2001—2016年阳城自然保护区林火活动变化特征分析

杜 爽 夏利博 田德存 罗淑琪

（1.华北水利水电大学环境与市政工程学院，河南 郑州 450045；2.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450045）

0 引言

森林火灾极有破坏性，山区林火还会引发泥石流、山体滑坡等其他自然灾害。随着全球气候变暖，极端气候事件频发，导致林火的频率、强度等发生变化，严重威胁着人民生命财产安全。因此，森林火灾的防御成为学术界和各国政府普遍关注的问题。

春季为林火活动高发季节［1-2］，且存在区域差异，朱贺等［3］对我国南北方森林火灾火险期动态变化特征分析，得出我国北方春季林火发生期有向早春偏移的趋势，南方火灾季节多为冬春季。曾爱聪等［4］通过对浙江省林火时空变化特征分析，结果表示该地区2001—2016 年森林火灾整体呈上升趋势，且受极端天气影响，火灾季节向夏季偏移，研究也表明林火发生突变年份主要在2010 年、2011 年和2016 年。此外，随着全球变暖，林火活动频繁，余恩旭［5］基于多源遥感数据对西南地区森林火灾燃烧迹地变化趋势进行分析，得到云贵地区林火燃烧迹地整体呈先增加后减少的趋势，高仲亮等［6］基于云南林火数据得出相同结论，且不同气候下对林火活动变化有一定影响，显著受年均气温因素影响。何芸［2］在探究广西林火发生与气象因子的相关性分析中发现，林火活动显著受湿度影响，其次是气温。曾爱聪［7］基于浙江省卫星火点数据分析发现秋冬两季林火的发生主要受日均温度和湿度影响。张恒等［8］人基于我国森林草原火灾周期震荡研究，得出未来林火将处于较活跃的状态。对林火活动的特征进行分析有助于对森林火灾的发生及蔓延做出有效预判，基于此，本研究利用2001—2016 年阳城自然保护区林火燃烧面积数据，采用Mann-Kendall（M-K）趋势检验、Mprlet 小波分析和Pettitt 突变点检验等方法，对保护区林火活动的趋势、周期和突变特征进行分析，以期为保护区林火防治工作提供一些基础性建议。

1 资料与方法

1.1 研究区域及数据来源

山西阳城莽河猕猴国家级自然保护区地处山西和河南两省交界地带（111°30′E～112°30′E，35°N～35°45′N），总面积约为7 500 km2。该区域属温带向亚热带过渡气候，四季分明，雨量充沛，动、植物资源丰富。本研究所用资料为2001—2016 年阳城自然保护区林火燃烧面积资料，该数据来自全球火灾排放数据库（http：//www.globalfiredata.org/），储存形式为HDF5 格式，网格精度为0.25°×0.25°的月尺度数据。气象数据源自从欧洲中期天气预报中心（http：//climate.copernicus.eu/）下载的研究区域内逐月总降水、平均气温、相对湿度和风速数据，作为林火相关性分析研究的初始数据，其时空尺度与火灾数据一致。利用R 语言软件对数据进行提取、截取和处理，得到逐月林火燃烧面积数据。使用AcGIS软件提取并计算区域平均燃烧面积，得到192 个逐月火灾历史时间序列。

1.2 M-K 趋势检验

本研究选用M-K 法诊断2001 年以来阳城自然保护区林火活动变化趋势。M-K 检验是一种非参数统计检验方法，无须样本遵从一定的分布，也不受少数异常值干扰，计算简便［9］。主要通过符号检验来比较燃烧面积序列差值，再计算所有差值之和的统计量S，标准偏差ZS，如果|ZS|≤Za/2，则接受原假设，xi和xj是连续的燃烧面积值（i＜j），计算公式为式（1）和式（2）。

1.3 Morlet小波分析

张恒等［8］人结合我国林火发生次数使用小波分析方法探究林火周期变化规律。本研究在前人的基础上通过Morlet 小波来表征林火周期性特征，通过小波方差可以反映过火面积要素序列能量波动随时间尺度的变化状态，计算速度快且识别效率高。将小波函数ψ（t）进行伸缩和平移后得到小波基 函 数ψ（a，b）（t），函 数 展 开 得 到 连 续 变 换 系 数Wf（a，τ），α和τ两参数是连续变化的值，计算公式为式（3）、式（4）和式（5）。

1.4 Pettitt突变点检验

Pettitt 检验是最先应用于突变点检验的方法，Pettitt变点检测不同于回归模型和参数变点检测等方法，是通过统计量Uk检验时序突变点，用近似意义概率Pk衡量序列样本的相似程度，相比于M-K突变检验法、累积距平法和滑动T 检验法，Pettitt 检验法表现出误差小，适应性强的优势［10］。当P≤0.5时，忽略样本的相关性，视其为有效突变点。ri为序列的秩，若Pk的绝对值最大，即位于U*最大位置，则序列在第k年处存在变点。计算公式为式（6）、式（7）、式（8）。

2 结果与分析

2.1 林火季节及趋势变化

2001—2016年阳城自然保护区过火面积月际和年际变化如图1所示。林火活动主要发生在3—8月，冬季林火活动较少。自3 月开始，过火面积逐渐增加，并于7 月达到最大值。8 月份过火面积开始减少，进入森林火灾低发时段。年际方面，2001—2003 年，研究区过火面积呈下降趋势，2003 年开始波动上升，2006—2012 年相对稳定，2012 年后开始显著上升。阳城火灾活动变化趋势和前人基本一致，我国北方森林火险指数预计在春季（4—6月）和夏季（7—8 月）有增长趋势［1，2，4］。此外，通过M-K趋势检验对燃烧面积进行趋势分析，计算结果显示，Zs=2.51≥2.32，通过了显著性检验，即认为燃烧面积随时间推移，存在上升的趋势。

图1 研究区域过火面积月际和年际变化

2.2 林火周期波动

利用小波分析方法将燃烧面积时序变换，得到其小波实部等值线如图2 所示，以及小波方差如图3 所示。在2013—2016 年时间尺度为10～15 区间内，正负相位相互交替，震荡比较明显，主要震荡有6 次，其他时间段上震荡并不明显且等值线没有闭合。其中2015—2016 年闭合等值线密集，说明在该时间区间内燃烧面积起伏明显。从图3 可以看出，燃烧面积时序主要有两个峰值，对应时间尺度为6 和12。第二个峰值比较明显，在该时间尺度下小波方差为23.16，表明震荡最为剧烈，与上述分析一致。可判断过火面积时序变化的主周期为12个月，次周期为6个月。

图2 小波实部等值线

图3 小波方差

2.3 林火突变点及影响因素

Pettitt 突变点检验显示，其中U*最大值为1 812，对应的Pk=0.1255＜0.5，视该时序对应时间节点为第一有效突变点。将第一突变点前后时序进行分段，得出前段U*的最大值为453，后段U*的最大值为312，前段和后段对应的Pk值均大于0.5，接受原假设，即不存在第二有效突变点。所以在研究区域过火面积时序中存在唯一有效突变点，此时对应的时间节点为2010 年4 月，如图4 所示。本研究选取逐月平均气温、降水量、相对湿度和平均风速四个指标为影响研究区林火活动变化的气象因子，计算其与林火燃烧面积的皮尔逊相关系数。结果表明燃烧面积与平均气温相关性较强，相关系数值达0.59，其次是降水，系数为0.33，过火面积与相对湿度和风速的相关较弱，系数值均在0.3 以下。检验表明，仅有平均气温通过相关性显著性检验。

图4 Pettitt变点检验结果

表1 研究区域燃烧面积与气象数据相关系数结果

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究根据2001—2016 年阳城自然保护区的历史火灾数据和气象数据，采用M-K 趋势检验，Morlet 小波分析和Pettitt 变点检验法来分析阳城自然保护区林火活动变化特征，得到三点结论：①2001—2016 年阳城自然保护区林火活动主要集中在春夏和初秋季节，冬季相对较少；②研究区过火面积在2010 年4 月发生突变，有向上增长趋势，林火活动变化的主周期为12个月；③燃烧面积显著受气温变化影响，与相对湿度和风速的关系较弱。

3.2 讨论

结果显示研究区过火面积时序在2010 年4 月发生向上突变，与过火面积变化及趋势检验结果一致。据WMO 数据显示，我国该年的极端天气引发多地强降水、干旱等气象灾害［11］。2011—2015年也是历史记录中最暖的五年，持续高温导致了毁灭性森林火灾的发生，这也与本研究发现的林火活动显著受气温影响的结论一致。如何定量评估不同因子对林火变化的相对贡献，将是接下来的研究重点。