林火是显著影响森林生态系统的干扰因子(Agee, 1991; Specht, 1991)。在3.5~4亿年前，地球上就具备了发生森林火灾的条件，森林火灾的发生直接导致大气中氧气和二氧化碳的比例改变、二氧化碳气体相对增多和温室效应增强(吕静等, 2002)。全球尺度上林火是重要的干扰因子，它影响着地球生物化学循环，在大气的化学循环和碳循环中起着重要作用(Kirsten et al., 2001)。在许多情况下，林火已经成为生态系统中的一部分，优势种已经适应火烧的循环周期。过去的100年中，许多人为引起的林火的频率和强度显著增加(Specht, 1991)。

很长时间以来，人们无限制的积极扑灭一切林火，无论是人为火，还是自然火。长时期的林火扑救工作导制林中可燃物非自然性的积累。在这种情况下，一旦发生发灾，极易发展为大面积的、不易扑救和破坏巨大的森林火灾。林火深刻地影响着陆地生态系统的过程和陆地森林景观的结构(Antonio et al., 2001)。干扰对于塑造和维护陆地生态系统起着重要的作用，而林火对于许多森林生态系统的存在是至关重要的。对林火火历史和火格局的研究一直是林火研究的重要领域，在一个异质性景观结构当中，火灾格局的产生是天气、火源、植被类型、可燃物含水率、地形等多种因素相互之间复杂作用的结果(Hargrove et al., 2000)。这种相互之间的作用在一定程度上反过来影响了景观的形成与发展(Li, 2002)，并影响着物种的组成与结构。

人类日益认识到全球变化是一个复杂的系统科学问题，它主要起因于温室气体的排放。全球变化主要包括：气候变化，大气组成变化，土地利用变化和生物多样性变化4个方面。全球变化影响了不同地区的降水分配和气温升降，进而对植被的分布产生重要的影响。全球变暖可能引起凋落物量和凋落物分解的变化。气温上升可能引发植被分布、物候特征和制约凋落物分解因素的改变，影响森林凋落物动态，最终影响森林生态系统物质循环的功能。

全球变化日益被人们认识到是一个复杂现象，涉及到地球大气功能多维的移动(Townsend et al., 2001)。近年来，人们对全球变化的研究不仅侧重于对全球变化过程的理解，同时更加注重于整个全球生态系统中的生态要素对这种变化的响应，像生物多样性的改变、海平面的升降，植被带的推移，冰川的变化等。全球变化对林火的影响表现为面积与次数、时空分布格局等的变化，实际上，这种林火在全球变化背景下的反应是在与植被带、气候及人类的干扰等相关因素耦合机制作用下的综合反应，而林火分布在纬度地带和经度地带下的波动性则是这种耦合作用的集中体现。进而可以得出随着全球变化的发展，林火在经度和纬度地带上这种波动的量化结果，成为全球变化新的证据。

全球变化在一定程度上影响了自然火源与人为火源的分布，影响了可燃物的空间分布及燃烧特性，由于可燃物的连续积累和能量的快速释放(Drossel et al., 1992; 宋卫国等, 2001)，及其它相关因素的影响，森林火灾在某一特定的区域内表现为一定的火周期, 在空间上和时间上森林火灾的发生表现为一定的波动性。赵茂盛等(2002)的研究表明未来气候变化可能导致我国东部森林植被带的北移，尤其是北方的落叶林的面积减少很大，这种植被分布的改变将在一定程度上影响森林火灾的分布。王明玉等(2003a; 2003b)等对黑龙江省的森林火灾进行研究，发现火场质心在经度方向和纬度方向分别具有不同程度的波动性。而在全球尺度下，这种波动性在不同地区的反应形式尚不得而知。研究这种波动性及对不同区域的敏感性具有重要意义。不同区域中这种波动性是否存在，以及在全球变化背景下火场在空间移动的强度有多大则是本文所研究的内容。

1 材料与方法 1.1 区域及数据来源

研究区域选择北半球森林火灾较为严重的3个区域，分别为美国的阿拉斯加州、加利福尼州及中国的黑龙江省(图 1)。这3个区域分别代表了北半球不同的纬度和经度，具有较为详细的火灾历史数据。

阿拉斯加州火历史数据来自于阿拉斯加州防火办(Alaska Fire Service)，火历史记录为1950—2000年。加利福尼亚州的火历史数据来自于加利福尼亚州林务防火局(Department of Forestry and Fire Protection)，火历史记录为1895—2001年，其中1897，1899，1904，1905 4年数据缺。黑龙江省火灾数据来自于黑龙江省防火办，历史记录为1980—1999年。

1.2 研究方法

质心是描述空间目标分布的最有用的单一量算量，火场的质心是火场的平均位置，它是火场空间分布的平衡点，它可以通过下列公式计算：

其中，i是离散的火点位置，W_i为该火点权重，指着火点与火场边界的距离。X_i，Y_i为火点坐标。

本研究根据火灾历史数据，分别计算出每年的所有火场的质心。通过对历年火场质心的计算，可以有效简化复杂火场分布格局，将林火在全球变化背景下在时间空间维中的波动综合地表现出来，进而可以利用谱分析方法对这种波动性进行研究。

谱分析可以用来分析一维或二维空间数据中反复出现的空间特征，它的基本思想是利用傅立叶变换将实测数据分解为若干不同频率、不同振幅、不同起点的一组正弦波，然后寻求对实际数据拟合最好的波函数。谱分析通过把火点和火场质心数据与已知波形函数进行比较来确定质心的时空分布格局，通过谱周期图可以反应出质心的周期性变化和随机性变化。线性的多元回归模型可以写成如下形式：

式中，λ_k表示波函数的波动频率，a_k，b_k表示相关系数，q为相关系数个数。

本文分别统计3个区域的火历史数据，在ARC/INFO中计算其每年的火场质心的经纬度，其中对黑龙江省的火历史数据，由于缺乏相应的火场形状数据，以火灾发生时记录的经纬度为中心作圆缓冲区，使缓冲区的面积与火灾面积相等，做出近似的火灾发生的火场分布图。分别计算出每年发生的林火火场质心的经纬度坐标(图 2)。分别对各质心坐标和年份进行波谱分析，得出质心的波动周期。

2 结果与分析 2.1 林火空间的位移

火场质心在空间的分布具有较为明显的带状分布特征，各具有一个分布中心。阿拉斯加州的分布中心为151.11°W、64.96°N，加利福尼亚州的分布中心为120.02°W、37.11°N，黑龙江省的分布中心为127.07°E、49.59°N，其在经度方向的波动幅度分别为阿拉斯加州17.67°，距离为422.2 km；加利福尼亚州5.48°，距离为383.5 km；黑龙江省5.60°，距离为276.5 km (表 1)。在纬度方向的波动幅度分别为阿拉斯加州5.94°，距离为457.2 km；加利福尼亚州4.74°，距离为608.0 km；黑龙江省为5.97°，距离为351.7 km。

分别统计3个区域的火场质心数据，根据火场质心的经纬度，分别做出质心随年份的波动曲线(图 3)。阿拉斯加州在经度上波动的最大值为160.89°W，最小值为143.22°W；在纬度上的最大值为66.59°N，最小值为60.65°N。加利福尼亚州在经度上波动的最大值为121.90°W，最小值为117.16°W；在纬度上的最大值为39.61°N，最小值为34.13°N。黑龙江省在经度上波动的最大值为128.68°E，最小值为123.07°E；在纬度上的最大值为52.82°N，最小值为46.86°N。

分别以经度为横坐标，纬度为纵坐标，做出火场质心在空间分布的趋势线。阿拉斯加州的林火火场质心分布的拟合曲线为：y = 0.07x + 75.411，R²=0.071 1。加利福尼亚州的林火火场质心分布的拟合曲线为：y = 1.273x - 115.7，R² = 0.760 7。黑龙江省的林火火场质心分布的拟合曲线为：y = -0.842x + 156.54，R² = 0.678 8。式中x为经度，y为纬度。可以看出，阿拉斯加州的林火火场质心在空间分布上较为分散R² =0.071 1，加利福尼亚州和黑龙江省的林火火场质心则以拟合曲线为中心呈带状分布，其质心相对集中。

从图 3可以看出，阿拉斯加州和加利福尼亚州的林火火场质心在纬度方向明显得向低纬度方向偏移，阿拉斯加州的林火火场质心从1950-2000向南偏移了5.94°，偏移距离达457.2 km，加利福尼亚州的林火火场质心从1895-2001向南偏移了4.74°，偏移距离达608.0 km。

加利福尼亚州的林火火场质心在经度方向波动性地向东偏移，这种偏移除了受分析区域本身的影响外，也受气候变化，及相关的可燃物管理措施的影响。在黑龙江，由于过多的人为干扰，使得火场质心在空间上的波动性较为明显而位移并不明显。

2.2 林火空间的波动性

阿拉斯加州的林火火场质心在经度方向具有两个明显的峰值，其频率分别为：0.24、0.16，相应的周期为4.2 a，6.25 a。其中6.25 a的周期具有较高的谱密度，相应强度较大。加利福尼亚州的林火在周期性波动的同时，也缓慢地向东移动，这种方向性的变化导致多个波动中心的存在。加利福尼亚州的林火火场质心在经度方向上具有多个波动周期，长周期强度较大，短周期强度较小。其中两个较大的频率为：0.16、0.0094，其周期相应为：6.24 a，106 a。

阿拉斯加州和加利福尼亚州的林火火场质心在纬度方向上不具有周期性，由图 4可以看出在这2个区域林火主要发生在低频部分，也就是说每次林火发生的时间间隔非常长，而且时间间隔不规则，这与这两个区域的林火管理水平较高有很大关系，及时的扑救使得林火控制在小面积的水平，同时由于长时间的扑救使得林内可燃物逐年累积，能量不断增高，在极端气候条件下，一旦发生火灾极易失控，这时人为的扑救措施将对林火的发展影响甚微。因此这两个区域林火以时间间隔不规则的大面积火灾为主，而且一旦发生，后果极其严重，如2003年加利福尼州的森林大火是对这一分析极好的例证。

黑龙江省在经纬度方向均具有较为明显的波动性，根据火场质心随年份的变化关系进行波谱分析。从谱密度周期图中可以看出，火场质心在经度和纬度方向具有明显的周期性，分别在频率为0.15和0.3位置形成2个明显的波峰，周期为3.3 a和6.67 a。

周期性的波动对森林火灾健康的调控是有益的，对于长时期波动甚小，森林火灾维持在较低水平的区域极易发生大面积的森林火灾，这从另一个方面与森林火灾的自组织临界性相互印证，周期性消除可燃物对于降低可燃物能量累积和发生火灾时能量释放的强度是有益的。对于经度方向的周期性，火灾在经度方向的位移较小，而波动性明显。在纬度方向上，位移则占主要因素，其波动性则不明显。对移动的影响因素是多方面的，气象只是其中1个方面。它同时受森林经营、林火管理、人口分布等多种因素的影响。

火源是引起林火的主导因素。林火火场的分布与火源的分布密切相关，火源随时间地点不同而有所变化。火灾发生次数与人口分布密切相关，在距离居民地较近的林区，多易发生林火，又由于较易扑救，相应面积较小。大面积的林火多发生在可燃物连续分布、人烟稀少，交通不便的边远原始林区，因此很少及早发现和及时扑救，容易形成大面积的林火。火源的分布具有极大的随机性。火源分为自然火源和人为火源，在中国东北林区，雷击火占自然火源引起林火的主要部分，雷击火具有一定的时空分布特征。人为火源的分布与人口分布有密切关系，胡海清等(2002)研究表明，林火次数与林业人口分布呈正相关，而林火面积与人口无关，人为火源的分布在整个东北林区是东南多于西北，一般开发早的林区火灾次数多，开发晚的林区、寒冷的地区火灾次数少。人为火源受到距离居民点的远近，道路交通网的密度、火源的密度、气候因素的影响。对于火场的质心而言，火场面积的大小和分布特征决定了火场质心的分布状况，由于可燃物的连续积累和能量的快速释放(Drossel et al., 1992; 宋卫国等, 2001)及其他相关因素的影响，森林火灾在某一特定的区域内表现为一定的火周期，而可燃物的周期性积累和气象要素年际间的波动决定火场质心在短时期内受气象要素影响和长时间内受可燃物累积的周期性影响而表现为不同的周期性。

3 结论

本文分别对3个区域，美国的阿拉斯加州、加利福尼州及中国的黑龙江省的林火的火场质心进行研究。这3个区域的火场质心分别以一定的分布中心呈波动状态，其中火场质心在阿拉斯加州的分布中心为151.11°W、64.96°N，在加利福尼亚州的分布中心为120.02°W、37.11°N，在黑龙江省的分布中心为127.07°E、49.59°N。阿拉斯加州的林火火场质心在空间分布上较为分散，加利福尼亚州和黑龙江省的林火火场质心则以拟合曲线为中心呈带状分布，其分布相对集中。

阿拉斯加州的林火火场质心在经度方向波动的最大值为160.89°W，最小值为143.22°W；在纬度方向的最大值为66.59°N，最少值为60.65°N。加利福尼亚州的林火火场质心在经度方向波动的最大值为121.90°W，最小值为117.16°W；在纬度方向的最大值为39.61°N，最少值为34.13°N。黑龙江省的林火火场质心在经度方向波动的最大值为128. 68°E，最小值为123.07°E；在纬度方向的最大值为52.82°N，最小值为46.86°N。

美国阿拉斯加州和加利福尼亚州火场质心在经度方向上均具有较强的周期性，阿拉斯加州的林火火场质心在经度方向的周期为4.2 a，6.25 a；加利福尼亚州的林火火场质心在经度方向上的波动周期为6.24 a，106 a。黑龙江省的林火火场质心在经纬度方向均具有较为明显的波动性，其周期为3.3 a和6.67 a。而林火火场质心在阿拉斯加州和加利福尼亚州的纬度方向上不具有周期性，林火发生以低频率的大面积火灾为主。

4 讨论

本文选择了全球有代表性的3个区域进行研究，而如何在全球尺度范围内在更长的时间尺度下研究多种气象要素对林火在空间上的波动性的影响则是笔者需要密切关注的内容。对林火在空间上的波动性的影响因素是复杂而多样的，它涉及了一系列的随机因素和周期性因素。同样，多种因素的共同作用，使林火在空间上表现为一定的周期性波动和随机波动，本文仅研究了周期性波动，而对于随机波动及其影响因素，以及这种波动在全球变化背景下的意义尚需进一步探讨。森林火灾在空间的变化一直以来缺少量化的指标，根据温度和降水的区域性模型，并与植被分布、植被演替及植被动态模型相耦合，进而模拟出林火在未来的区域性分布特征，是进一步要研究的内容。