年之前大多数年份偏大，1978年和1999年最大为3.4 m/s。

在气候暖湿化、平均风速显著减小背景下，1974—2020年呼中5月火险等级指数在波动中呈减小趋势(图1d)，变化速率-5.0/10 a。在2000年代之前火险等级指数偏大(表1)，2010年代开始转为偏小。1999年火险等级指数最大为99，比基准值(51)大48，比2015年最小值(37)大62。火险等级指数最大值约是最小值的3倍，年际变化幅度较大。

3 2021—2100年气象因子和森林火险等级变化趋势预估

图2a给出了预估的2021—2100年呼中5月平均气温距平时间序列。由图2a可知，2021—2100年，呼中5月平均气温整体上仍维持上升趋势，增温速率0.15 ℃/10 a。从5月平均气温距平年代际变化幅度来看(表2)，各年代5月平均气温均偏高1.0 ℃以上，其中2020年代至2040年代偏高幅度逐渐增大，2050年代有所回落，2060年代又上升，2070年代小幅下降，2080年代至2090年代又增大，偏高幅度升至2.0 ℃以上。从年际变化来看，2021—2100年呼中5月平均气温有79 a高于基准值，最大值偏高3.9 ℃，最小值偏低0.3 ℃。

图2 2021—2100年呼中5月平均气温距平(a)、降水量距平百分率(b)、平均风速距平 (c)及火险等级指数距平(d)年际变化

表2 2021—2100年呼中5月平均气温距平、降水量距平百分率、平均风速距平及火险等级指数距平的年代际变化

2021—2100年呼中5月降水量在波动中呈增加趋势(图2b)，增加幅度为3.8%/10 a。就降水量年代际变化而言(表2)，2020年代、2030年代偏少，尤其是2020年代明显偏少，达-23%；2040年代以后转为偏多，其中2060年代至2080年代偏多10%以上。从年际变化来看，未来80 a呼中5月降水量最大值为81.4 mm，比基准值多60%以上；最小值23.4 mm，偏少52%。可见，降水量的年际变动幅度仍然较大。

2021—2100年呼中5月平均风速变化趋势不明显，仅表现为微弱的减小趋势(图2c)。2040年代、2050年代偏小(表2)，其它时段偏大，2020年代、2060年代偏大0.1 m/s以上。未来80 a呼中5月平均风速最大值为2.9 m/s，比基准值大0.7 m/s；最小值为1.6 m/s，偏小0.6 m/s。

在气候暖湿化、风速减小情景下，2021—2100年呼中5月火险等级指数整体呈减小趋势(图2d)，变化速率-7.0/10 a。从年代际变化来看(表2)，2020年代、2030年代、2060年代火险等级指数偏大，其中2020年代偏大5.3；其它年代指数偏小，大多数年代火险等级指数距平低于-3.0。在2021—2100年期间，火险等级指数最大值为77，约是最小值(39)的2倍，说明森林火险等级指数的年际变化幅度仍比较大。

4 结论

(1)1974—2020年大兴安岭呼中林区5月气候具有暖湿化的趋势，平均风速和火险等级均呈现减小趋势，平均气温、降水量、平均风速及火险等级指数的变化速率分别为0.31 ℃/10 a、10.2%/10 a、-0.17 (m/s)/10 a、-5.04/10 a。气象因子及火险等级指数年际变化幅度大，平均气温、平均风速和火险等级指数最大值约为最小值的2倍，降水量约为10倍。

(2)中等发展情景下，2021—2100年5月呼中林区整体为气温上升、降水量增加、风速减小、火险等级减小趋势。相对于基准值，2020年代和2030年代平均气温偏高、降水偏少、平均风速偏大、火险等级偏高，2060年代平均气温偏高、降水偏多、平均风速偏大、火险等级偏高，其它年代平均气温偏高、降水量偏多、火险等级偏低。气象因子及火险等级指数年际变化幅度仍较大，平均气温、降水量最大值是最小值的3倍有余，平均风速、火险等级指数的约为2倍。