林业科学  2013, Vol. 49 Issue (4): 157-163   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130424
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文章信息

郑琼, 邸雪颖, 金森
Zheng Qiong, Di Xueying, Jin Sen
伊春地区1980-2010年森林火灾时空格局及影响因子
Temporal and Spatial Patterns of Forest Fires in Yichun Area during 1980-2010 and the Influence of Meteorological Factors
林业科学, 2013, 49(4): 157-163
Scientia Silvae Sinicae, 2013, 49(4): 157-163.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130424

文章历史

收稿日期:2012-09-23
修回日期:2013-02-20

作者相关文章

郑琼
邸雪颖
金森

伊春地区1980-2010年森林火灾时空格局及影响因子
郑琼, 邸雪颖, 金森    
东北林业大学林学院 哈尔滨 150040
关键词伊春    林火    时空分布    气象因子    
Temporal and Spatial Patterns of Forest Fires in Yichun Area during 1980-2010 and the Influence of Meteorological Factors
Zheng Qiong, Di Xueying, Jin Sen     
School of Forestry, Northeast Forestry University Harbin 150040
Abstract: Based on the data of forest fires from 1980-2010 in Yichun region of Heilongjiang Province, the temporal and spatial pattern of the forest fires was studied by using methods, such as GIS, SPSS17.0, and EXCEL. The results showed that the 30 years history could be divided into two periods: it was the high fire occurrence stage during 1980-1987 and duration of 1988-2010 was the steady fire occurrence stage, showing a decreasing tendency. During the whole period of time, ordinary forest fires and big forest fires were the main types of forest fires. Forest fires mainly occurred in Spring and Autumn. In terms of the spatial distribution, the fire frequency and fire area were concentrated in the northern region, mainly in Jiayin and Wuyiling. Based on analysis of different forest fire originations, the moisture, temperature and wind speed had most obvious effects on forest fire occurrence. The more the moisture, the lower the temperature, and the lower the wind speed, the lower possibility the fire.
Key words: Yichun    forest fire    spatial and temporal distribution    meteorological factor    

林火是全球森林生态系统的一个重要干扰因子(Thonicke et al.,2001),联合国已将大面积森林火灾列为8大自然灾害之一。随着全球气候变暖,森林火灾可能会加剧(Grant,1999; 舒立福等,1999)。

对林火规律的研究表明: 自然致灾因子包括相对湿度、风、温度、降水等气象条件,它们是森林火灾发生的基础条件,人为致灾因子是森林火灾的诱导因素(陈宫燕等,2010)。林火分为自然火和人为火,在很多地区,人为火与总林火有相似的规律(金森等,2002)。

白慧等(2008)在黔东南州利用地面自动气象观测站实测资料和MICAPS常规资料,从天气形势、降水、气温、相对湿度、风速、主要火源等方面分析得出: 前期降雨量偏少,气温持续偏高,相对湿度持续偏小,空气含水量小,使火险等级急剧升高。

郭西峡等(2003)全面系统总结了内蒙古自治区境内林火的发生规律: 在火灾年代分布上呈逐年递减的趋势; 年变化呈春季多、秋季略少、冬夏火灾较少的特点,火灾的日变化呈白天多夜间少的特点; 空间分布上呈东多西少的规律,具有与可燃物分布规律相吻合的特点; 在起火原因方面,人为火比自然火多。

舒立福等(2001)认为: 全球气候变化对世界范围内的森林火灾影响很大; 全球释放的CO2量增多,导致大气增温; 近年来强厄尔尼诺、拉尼娜现象频发。这些因素造成了全球森林火灾的肆虐。

Vilar等(2010)构建了火预测模型,用以估测林火发生。通过人为因素、天气状况、森林资源状况、火源等因素综合预测林火发生的规律。

Prosper-Laget等(1998)用植被指数NDVI和地表温度Ts,估算地中海地区林火发生的风险,并通过卫星图片显示其空间分布和时间分布。

Tian等(2011)对加拿大森林火险气象指数(FWI,Canadian forest fire weather index)系统进行了研究,认为此系统可用于大兴安岭地区等中国北方同纬度地区的火险预测和火灾管理。研究指出火灾大小取决于细小可燃物湿度码(FFMC,fine fuel moisture code)的高低。

伊春林区是全国重点国有林区,是珍贵树种红松(Pinus koraiensis)的集中分布区。红松原始森林是小兴安岭生态系统的顶级群落,生态价值极其重要,它维护着小兴安岭的生态平衡,也维护着以小兴安岭为生态屏障的中国东北地区的生态安全(王庆贵等,2008)。

伊春林区在1980—2010年间,共发生森林火灾458起,烧毁林地面积96 405.5 hm2,对区域森林生态系统造成了很大的破坏。对伊春地区森林火灾时空分布格局已有初步研究(胡海清等,2011),而对该地区林火分布格局及发生规律的深入分析未见报道。笔者对此进行了研究,旨在为该区林火监测和预报提供依据。

1 研究地区概况

伊春市位于黑龙江省东北部小兴安岭腹地的汤旺河流域(46°28'-49°21' N,127°42'-130°14'E),行政区划面积32 872 km2,有林地2 846 270.3 hm2,森林覆盖率高达83.4%,多为针阔混交林(李楠,2012)。伊春拥有亚洲面积最大、保存最完整的红松原始林,森林类型是以红松为主的针阔叶混交林,蓄积量较多的树种有红松、云杉(Picea sp.)、冷杉(Abies sp.)、兴安落叶松(Larix gmelinii)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、水曲柳(Fraxinus m and shurica)、黄菠萝(Phellodendron amurense)等。动物资源和林下植物资源也非常丰富。伊春属北温带大陆性季风气候,为黑龙江省地势比较高、气候比较寒冷的地区之一(韩建军,2009)。

2 研究方法 2.1 资料收集

收集以下资料: 1)伊春地区1980—2010年的森林火灾统计数据,包括起火时间、灭火时间、着火点地理坐标、火源类型和过火面积等(2000年、2004年无火灾统计数据);2)气象数据,包括伊春地区1980—2010年的空气湿度、温度和风速等数据;3)行政区划图;4)伊春地区人口数据。

2.2 影响因子的分析

空气湿度、温度和风速是对林火发生有显著影响的3个最主要的气象因子。空气湿度增加、温度降低、风速减小,才能减少林火的发生。将伊春林区作为一个系统进行分析。由于部分数据缺失,没有得到每次火灾发生后的详细数据,因而不能做关于燃烧面积与气候因子(湿度、温度、降水量、气压、风速等)的相关性分析,但可以从背景条件(火灾前3天气象要素)和触发机制(当天气象要素)2方面进行了相关性分析(王淑华等,2008),以期能为森林火险等级预报提供依据。

3 结果与分析 3.1 林火时空分布特征

1)林火时间分布特征(1)火灾次数年际变化伊春地区30年共计发生森林火灾458次,其中,人为火源引起的火灾353次,占总次数的77.07%。在火灾总次数中,一般森林火灾211次,占46.07%,年平均约7次; 较大森林火灾208次,占总着火次数的45.41%,年平均约7次; 重大森林火灾32次,占总着火次数的6.99%,年平均约为1次; 特别重大森林火灾7次,占总次数的1.52%。因此,伊春地区森林火灾的主要类型为一般森林火灾和较大森林火灾。

火灾发生次数的频率可分为2个阶段(图 1):1980—1987年为火灾高发期,共发生火灾281次,平均每年35次,其中1986年和1987年连续2年出现最大值,分别为57次和55次; 1988—2005年火灾次数明显的减少,年平均火灾仅为7.7次。这与人口素质的提高、营林管理及灭火设备科技水平的不断提高等方面有一定的关系。

图 1 伊春地区1980—2010森林火灾次数的年际变化 Fig. 1 Annual frequency of forest fire in Yichun area during 1980-2010

(2)火灾次数月份变化由图 2可以看出: 林火发生在3,4,5,6,9,10和11月份,其他月份均无火灾。其中,春季火主要发生在4,5,6月份(5月份发生次数最多),秋季火则主要发生在10月份。

图 2 1980—2010年伊春地区各月份火灾次数的变化 Fig. 2 Forest fire frequency of each month in Yichun area during 1980-2010

(3)火灾面积年际变化伊春地区30年总过火面积为96 405.5 hm2,年平均过火面积为3 213.52hm2。其中,人为火总面积为88 003.21 hm2,占总过火面积的91.28%,年平均2 933.44 hm2; 雷击火过火面积2 060.22 hm2,比例非常小; 不明火源的林火面积为6 341.57 hm2,占总面积的6.578%,可见,人为火是主要火源。

图 3表明: 1980—1987年火灾总面积为17 622.36 hm2,年平均过火面积为2 202.80 hm2,低于30年的平均值,其中1987年过火面积最大,当年的火灾面积为12 843.16 hm2,占30年总面积的13.32%; 1988—2010年火灾面积为78 783.191hm2,年平均火灾为3 581.05 hm2,高于30年的平均值。人为火总面积88 003.21 hm2,其中1987,2003和2007年分别为12 797.16,57 397.2,7 105.35 hm2,是人为火过火面积最的年份,合计占人为火总面积的87.84%。

图 3 伊春地区1980—2010森林过火面积的年际变化 Fig. 3 Forest fire area of years in Yichun area during 1980-2010

(4)火灾次数季节变化伊春地区林火主要发生在3—6月和9—11月,冬季无森林火灾发生。春季林火总次数、过火面积最大。

以气候学方法划分季节,即春季为3—5月,夏季为6—8月,秋季为9—11月,冬季为12月—次年2月,火灾季节分布如表 1所示。当地为冬季寒冷漫长,地表留存冰雪层; 夏季降水丰沛,可燃物含水量大,不利于林火的发生; 春、秋季气候干燥,降雨较少,林火易发生。

表 1 1980—2010年伊春地区林火发生的季节分布 Tab.1 Distribution of forest fire in 4 seasons in Yichun area during 1980-2010

30年间伊春林区气温呈增高趋势,年降水量呈减少趋势。气温升高、年降水量减少、年平均风速与年降水量反位相配置导致森林可燃物积累增多和干燥易燃,这些因素是伊春林区森林火险和火警呈增高趋势的主要气候原因(高永刚等,2008)。

(5)火灾时间序列分析将1980—2010年人为火和不明火的过火面积作时间序列分析,结果如表 2所示: 火灾面积具有一阶自相关性,且是负相关。人为火面积和不明火面积对连年的火灾面积具有很强的相关关系,且相关系数都为正值,不明火面积稍强于人为火面积。

表 2 1980—2010年火灾面积时间序列分析 Tab.2 Time series analysis of forest fire area in Yichun area during 1980-2010

将1980—2010年人为火、雷击火和不明火的次数作时间序列分析,结果如表 3所示:火灾次数具有一阶自相关性,且是负相关。人为火灾次数、雷击火灾次数和不明火灾次数对连年的火灾次数具有很强的相关关系,且相关系数都为正值,人为火灾次数稍强于雷击火次数和不明火灾次数。

表 3 1980—2010年火灾次数时间序列分析 Tab.3 Times series analysis of forest fire frequency in Yichun area during 1980-2010

2)林火的空间分布(1)利用地理信息系统软件ARC/INFO完成林火空间分布图根据火灾发生的火点坐标,结合伊春地区行政区划图确定林火的空间火点分布情况。从图 4可见: 伊春各区都有林火分布,森林火灾在城镇人口聚集区分布较为明显,这些区域是火灾的高发区。这显然是由于人为火所造成,应加强对居民用火、防火知识的普及。

图 4 伊春地区1980—2010年森林火灾空间分布 Fig. 4 Spatial distribution map of forest fire in Yichun area during 1980-2010

(2)森林火灾的行政区分布伊春地区管辖1市[铁力市(县级)]、1县(嘉荫县)和15个区(伊春、乌伊岭、红星、友好,等等)。对1980—2010年伊春各区局的森林火灾发生次数和过火面积数据进行统计分析,结果表明: 火灾发生次数最多的地区是嘉荫,共计97次,其次是红星和乌伊岭,分别发生林火47和39次。重、特大森林火灾也多发在上述3个地区: 重大森林火灾嘉荫为10次,红星6次和乌伊岭5次; 特别重大森林火灾均为1次。过火面积前3位的地区分别是嘉荫、乌伊岭和友好。可见,近30年伊春地区森林火灾的次数和面积分布基本一致。

3.2 影响因子分析

1)水分条件空气湿度是用来表示空气中水汽含量高低或表示空气干湿程度的物理量,是影响森林火灾的关键因子,关系到可燃物能否着火和火势蔓延的程度(谢克勇等,2008)。

对起火前3天平均最小相对湿度、当天最小相对湿度不同范围内发生火灾次数分别进行单因素方差分析(表 4),结果表明: 前3天显著性P<0.05,达到显著水平,当天P<0.01,达到极显著水平,且都呈负相关; 表现为火灾发生对前期和当天空气湿度有较高要求,最小相对湿度越小火灾越容易发生。这是因为最小相对湿度直接影响了可燃物的含水率,进而影响可燃物的着火点,相对湿度较大,可燃物含水率随之增大,着火点就高,反之则着火点降低(王淑华等,2008)。在空气相对湿度很低的情况下,可燃物的水分蒸发快,极易燃烧,发生森林火灾的可能性大,着火后也极易蔓延。

表 4 火灾当天与前3天最小相对湿度单因素方差分析 Tab.4 Single factor analysis of varience of minimum relative humidity on the day of the fire and in the three days before the fire

图 5所示: 火灾前3天,最小相对湿度小于等于51%,发生的火灾次数占总火灾次数的96%;16%~28%之间发生火灾的概率最大,达到49.3%。

图 5 火灾发生前3天(a)与当天(b)的最小相对湿度直方图 Fig. 5 Minimum relative humidity histogram in the three days before the fire(a) and the day of the fire (b)

火灾当天,最小相对湿度小于等于45%,发生火灾的次数占总次数的92%; 10%~30%之间发生火灾的概率最大,达到66.4%。

2)温度条件气象资料显示大部分林火都出现在当天最高气温前后2 h(赵凤君等,2007),说明火灾的发生与最高气温有一定的相关性,所以本文除对火灾发生前3天和当天平均气温进行分析外,还增加了对当天最高气温的分析,同时还进行了太阳辐射状况(日照时数)的统计分析。

表 5表 6可知,前3天平均气温的显著性P<0.05,达到显著相关; 当天平均温度、最高温度的显著性P<0.05,也达到显著正相关。这说明火灾的发生对前期和当天平均气温、最高气温都有显著的要求。

表 5 火灾当天与前3天平均气温单因素方差分析 Tab.5 Single factor analysis of variance of mean temperature on the day of the fire and in the three days before the fire
表 6 火灾当天与前3天前最高气温单因素方差分析 Tab.6 Single factor analysis of variance of maximum temperature on the day of the fire and in the three days before the fire

进一步分析当天平均气温、最高气温不同范围内发生火灾的概率,结果表明(图 6): 当天气温低于0 ℃的时候发生火灾的概率为6%; 10~15 ℃之间火灾概率达到最大,为30.5%; 21 ℃以后火灾概率开始降低; 82.3%的森林火灾发生在平均温度高于5℃以上的天气。

图 6 火灾当天最高气温(a)和平均气温(b) Fig. 6 Maximum temperature (a) and mean temperature(b) histogram on the day of the fire

3)日照与林火发生的关系对前3天平均日照时数、当天日照时数不同范围内发生火灾次数分别进行单因素方差分析,结果表明(表 7): 前3天和当天P<0.01,都达到极显著正相关水平。这说明火灾的发生对前期和当天太阳辐射状况有较高的要求,日照时数越长,火灾越容易发生。结合前3天平均气温方差分析结果(不显著)可知: 日照对火灾的影响绝大部分不是因为提高了气温,而是因为促进了水分的蒸发,间接影响了水分条件,进而影响着火点。

表 7 当天和前3天日照时数单因素方差分析 Tab.7 Single factor analysis of variance of sunshine duration on the day of the fire and in the three days before the fire

对日照时数不同值域火灾发生的概率统计发现(图 7),火灾发生前3天,每日平均日照时间低于5 h时发生火灾的概率很低,为16.6%; 8~16 h之间火灾发生的的概率最高为73.5%; 火灾发生当天,日照时数低于3 h火灾发生的概率12.6%; 8~14 h之间发生火灾的概率最大,达到55.8%。

图 7 火灾发生前3天(a)与当天(b)的日照时数 Fig. 7 Sunshine duration in the three days before the fire (a) and on the day of the fire (b)
4 结论

1)火灾的时间分布伊春地区森林火灾在1980—1987年处于高发期,1988—2010年火灾次数明显减少; 30年间主要火灾类型为一般森林火灾和较大森林火灾,且主要发生在春、秋季,人为火为主要原因。空气湿度、温度和风速是影响林火发生的3个主要气象因子。空气湿度增加、温度降低、风速减小,才能减少林火的发生。

2)火灾的空间分布从伊春地区30年森林火灾空间分布图看,火灾次数主要集中在北部地区,火灾发生次数和面积的分布规律基本一致。

3)火灾的行政区分布重大森林火灾和特重大森林火灾的次数和面积集中分布于嘉荫县和乌伊岭区。

5 讨论

1)伊春地区林火主要是人为火源引起的,因此在加强防火基础设施建设,加强火源管理、可燃物管理和林火扑救措施等方面,应进一步提高人员的防范意识,加强护林防火技能和知识的普及。

2)伊春地区1980—1987年处于林火高发期,人为火与总林火的规律相似,这与金森等(2002)对1980—1999年黑龙江省火灾规律研究的结论一致。伊春地区1980—1999年发生火灾399次,年均20次,而2000—2010年发生火灾59次,年均5.4次,这说明近年来火灾频率随时间明显下降。究其原因,是因为1987年前后出现了罕见的较长时期的高温天气,加之森林资源遭滥砍乱伐,林地草木枯死,大量林木折枝断干堆积,林内可燃物急剧增加,导致大范围的森林火灾频发; 而后期地表枯落物减少,人为火源的管控加强,使得火灾明显减少。

3)伊春地区林火发生概率与海拔、地势、林型的关系有待进一步探讨。

4)笔者将空气相对湿度、温度和风速等3个主要气象因子与林火发生的关系作为一个系统,应用于伊春林区林火规律的研究,以期深入揭示林火与气象因子的关系(傅泽强等,2001),可更好地为林火监测、预报以及防治服务。

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