中国是森林火灾多发和损失严重的国家, 1987年的大兴安岭特大森林火灾震惊世界。根据1950~1989年全国森林火灾资料分析, 40年来共发生森林火灾63万多起, 总过火面积超过3 500万hm2, 烧毁林木9.9×108 m3, 价值1 500亿元人民币。平均每年发生森林火灾15 800多起, 森林过火面积近90万hm2, 平均每年森林火灾面积占全国森林总覆盖率的0.8%左右, 为世界平均水平的8倍, 平均每10万hm2森林面积年发生森林火灾次数为12.7起, 每10万hm2森林平均年过火面积为721.7 hm2;全国平均每次森林火灾的面积为56 hm2。如以每公顷损失20 m3估算, 林木共损失7×108 m3
本研究从宏观的角度对形成森林火灾三要素的预测方法进行了探讨, 同时引入遥感方法, 使可燃物宏观预测成为可能, 变得可信。
众所周知, 森林火灾的发生必须同时具备火源、可燃物和可燃环境3个条件, 缺一不可, 这是传统的燃烧环理论。本研究则有别于传统观念:在引发火灾的火源研究中侧重于人为引发火灾随机因素的考虑;在可燃物预测中, 采用遥感的方法进行了定量的估算;在可燃环境分析中则着眼于天、地、生大环境的分析, 而不是拘泥于小环境的预测。以此, 试图寻求预报大区域森林火灾的易行、可信的方法。
选择西南地区的云南为试验区, 因为这里是中国第二大林区, 同时又是火灾多发省。
《1 森林火灾发生 (火源) 的预测》
1 森林火灾发生 (火源) 的预测
在西南林区, 人为活动极为频繁, 90%的森林火灾都是人为所致。实践表明, 人口集居处发生火灾次数 (以及成灾次数) 较多, 但火灾危险性小;火灾发生的情况比较复杂, 往往与客观分析偏差较大。如火险级高, 但人们警惕性高, 火灾却没有发生。反之, 在火险级并不高的时候, 由于麻痹火灾发生了。它反映出人为因素与环境的无规性。在此我们力图通过变量本身的变化反映其动态规律, 用森林火灾历史资料建立模型, 充分考虑到人为活动的无序性。为此应用了马尔科夫决策理论。
《1.1 概念与方法》
1.1 概念与方法
用马氏理论进行预测时, 首先要建立转移概率矩阵。转移概率是一族时间上齐次的马尔科夫转移律, 当系统处于状态i, 则无论系统的历史如何, 下次只与i有关, 其转移状态j的概率为P (j/i) , 记为Pij。转移概率矩阵的各行之和均为1, 并且它是由不大于1的非负元素组成。设已知转移概率矩阵P=[Pij], 当前火灾概率初始分布为P0, 则下一年火灾分布为P1=P0P, 再下年火灾发生概率为P2=P1P0。依次类推, 可求出今后若干年火灾发生概率:Pn=Pn-1·P=Pn-2·P2=…=P0Pn。
从上述公式看到, 预测在很大程度上取决于初始分布P0。但事实上, 经过一定时间转移后, 由一个状态向下一个状态的转移向量的改变是很小的, 即不论初始分布如何, 当发生足够多次转移后, 概率向量将趋于一个唯一固定的概率向量, 被称之为“固定概率向量”, 这点可由马氏长变程性质加以保证
《1.2 试算》
1.2 试算
以云南省1951~1979年林火资料进行试算, 据29年火灾资料, 将其用火灾损失面积划为3个等级, 即:
A为10 0001~500 000 hm2;
B为10 001~100 000 hm2;
C为<10 000 hm2。
文献
《表1》
表1 1951~1979年林火按成灾面积划分
Table 1 Grad of the damage area by forest fire from 1951 to 1979
年份 等级 |
1951 C |
1952 B |
1953 B |
1954 A |
1955 A |
1956 A |
年份 等级 |
1957 A |
1958 A |
1959 B |
1960 A |
1961 A |
1962 A |
年份 等级 |
1963 A |
1964 C |
1965 C |
1966 C |
1967 C |
1968 C |
年份 等级 |
1969 B |
1970 C |
1971 C |
1972 B |
1973 C |
1974 B |
年份 等级 |
1975 B |
1976 C |
1977 C |
1978 C |
1979 A |
由上述资料得出转移概率矩阵如下:
据此矩阵, 可预测下一年不同等级火灾发生的概率, 如已知今年的火灾发生状况是B级, 即它的初始分布为P0=[0, 1, 0], 则下一年发生火灾的分布为P1=P0P=[0, 1, 0]P=[2/7, 2/7, 3/7], 即下一年发生A、B、C级火灾的概率分别为2/7, 2/7和3/7。
求解固定概率向量:设在上面讨论的问题中, 待求固定向量为
且
已知:
即,
解方程组 (1) 、 (2) 、 (3) 得
通过固定概率向量, 可以看出云南发生A级和C级面积损失的火灾较多, 应当引起人们重视。
至此, 我们对云南森林火灾近年以及较长期的势态可以给出一个预估, 而且符合本区火灾的自身规律。
《2 考虑天、地、生相互制约对火烧环境的宏观预测》
2 考虑天、地、生相互制约对火烧环境的宏观预测
森林火灾灾害学最新研究表明, 一定区域内森林火灾灾情年际变化极不平衡, 每过若干年就会重复出现森林火灾活动异常、林地损失极其突出的时段——重灾时段, 具有某种周期演变规律, 究其原因, 研究它的预报方法将是非常有意义的。
《2.1 背景》
2.1 背景
森林火灾预测理论和方法的研究已有80多年的历史, 因受科技水平发展以及“可燃物—火源—气象要素”思维定式的影响, 忽视了天、地、生相互作用。
最早尝试研究森林火灾年际变化规律与ENSO (厄尔尼诺—南方涛动异常) 关系的是Dr.Simard A.J, 于1982~1983年开始发现了两种现象之间存在着某种遥相关关系。
厄尔尼诺 (EL Nino) 是指赤道东太平洋 (0°~10° S, 90°~180° W) 海温持续异常升高的现象;而南方涛动 (Southern Oscillation) 是指印度洋地区气压与南太平洋地区气压呈反向变化的现象, 而且二者存在着紧密的“海-气”负相关。通常将此二者联系起来称作“厄尔尼诺—南方涛动异常”记为ENSO。
《2.2 分析》
2.2 分析
1) 用云南省1951~1979年的森林火灾资料与ENSO有关数据进行比较、分析 (图1) 。
从图1看出, 云南省火灾高发生年多处在非ENSO事件年, 多与拉尼娜事件年同步。近两年的云南林火发生状况恰恰证明了这一点, 1997年是ENSO年, 云南林火发生较少, 而随之到来的拉尼娜年 (1998) 云南林火发生的十分频繁。这一点非常像美国佛罗里达州 (图2)
Fig.1 The curve of comparing fire parameters in Yunnan province with ENSO from 1951 to 1979
图2 美国佛罗里达州1981~1991森林火灾过火面积与SST的关系
Fig.2 The relation between the forest fire area in Florida and SST from 1981 to 1991Here solid line is SST, and dash line is fire area
实线—中太平洋海温SST/℃;虚线—过火面积/千英亩千英亩/hm2:300/121 405.8;250/101 171.5;200/80 937.2;150/60 702.9;100/40 468.6;50/20 234.3
2) 在分析比较上述问题时我们采用了森林成灾面积, 因为最新研究结果 (Jim.Brenner, 1991) 指出:“森林火灾发生率多受人类社会、人为因素的影响, 不可能有多大的应用价值;在森林火灾长期预测研究中应重点运用过火面积指标, 而不用火灾次数指标, 林火次数的规律性很弱, 在人类尚不能完全控制森林大火的历史阶段, 与天、地、生有关的某些环境因素, 控制着林火强度和蔓延, 因而也将控制着森林火灾的最终规模”。
3) 将火灾次数、成灾面积与ENSO关系表示在同一张图上 (图4) 。从图4中看到, 林火发生次数与ENSO以及成灾面积无明显关系;太阳黑子相对数与林火发生次数及成灾面积均无明显关系。由此有以下初步认识:林火发生次数是与人为活动密切相关的, 与林火的发生环境、天、地、生环境并没有直接关系。这一点与当前的一些研究是一致的;森林成灾面积与ENSO现象有一定关系, 这与当前某些研究一致。而云南林火的成灾面积与太阳黑子活动无明显关系, 这一点与国内一些研究不尽相同。
图3 黑龙江省森林火灾年过火林地面积与ENSO的关系
Fig.3 The relation between forest fire area in Heilongjiang province and ENSO
图4 云南森林火灾年际活动与ENSO及太阳黑子活动关系
Fig.4 The relation between forest fire frequency in Yunnan provice、ENSO sunspot
《3 可燃物的贮量遥感预测》
3 可燃物的贮量遥感预测
林中积累的枯落物是森林火灾发生的物质基础。因此有大量的文章在探讨这一问题。研究表明, 小于1 cm的可燃物是森林火灾发生的要害;可燃物含水率与燃点的关系极为密切;细小可燃物的贮量推算公式多种多样。如美国林火专家 (Rothermel, 1972) 归纳出9个可燃物模型;Anderson (1982) 给出了13种图片识别方法;Rothermel (1973) 提出了动态模型。Bruce认为林龄、森林密度、植被是影响可燃物负荷量的主要因子, W.Henary (1978) 等三名美国林学家认为, 火烧后5年内表层可燃物将迅速增加, Willian (1980) 认为火烧后可燃物总负荷量随火烧后时间而逐渐增加, 澳大利亚R.J.Raison (1932) 、P.V.Woods、P.K.Khanna指出桉树火烧后稳定状态的负荷量是11.1~29.4 t/hm2, 中国邸学颖指出建立细小可燃物与年龄、郁闭度、树高、胸径的多元关系是可行的。
本研究所给出的方法是利用遥感数据建立其与林分因子关系, 通过林分因子, 推算出某种林分下的可燃物贮量, 从而对该地区的林火危险性予以评价。这是宏观评价某大区域林火发生可能性的较好途径。这一点正是我们以往没有借助遥感数据时感到十分困惑的
从文献
式中自变量为遥感数据的定量因子和定性因子, 因变量为一定面积样地上的蓄积。
据对温带、亚热带和热带的研究表明, 蓄积量与多波段数据及其比值项的多元相关系数一般为0.4~0.6, 如加上定性因子参加估测, 按流域建立关系则通常可达0.7以上。在内蒙古林区, 经实地验证估测森林蓄积量全局 (相当一个县的面积) 精度已达95%以上。
生态学研究已知, 植物干材重 (Q) 与叶重 (L) 相关关系为Q=aLb (a、b为待求参数) ;森林凋落物现存量与环境相关式为:W=1.428×10-4N1.16E0.94A0.45 (N、E、A分别为纬度、经度及高程) , 由此我们不难推出森林凋落物贮量, 据云南资料推导了云南松的叶重与干材重的公式, 即
logQ=1.612+0.63 logL, 如每公顷蓄积 (Q) 为270 m3, 于是叶重为20.23 t/hm2。如每年落叶20%, 则每年枯落物量为4 t/hm2, 分解60%, 积累1.6 t/hm2。按该区10年没发生火灾计, 则累积近16 t/hm2。这便是森林火灾隐患之所在。
另一方面, 为从时间序列上推断某区域枯落物积累量, 有必要导出火灾后n年内枯落物 (易燃物) 积累量公式。
在生态学和林学中, 表达植物生物量增长的函数有几种类型
于是可求出火烧后n年凋落物积累量理论值, 扣除分解部分即可估测出当前贮量, 这对预报林火危险性是有意义的。
用云南松资料拟合出的方程为:
其中:t为最后一次火烧后年限 (年) ;
W为枯落物累积量 (t/hm2) 。其拟合曲线如图5所示。
图5 云南松林下枯落物累积量随时间变化曲线 (<40年)
Fig.5 Curve of the accumulation of litter by time in Yunnan pine forest (<40 years)
在推断某区枯落物贮量时, 可进行少量调查, 对不同林型的典型样地, 测其枯落物每平方米重量, 然后据下式导出每公顷易燃物重量。
易燃物重量/hm2=易燃物千克重数/m2×10000 (t/hm2) /1000。
同时测定最近发生火灾年限, 即可求出估测式, 再对区域性枯落物积累量进行估测, 从而判定火灾发生的潜在危险。
以上, 讨论了用遥感数据预测和用模型估计枯落物贮量的两种方法。
《4 结束语》
4 结束语
从宏观上探讨了西南林区火灾预报方法, 围绕火灾发生的三要素, 火源、燃烧环境, 以及可燃物进行了探讨。在火源研究中突出了人为火随机性的考虑, 采用了随机过程方法, 以及为免除随机干扰选取成灾面积为变量因子进行分析;在燃烧环境中, 重点探讨了大环境, 从全球气、水变化来分析西南林火是否存在着某种关系和对应规律;在可燃物贮量的研究中, 采用遥感数据通过立木蓄积间接推算枯落物贮量, 为宏观估测开拓了新的途径。并给出区域性时间序列下枯落物累积的算式。
本文的工作仅仅是初步。还有许多工作可作, 如区域性可燃物预测图的编绘, 火灾与天、地、生的关系, 以及火灾周期性因子的剔除, 文中研究内容和方法还有诸多不完备的地方, 这些将是今后的研究任务。