森林可燃物是森林燃烧的基本条件，近年来世界气候异常，气温升高，包括中国在内，全球正在经历一次大的以气候变暖为特征的气候变化过程(王明玉等，2003a；2003b)。天气异常与森林可燃物变化相结合，森林火灾发生危险性有增加的趋势。生物防火林带可以有效阻隔森林火灾的蔓延，是预防大面积森林火灾发生的重要措施之一。森林防火林带的规划需要对火行为、可燃物、地形、火环境等进行系统地分析，因地制宜，结合林相改造，合理布局，使防火林带与防火线以及天然屏障连接成网，把林地分隔成阻隔封闭区，才能发挥防火线的阻隔作用(田晓瑞等，2000)。可燃物和火行为特征是其中最关键的2个因素。森林火灾的发生和蔓延与可燃物尺寸、结构、组成、理化燃烧特性、载量、含水率等密切相关。对可燃物的研究涉及可燃物的理化性质(王希田等，1993)，可燃物含水率(覃先林等，2001；金森等，2000)，可燃物分类(覃先林等，2004；Tian et al., 2005)，可燃物载量估算(胡海清等，2005；单延龙等，2004；2005)等方面，可以采用遥感(覃先林等，2004；Tian et al., 2005)、立地调查(胡海清等，2005；单延龙等，2004)、模型分析(胡海清等，2005)、试验分析(骆介禹等，1992)等方法。对火行为的描述可以通过野外火烧试验(王贤祥等，1995)、室内试验(张家来等，2002；林其钊等，2000)、模型模拟(朱霁平等，1999；张景群等，2001；George et al., 1999；Mark et al., 2001；唐晓燕等，2002)及遥感分析(舒立福等，2001)等方法，基于不同尺度和不同研究目的可以采用不同的研究方法。

可燃物空间分布特征与森林火灾行为特征密切相关，包括可燃物的水平分布和垂直分布及不同空间分布下的载量分布，对于火行为的强度和燃烧类型均有不同程度的影响。本文以北京市西山魏家村林场为研究区域，对风场进行模拟，进而计算地表火和树冠火的潜在火行为特征，为防火林带规划提供量化指标，对可燃物管理、扑火安全防范也有借鉴意义。

1 研究区域概况

北京市西山林场位于北京市近郊小西山，地跨海淀、石景山、门头沟3区，是以经营风景林为主的城市景观生态公益型国有林场，总面积为5 949 hm²，森林覆盖率为92.22%。西山林区是距北京市区最近的一处山林，与香山公园、卧佛寺、碧云寺、八大处等名胜古迹相邻，构成著名的西山风景旅游区。西山林场所处小西山属太行山系的低海拔石质山，山区平均海拔200~400 m，最高峰克勒峪海拔800 m，年降水量660 mm，但近几年连续干旱，实际年降水量仅400 mm左右。小西山土层较薄，一般30~50 cm，土壤中石砾含量多，立地条件较差，不利于造林和树木生长。小西山有维管束植物90科、286属、517种。自1981年以来，西山林场共发生森林火灾200多起，火灾成为威胁该地生态安全重要因素，本文以西山魏家村林场作为研究区域，区域面积为701.2 hm²，对其可燃物特征和火行为特点进行研究。

2 材料与方法 2.1 样地调查、可燃物载量和热值

当地的植被类型乔木类主要包括：侧柏(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabulaeformis)、栓皮栎(Quercus variabilis)、刺槐(Robinia pseudoacacia), 还有少量的山桃(Amygdalus davidiana)、黄栌(Cotinus coggygria)、桑树(Morus alba)、山杏(Prunus armeniaca)、元宝枫(Acer truncatum)、槲栎(Quercus aliena)、臭椿(Ailanthus altissima)、榆树(Ulmus pumila)、白蜡(Fraxinus chinensis)、蒙桑(Morus mongolica)、栾树(Koelreuteria paniculata)等。

灌木植被类型主要包括：荆条(Vitex negundo var. heterophylla)、孩儿拳头(Grewia biloba var. parviflora)、绣线菊(Spiraea salicifolia)、鼠李(Rhamnus davurica)、酸枣(Ziziphus acidojujuba)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、君迁子(Diospyros lotus)、河朔荛花(Wikstroemia chamaedaphne)、蛇葡萄(Ampelopsis sinica)等。

草本植被类型主要包括：荩草(Arthraxon hispidus)、北京隐子草(Cleistogenes hancei)、龙芽草(Agrimonia eupatoria)、紫花地丁(Viola philippica)、细叶苔草(Carex stenophylla)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、野菊(Flos chrysanthemi)等。

根据森林清查数据及样地调查，将可燃物分为阔叶林、针叶林、混交林和疏林地4种可燃物类型，每一种类型设置3块20 m×20 m样地，并用GPS标定。乔木主要测定胸径、树高、活枝枝下高、死枝枝下高，树种；灌木设置5 m×5 m样方(每个标准地1个)，调查灌木基径、灌高，灌木种类，采用收割法，对全部样本称取鲜质量；草本采用1 m×1 m样方(每个标准地3个)，调查草本层盖度、草高、草本种类，并用收割法取样称取鲜质量；地表枯落物和半分解层用20 cm×20 cm样方(每个标准地3个)，主要测量枯落物和半腐层厚度，并取样称取鲜质量。

把取回样品放入烘箱内，在105 ℃下连续烘干24 h至绝干质量，用电子天平称质量，计算出每个样方内不同种类可燃物含水率，进而计算出样方内灌木、草本、枯枝落叶层和半分解层可燃物的载量。

对于乔木可燃物载量的估算，采用乔木生物量的估算方法，国内外学者普遍接受相对生长模型W =a(D²H)^b估算生物量，根据当地典型乔木类型选择适当的生长模型(陈灵芝等，1984；1986；毕君等，1993；鲍显诚等，1984)，基于其生长模型，对乔木的树叶、树枝和树干的生物量进行计算，进而计算得到各部分可燃物载量。

可燃物的热值与火烧强度密切相关，关于不同植被热值的测定已有大量的研究，本文查阅相关文献(田晓瑞等，2002；徐永荣等，2004)基础上对不同可燃物类型的热值进行确定。

2.2 风速、风向的模拟

风速和风向对林火行为影响很大。统计2000—2006北京地区2个气象站点(站点号：54416，54511)日值数据，计算得到最大平均风速的风向统计，根据风向玫瑰图，确定主风向为东北、西南方向，最大平均风速的平均值3.6 m·s^-1。

地形可以改变风速、风向，也可以产生涡流现象，地形和风场的共同作用会对火行为产生很大影响，用于天气预报的全球尺度和中尺度的风场模型并不能满足小尺度的火行为模拟的需要。其原因在于许多全球尺度的模型假设重力场与压力场存在平衡，然而在小尺度上由于惯性载荷在垂直方向对压力的影响并不能完全忽略，并且中尺度模型不能很好地解决地形的变化对风产生的影响。本文使用wind_ninja软件对风场进行模拟，建立风向和风速图层，然后再转换为栅格数据，在ArcGIS中进行火行为模拟。

一般认为，在裸地或林冠上的风廓线均呈对数规律变化，但是在单株树木和林分内风速随高度的变化则不呈对数规律。单株针叶树树冠内的风速廓线呈指数形式分布，在林分内的风速廓线可用风的减弱系数来表示(Zhu et al., 2004)。关德新等(2000)根据风洞模型试验，分析了树冠结构参数疏透度β和透风系数α与附近的风速场特征，表明透风系数与疏透度之间符合幂函数关系。邓湘雯等(2002)通过试验确定防火林带疏透度β与透风系数之间有一定的相关性，关系式为: α= 1.092 58β^{0.508 47}。

疏透度又称透光度，是表示林带疏密和透风程度的指标，可用林带纵断面透光孔隙总面积和林带纵断面垂直投影面积之比来表示，采用方格景框法、照相法和目测法测定。而疏透度的测量比透风系数方便，可用树木的测量数据计算得到，也可目测估计或用数字图像处理法，由照片精确测定。本文利用目测法估测林内疏透度，根据透风系数与疏透度之间的幂函数(邓湘雯等, 2002)近似计算林内风速，进而计算地表火蔓延速度、火强度和火焰高度。

2.3 火行为的计算公式 2.3.1 蔓延速度

蔓延速度是指火头在单位时间内前进的距离，本文采用修正后王正非(1992a)的计算公式

(1)

式中R₀是初始蔓延速度；K_s是可燃物配置格局更正系数；K_w是风力更正系数；是地形坡度更正系数。

K_s用来表征可燃物的易燃程度(化学特性)及是否有利于燃烧的配置格局(物理特性)的一个订正系数，它随地点和时间而变。对于某时、某地来说，整个燃烧范围和燃烧过程中，K_s可以假定为常数，对于连续的林地类型，K_s取值1。

风速更正系数为

(2)

地形更正系数为

(3)

式中R₀取决于细小可燃物的含水率，而细小可燃物的含水率又受气温、风速和空气湿度的影响。王正非(1992b)通过100余次野外试验，通过回归计算得出细小可燃物初始蔓延速度与日最高气温、中午平均风级、日最小湿度的回归方程:

(4)

式中T为日最高气温；V为中午平均风级；H为日最小湿度(%)。a，b，c，D为常数，分别为0.03，0.05，0.01，0.3。统计2000—2006年北京地区气象指标，求得R₀=0.011 13 m·s^-1。

2.3.2 火线强度

火线强度是指在单位时间内单位火线长度上向前推进发出的热量。一般火线强度的计算式采用白兰姆公式

(5)

式中I_l为火线强度, kW·m^-1；m为单位面积内的可燃物质量，kg·m^-2；c为可燃物的平均发热量，kJ·kg^-1；v为火线前进速度，m·s^-1。

2.3.3 火焰高度计算

火焰高度指垂直于地面连续的火焰高度(王正非，1992a)，可用下式表示：

(6)

式中h为火焰高度，m；I_l为火线强度，kW·m^-1；a为可燃物类型常数，草原或连续型植被的a=1。

2.4 地理数据处理

在ArcGIS中将1:10 000地形图进行数字化，生成等值线，并转换成栅格数据，对其坡度进行提取，进一步得出地形更正系数(公式3)。将DEM数据由GRID格式转换为ASCII格式，用wind_ninja软件在平均最大风速平均值3.6 m·s^-1和东南方向为主风向条件下，输入DEM数据，对风场进行模拟，计算出风速场，进一步计算出风速更正系数(公式2)，根据公式(1)计算出火蔓速度场，进一步对火强度和火焰高度分布进行计算。

地表火和树冠火发生时可燃物消耗量的假设:地表火发生后，地表枯枝落叶层、半分解层、草本和灌木全部消耗完，地表有效可燃物的载量为上述各部分的总和。树冠火发生时按树叶、树枝消耗完计算。

3 结果与分析 3.1 可燃物垂直特征

森林可燃物是森林燃烧的物质基础，可燃物不但有其一定的动态变化规律，而且也与环境条件密切相关。可燃物类型，可燃物载量，可燃物组成和结构，可燃物高度或厚度等对火行为都有深刻的影响。

研究区域内不同可燃物类型的载量有很大的不同(图 1)，地上部分可燃物总载量针叶林为81.93 t·hm^-2，阔叶林为57.46 t·hm^-2，混交林为107.01 t·hm^-2，疏林地为51.91 t·hm^-2。

细小可燃物是决定火险高低的主要因素，其中草、枯落物等的载量和分布是决定火灾初始蔓延速度的重要因素。树冠可燃物的载量是决定树冠火火强度和蔓延速度的重要因素。研究区域内，由于森林郁闭度高，林冠层在空间上呈连续分布，树冠火的危险性加大，有计划地对林中可燃物进行分割，如修建防火林带、防火公路等，加大可燃物的不连续性，将有效地降低树冠火和地表火的火烧面积。

可燃物的高度对于火烧类型从地表火向树冠火过渡起决定性作用，研究区域内灌木层和草本层的高度不但对地表火的火强度具有影响，也成为地表火向树冠火过渡的通道(表 1)，在进行防火林带管理和可燃物管理过程中，要根据当地的火行为特征，对枝下高、草本、灌木、枯落物等进行清理，将有效地减少地表火的火强度，降低火焰高度，使梯形可燃物的有效高度增加，减少树冠火发生的危险性。

3.2 火行为相关指标

影响火蔓延速度的主要因素为风速、地形条件，以及由前期气象条件决定的可燃物湿度。地形对火灾的发生发展有明显的影响，不同的地形条件会构成不同的森林小气候，引起生态因子的重新分配，使可燃物数量、类型都发生变化，直接影响到林火的蔓延和火强度。在文中设定的气象条件下，地表火的蔓延速度为0.01~0.22 m·s^-1，树冠火的蔓延速度为0.12~2.25 m·s^-1，由于冠层外风速比林内风速明显偏大，使得在同一风速背景下林内地表火蔓延速度比树冠火蔓延速度显著降低。

火线强度是林火行为重要标志之一。森林燃烧时，火强度变化幅度为相差极大。有些林火专家认为，当火强度超过4 000 kW·m^-1时，林内所有生物都会烧死，只有火强度小于4 000 kW·m^-1时，才有生态意义。森林火灾的火强度变化很大，一般将火强度分为：低强度750 kW·m^-1以下，中强度750~3 500 kW·m^-1，高强度3 500~4 000 kW·m^-1(舒立福等，2004)。地表火的火线强度为144~6 595 kW·m^-1，树冠火的火线强度为3 214~189 002 kW·m^-1，由图 2可以看出，在设定的气象背景林内地表火以中低强度为主，对林内生物影响不是很大，但树冠火的火强度以中高强度为主，这时不但扑救难度加大，对林内生物的伤害也极大。因此，避免发生高强度的树冠火是减少火灾损失的重要措施。

地表火的火焰高度为0.37~2.50 m，在本文所设定的条件下，由于地表火、灌木等可燃物的存在，林内枝下高偏低，很容易由地表火引发树冠火。树冠火的火焰高度为1.75~13.4 m，大部分火焰高度小于10 m(图 3)。一旦发生树冠火，由于空中可燃物连续性高，火蔓延速度比地表火显著加快，火强度极高，扑救难度大。在进行防火公路和防火林带建设时，可以参考相关火行为参数，进行合理设计。

山地条件下，陡坡会自然地改变林火行为，尤其是林火的蔓延速度。随着坡度的增加，火焰由垂直发展状态而转变成为水平发展状态，大大提高了辐射热能的传播。火焰上空形成对流柱，产生高温使林冠层和空中可燃物预热。浓烟为受热气体上升到冠层提供了良好的通道。树冠层到地面的距离较近。使地表火的火焰更容易达到树冠，也增加了地表火向树冠的热辐射强度，使树冠火形成的可能性增大；其次，上山火火强度显著增加，表现为火焰高度和辐射强度均比无坡度时大，这也是树冠火形成的有利条件(寇晓军等，1998)。

4 结论与讨论

可燃物分布和载量是决定林火行为的重要因素，本文根据历史气象数据对研究区域的主风向和最大平均风速进行确定，在此背景下对火行为进行模拟计算。分别地表火发生时的地表有效可燃物载量和树冠火有效可燃物载量进行计算，并在此基础上对地表火和树冠火的火行为进行了分析。

其中地表有效可燃物载量为草、枯落物和灌木层的总和，针叶林为14.09 t·hm^-2，阔叶林为7.14 t·hm^-2，混交林为18.38 t·hm^-2，疏林地为10.75 t·hm^-2。其树冠火的有效可燃物载量，针叶林为39.87 t·hm^-2，阔叶林为13.82 t·hm^-2，混交林为39.74 t·hm^-2，疏林地为15.9 t·hm^-2。枝下高：针叶林为230.0 cm，阔叶林为200.0 cm，混交林为200.0 cm，疏林地为280.0 cm。

地表火和树冠火的火行为特征包括，地表火的火蔓延速度为0.01~0.22 m·s^-1，树冠火的火蔓延速度为0.12~2.25 m·s^-1，地表火的火线强度为144~6 595 kW·m^-1，树冠火的火线强度为3 214~ 189 002 kW·m^-1，地表火的火焰高度为0.37~2.50 m，树冠火的火焰高度为1.75~13.4 m。

在防火林带规划时主要涉及的火行为指标的火焰高度，地表火的火焰高度决定的地表可燃物和枝下高清理的程度，在进行林带管理时，要将枝下高控制在火焰高度以下，本文估算的地表火的火焰高度为0.37~2.50 m之间，因此对于防火林带进行管时，枝下高要空制在2.50 m以上，对林下的枯落物、草本和灌木进行有效的清理，通过这些措施将有效降低地表火的火强度和火焰高度，提高梯形可燃物的有效高度，降低树冠火发生的危险。

树冠火的火焰高度用于估算防火林带规划时的林带宽度，根据树冠火火焰高度分布图可以确定林带不同位置的有效宽度。不同的地段，由于坡度、风速、可燃物类型和载量的原因，防火林带的有效宽度有不同程度的降低。树冠火只在极端的天气情况下才会发生，本文计算的气象条件风速为最大平均风速，因此树冠火的火焰高度只是发生树冠火时极端天气条件下的火焰高度，在实际中很少发生。

本文根据历史气象数据，在对可燃物载量分布的基础上对森林火灾的火行为进行分析，在进行防火林带规划时，可以参考相关火行为指标进行合理规划。在不同的位置根据火强度和火焰高度设置相应的林带宽度，进行林带内可燃物管理时，可以结合地表火火焰高度，对林带内树木的枝下高进行管理，使得枝下高控制在火焰高度以上，减少树冠火发生的可能性。在进行可燃物管理、扑救森林火灾时，也可参考文中计算的火行为特征，使管理和扑救更加有效。