内蒙古兴安盟阿尔山市森林地表死可燃物含水率与气象因子的相关关系

◎王晨阳

一、研究区概况

阿尔山全称“哈伦阿尔山”，地理座标为东经119°28'～121°23'，北纬46°39'～47°39'，是全国纬度最高的城市之一。总面积7408.7平方公里，平均海拔1200米，全年无霜期为39～113天。年平均降水量441。4mm，主要集中在5～9月，占年降水量的65～70%。年平均气温为-2.3℃，年平均日照时数2497.6h。森林覆盖率80%以上，绿色植被覆盖率95%以上。是内蒙古自治区重点林区之一，也是森林草原防扑火重点地区。

二、目的与意义

由于阿尔山市西部边界与蒙古国接壤，每年春秋季蒙古国草原火对阿尔山地区的森林资源、生态安全和人民财产构成极大威胁。森林草原火灾的发生及发展很多大程度上取决于可燃物含水率的高低和时滞，而各种气象因子又直接或间接的影响着可燃物含水率的变化，进而影响到可燃物着火的难易程度。通过研究气象因子与地表死可燃物含水率的相关关系，预测可燃物含水率的变化，从而进行森林草原火险等级预报，对于预防火灾发生、控制火灾燃烧和蔓延具有重要意义。

三、国内研究现状

1981年，胡嘉良等根据美国火险尺理论并结合小兴安岭地区可燃物含水率的特点和当地气象数据特点得到了东北林学院火险尺。1988年，杜秀文等对帽儿山林内的可燃物含水率与气象因子进行了多元线性回归分析，并建立了相应的回归模型。1992年，居恩德等提出可燃物的含水率尤其是地表细小死可燃物主要受气象因子的综合影响，而且气象因子既包括林内气象要素又包括林外天气条件。1996年，何忠秋等提出气象因子对可燃物含水率的作用存在一定的滞后性，并由此建立带有时滞的可燃物含水率回归模型。1998年，马丽华等根据可燃物含水率和测量日期之间的函数关系，建立了动态可燃物含水率模型。2000年，金森等根据平衡含水率理论和水份交换导度建立了多种可燃物含水率时间动态方程。2003年，单延龙引入因子分析和专家打分法对不同类别的可燃物含水率与抗火性进行了研究。2007年，金森等根据平衡含水率理论来构建了带有时滞的可燃物含水率预测模型。2011年，曲智林等在考虑气象因子情况下，根据微分方程理论建立了可燃物含水率预测模型。2016年，颜欢欢运用方差分析研究森林火灾与气象因子的相关性。李时舫等开发软件系统来进行森林地表可燃物含水率监测与林火等级预报，2017年，王辛悦等利用变系数回归方法建立了可燃物含水率预测模型，较常系数回归模型有更好的拟合效果，2018年，张恒等利用pearsen法对气象因子和细小可燃物含水率进行相关性分析，通过比较不同间距的气象站数据，得到误差更小的预报模型。2019年，叶颖慧利用光纤光谱仪对森林地表死可燃物不同含水率下的红外光谱特性进行了分析，验证了基于红外吸收光谱法在线测量森林地表凋落物含水率的可行性，同时为测量原理及红外激光器的选择提供了依据，为可燃物含水率的测量提供了更便捷更精确的方案。

目前对于可燃物含水率的预测方法大致分为4类：

1.气象要素预测法。

为了快速简单的测定含水率，基于国外学者的模型，采用气象要素回归法来预测，即通过检测各气象数据，采用统计方法将气象数据与可燃物含水率数据建立关系。上述大部分对于森林可燃物的含水率的建模大部分属于气象要素预测法。

2.遥感估值法。

利用高光谱遥感技术直接探测植被含水率，但是这个方法只能检测裸露出来的植被含水率，适用于草原防火，对于落叶等死可燃物有一定的局限性。

3.平衡含水率法。

根据变化的温度、湿度和风速等气象因子求出变化的平衡含水率和时滞，再用时滞和平衡含水率对森林可燃物含水率进行预测，这项方法已经在火险等级系统中得到了很好的应用。

4.红外光谱法。

制作红外反射率测量装置在线测量森林地表凋落物红外光谱，结合水的红外吸收光谱和地表死可燃物不同含水率下的红外光谱特性，对可燃物含水率进行标定。

由于资金和技术限制，本项目拟采用第一种方法分析气象因子与可燃物含水率的相关关系，建立适用于阿尔山地区的可燃物含水率预测模型，进行森林火险等级预报，实现业务化应用。

四、资料来源与研究方法

1.资料来源。

林地死可燃物样本采集于熊瞎沟林区、白狼林区、五岔沟林区、杜鹃湖景区；地表死可燃物含水率的测定采用称重法：

式中：γ代表含水率，m1表示鲜重，m2表示对死可燃物完全烘干后的干重。

与可燃物含水率对应的气象因子数据使用取样点临近的自动站数据：2017-2021年区域自动气象站阿尔山站、白狼站、五岔沟站最高气温、最小相对湿度、日降水量及最大风速资料。

2.分析方法。

利用Excel软件画图分析各林区死可燃物含水率与气象要素建的相关关系，采用多元线性回归模型进行数据处理，建立方程模型。

五、结果与分析

1.日最高气温与含水率的关系。

图1为阿尔山、五岔沟、白狼三个站点日最高气温与林地内死可燃物含水率的相关关系图。由图可知，可燃物含水率的大小与日最高气温呈负相关关系。气温的升高，导致蒸发加快，林地内死可燃物水分流失加快，含水率降低，将变得更加干燥易燃。

2.日最小相对湿度与含水率的关系。

图2为阿尔山、五岔沟、白狼三个站点日最小相对湿度与林地内死可燃物含水率的相关关系图。由图可知，可燃物含水率的大小与日最小相对湿度呈正相关关系。林地内空气为死可燃物的一道屏障，空气相对湿度的增加，可减少死可燃物水分的流失，并通过凝结作用为死可燃物增加水分，间接的提高了死可燃物含水率。相对湿度的增加还能够使林地内气温升高速度减缓。

3.日降水量与含水率的关系。

图3为阿尔山、五岔沟、白狼三个站点日降水量与林地内死可燃物含水率的相关关系图。由图可知，可燃物含水率的大小与日降水量呈正相关关系。降水可以直接作用于林地内可燃物，增加其水分含量。同时可以提高林内空气湿度，调节林地气温。

4.日最大风速与含水率的关系。

图4为阿尔山、五岔沟、白狼三个站点日最大风速与林地内死可燃物含水率的相关关系图。由图可知，可燃物含水率的大小与日最大风速呈负相关关系。风速的增加会使林地内空气流速加快，导致蒸发速度加快，死可燃物的水分流失加剧，含水率降低，将变得更加干燥易燃。

5.可燃物含水率与气象因子的回归模型。

为进一步了解各气象要素与林地内死可燃物的相关关系，在防火期（3月下旬至5月上旬、9月上旬至11月上旬）进行观测，求得阿尔山、五岔沟、白狼三个站点附近林地内死可燃物含水率（落叶松林和白桦杨树混交林），将往年及新采集的死可燃物含水率数据与各气象因子视为一个样本单元，本文选取了日最高气温（℃）、日最小相对湿度（%）、日降水量（mm）、日最大风速（m/s）为自变量，对应站点的林地内死可燃物含水率为因变量，建立多元线性回归关系，方程为：

式中：x1、x2、x3、x4为自变量，x1代表日最高气温，单位：℃；x2代表日最小相对湿度，单位：%；x3代表日降水量，单位：mm；x4代表日最大风速，单位：m/s；b1、b2、b3、b4为相关系数，C为常数。

得出计算结果：

表1 可燃物含水率与气象因子回归分析

由表1可知，各回归方程经F检验，回归效果均显著，因此可用于预测三个站点在防火期内死可燃物的含水率，为阿尔山森林火险等级预报提供参考。

六、讨论与展望

1.本研究在预测可燃物含水率时，仅选择了气象因子作为预报因子，为易变因子，在以后的研究中，应增加地形地貌、林型等稳定少变因子作为自变量，多方面研究考察各因子间的相互作用。

2.在建立可燃物含水率预报模型时，可进行多种不同的分析方法，例如聚类分析、主分量分析和判别分析等，多方位多角甄选出对可燃物含水率影响较为显著的因子，进而建立准确性更高的预测模型，为我国林火预测预报研究工作提供强有力依据。

3.本研究采用的气象数据来源于采样地附近的气象站，而采样地气象数据与气象站数据存在差异，如何将可以简单获得的气象站数据与采样地实测气象数据建立联系并应用于预测模型在未来研究中值得进行深入探讨。