謝 雯 寇衛(wèi)利 王秋華 徐偉恒 謝長波

（1. 西南林業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，云南 昆明 650233；2. 西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院/云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點實驗室，云南 昆明 650233；3. 云南貝德地理信息工程有限公司，云南 昆明 650032）

失去控制的森林燃燒被叫做森林火災(zāi)，它會嚴重破壞森林生態(tài)系統(tǒng)[1-4]，因此，對森林火災(zāi)風(fēng)險預(yù)報的研究十分必要。國內(nèi)外已經(jīng)開展了許多關(guān)于森林火災(zāi)風(fēng)險預(yù)報模型的研究，如加拿大的森林火險預(yù)測系統(tǒng)[5]、澳大利亞的森林火險預(yù)測模型[6]、美國的國家森林火險等級系統(tǒng)[7]、俄羅斯的林火風(fēng)險預(yù)測系統(tǒng)[8]等。結(jié)合中國國情發(fā)展起來的，如風(fēng)速補正綜合指數(shù)法[9]、雙指標(biāo)法[10]、801 火險尺法[11]和中國氣象局公共氣象服務(wù)中心的《森林火險氣象等級》，其利用“布龍-戴維斯”修正方案構(gòu)建新型森林火險預(yù)報模型[12-14]。森林火災(zāi)預(yù)報模型很多，但缺乏通用性，因為林火的隨機性、突發(fā)性和復(fù)雜性，森林火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展過程中也存在一些未知規(guī)律的局限性，使得所有的火災(zāi)風(fēng)險預(yù)測系統(tǒng)只能根據(jù)特定的假設(shè)和不同的理論基礎(chǔ)來建立[15]。因此，可能無法確定哪種火災(zāi)風(fēng)險預(yù)測模型更好，需要根據(jù)各地區(qū)可燃物、氣候和地形的特點來確定哪種火災(zāi)風(fēng)險預(yù)測系統(tǒng)更合適，以使其不斷完善。我國的林火預(yù)報研究和應(yīng)用起步較晚，目前依據(jù)氣象條件構(gòu)建的空間大尺度森林火險預(yù)報模型較為廣泛應(yīng)用[16-17]，但在空間小尺度區(qū)域，森林火災(zāi)的發(fā)生除了受氣象因素的影響外[14]，還受到地形、人類活動等的共同影響。近年來云南省冬春季增溫明顯[18]，而楚雄州地處云南省中部，是森林火災(zāi)的多發(fā)區(qū)與重災(zāi)區(qū)，屬于多云多霧、氣候多變的山地區(qū)域，高時空分辨率的遙感數(shù)據(jù)很難得到，森林防火難度較大，所以對楚雄州森林火災(zāi)風(fēng)險預(yù)報的研究勢在必行。

本研究通過對2000—2014 年楚雄州的歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，研究楚雄州森林火災(zāi)的時空分布規(guī)律。借助地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 10.2，建立楚雄州森林火災(zāi)氣象風(fēng)險預(yù)報模型；融合地表可燃物等森林火災(zāi)風(fēng)險因子，得到楚雄州森林火險綜合預(yù)報模型；對比分析2 個模型，并利用森林火災(zāi)綜合火險指數(shù)（FFCDI）進行森林火災(zāi)的風(fēng)險評估及風(fēng)險等級劃分，以期為該地區(qū)森林火災(zāi)風(fēng)險評價和科學(xué)安排防火工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

楚雄彝族自治州（以下簡稱“楚雄州”）地處云南省中部低緯度高原地區(qū)，位于東經(jīng)100°43′～102°30′，北緯24°13′～26°30′。該區(qū)域境內(nèi)山高谷深，地形類型多樣，有90%以上是山地，日溫差較大、年溫差較小、年平均氣溫16.5℃，屬亞熱帶低緯高原季風(fēng)氣候。楚雄州干濕季節(jié)分明，濕季為5—10 月，集中了85% 的降雨量；干季為11 月至次年4 月，降水量只占全年的15%[19]，楚雄州降水較云南省大部偏少，且冬春少雨，初夏干旱較為突出[20]。楚雄州森林資源豐富，森林覆蓋率達68.01%，主要優(yōu)勢樹種為云南松（Pinus yunnanensis）、華山松（Pinus armandii）和滇油杉（Keteleeria evelyniana），均屬易燃樹種，且林內(nèi)易燃可燃植被繁雜多樣[21-22]，加之道路、居民點及森林交錯分布的格局[23]，使森林火災(zāi)的隱患較大。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2000—2014 年楚雄州的森林火災(zāi)數(shù)據(jù)來源于自云南省森林防火指揮部；2000—2014 年楚雄州的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）。楚雄州地表覆蓋數(shù)據(jù)、矢量邊界數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（https://www.webmap.cn/main.do?method=index）；Landsat 8 OLI 遙感影像、數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對2000—2014 年楚雄州的森林火災(zāi)數(shù)據(jù)，用Excel 2010 統(tǒng)計得到楚雄州森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)、時間、受害森林面積等，分析楚雄州森林火災(zāi)時空分布規(guī)律。分析2000—2014 年楚雄州的氣象數(shù)據(jù)，用Excel 2010 統(tǒng)計得到楚雄州的風(fēng)速、溫度、濕度、降水、連續(xù)無降水。

泰森多邊形法是美國氣象學(xué)家泰森提出的一種插值分析方法，一開始是從離散氣象站的降雨數(shù)據(jù)中計算平均降雨量，即用離散分布的完整數(shù)據(jù)計算缺失數(shù)據(jù)值的插值分析方法。由于楚雄州氣象站點離散且設(shè)備不完善，導(dǎo)致部分氣象數(shù)據(jù)缺失，而泰森多邊形方法作為一種插值方法在氣象、地學(xué)等方面的研究中被廣泛應(yīng)用，本文對其中缺失的氣象數(shù)據(jù)利用地理信息系統(tǒng)軟件Arc-GIS 10.2 提供的鄰域分析工具中泰森多邊形工具得到。

利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 10.2 的地理分析中的裁剪工具，對30 m 分辨率的中國地表覆蓋數(shù)據(jù)和楚雄州的邊界數(shù)據(jù)進行裁剪，得到30 m 分辨率的楚雄州地表覆蓋圖，重分類為耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、人造地表七個類型，根據(jù)Landsat 8 OLI 遙感影像再對楚雄州地表覆蓋圖進行更新。

對楚雄州道路和居民點空間分布數(shù)據(jù)，依據(jù)相關(guān)研究結(jié)果按距離道路＜200、200～400、400～600、600～1 000 m 和＞1 000 m，利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 10.2 緩沖區(qū)分析工具將道路上人為因素對森林火災(zāi)發(fā)生的影響劃分為五級[14,24]。根據(jù)居民點距離＜1 000、1 000～2 000、2 000～3 000、3 000～4 000、＞4 000 m 的標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS 10.2緩沖區(qū)分析工具將居民點的人為因素對森林火災(zāi)發(fā)生的影響劃分為五級[14]。

根據(jù)楚雄州數(shù)字高程和邊界數(shù)據(jù)，利用Arc-GIS 10.2 鑲嵌裁剪得到楚雄州30 m 空間分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，將海拔對森林火災(zāi)發(fā)生的影響按照＜1 000、1 000～2 000、2 000～2 500、2 500～3 000、＞3 000 m 的標(biāo)準(zhǔn)劃分為5 個等級。坡度是指地面上任意點與通過該點的切面和水平面之間的角度[25-27]，利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 10.2 坡度分析工具得到楚雄州的坡度，重分類分為平坡（＜5°）、緩坡（5°～15°）、斜坡（15°～25°）、陡坡（25°～35°）、急坡（＞35°）5 個等級[28-29]。坡向是地面上一個點的切平面的法向量在水平面上的投影與通過該點的正北方向之間的角度[25,30]，同理利用坡向分析得到楚雄州的坡向分布，并重分類為陽坡、半陽坡、陰坡和半陰坡，劃分為4 個等級。

2.3 森林火災(zāi)氣象風(fēng)險預(yù)報模型

2.4 森林火災(zāi)風(fēng)險綜合預(yù)報模型

3 結(jié)果與分析

3.1 楚雄州森林火災(zāi)時間特征

3.1.1 不同年份的森林火災(zāi)特征

2000—2014 年楚雄州各年度森林火災(zāi)次數(shù)及過火面積統(tǒng)計結(jié)果見圖1。由圖1 可知，楚雄州共發(fā)生森林火災(zāi)463 次，火災(zāi)面積高達11 295.746 hm2，平均每年發(fā)生31 次，平均火災(zāi)面積24.39 hm2。其中，2006 年、2010 年的過火面積較高，都超過了2 000 hm2，而2003 年左右出現(xiàn)了嚴重的森林大火，燒毀面積又達到一個小高峰。火災(zāi)的發(fā)生次數(shù)在2006 年達到最大值，達56 次，2011 年森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)最少，森林火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)整體呈逐漸減少趨勢。在2013 年、2014 年，火災(zāi)發(fā)生次數(shù)相對較少，過火面積卻較高，主要是由于在這幾年發(fā)生了較大森林火災(zāi)。

圖1 楚雄州不同年份森林火災(zāi)次數(shù)及過火面積Fig. 1 Number of forest fires and burned area in different years in Chuxiong Prefecture

3.1.2 不同季節(jié)和月份的森林火災(zāi)特征

2000—2014 年楚雄州各月份森林火災(zāi)次數(shù)及過火面積統(tǒng)計結(jié)果見圖2。由圖2 可知，在季節(jié)上，火災(zāi)主要集中在春季和冬季。因為冬春季楚雄州受內(nèi)陸東部氣流，或青藏高原西風(fēng)氣流的影響，使得氣候干、降水少，且冬春季楚雄州西風(fēng)帶氣壓梯度力大，造成地面風(fēng)速快且大。干旱條件下，降水少，空氣濕度低，風(fēng)力大，水分蒸發(fā)大，植被含水量降低，而可燃物含水量與森林火災(zāi)的發(fā)生密切相關(guān)[33-34]，并且冬春季節(jié)是農(nóng)耕、生產(chǎn)用火的高峰期，人口流動性加大，加上春季煙花爆竹以及清明燒紙掃墓，使得該時間段內(nèi)易引發(fā)森林火災(zāi)。秋季楚雄州有降水，且地表覆蓋的落葉濕度高，森林火災(zāi)顯少發(fā)生。

圖2 楚雄州不同月份森林火災(zāi)次數(shù)及過火面積Fig. 2 Number of forest fires and burned area in different months in Chuxiong Prefecture

由圖2 可知，在月份上，1—5 月的過火面積最大，超過全年過火面積的99%，因為1—5 月是楚雄州的冬春季節(jié)，氣候干、降水少，是森林火災(zāi)多發(fā)時期。6— 8 月楚雄州植物處于生長時期，樹木繁茂，降水多且植物含水率高，降低了林火發(fā)生概率。9—11 月楚雄州發(fā)生火災(zāi)的幾率基本為零。

3.2 楚雄州森林火災(zāi)空間特征

3.2.1 不同區(qū)域的森林火災(zāi)特征

楚雄州不同縣市森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)及過火面積統(tǒng)計結(jié)果見圖3。由圖3 可知，楚雄市、祿豐縣是森林火災(zāi)頻發(fā)的地區(qū)，林火發(fā)生次數(shù)均超過80 次，祿豐縣更是達到95 次。且祿豐縣的過火面積也位列榜首，為3 765.099 hm2，占全州的33%。元謀縣發(fā)生最少，僅16 次，南華縣的過火面積最少。祿豐縣森林覆蓋率較高，地形復(fù)雜，林樹種結(jié)構(gòu)和植被稀密程度差異性大，加之人們防火意識較差，且多過界火，因此是楚雄州森林火災(zāi)多發(fā)地區(qū)。

圖3 楚雄州不同區(qū)域森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)及過火面積Fig. 3 Occurrence frequency and burning area of forest fires in different areas of Chuxiong Prefecture

3.2.2 離道路和居民點不同距離的林火特征

楚雄州離道路、居民點不同距離森林火災(zāi)分布見圖4。由圖4 可知，當(dāng)離居民點小于4 000 m時，森林火點與居民點距離呈正相關(guān)，在3 000～4 000 m 時達到最大值。當(dāng)距離小于1 000 m 時，隨著與道路的距離增加，歷史森林火點先減少后增加，且最大在600～1 000 m 處。經(jīng)緩沖區(qū)分析后楚雄州居民點有一定的大小規(guī)模，距離近的地方，人口較集中，受人為因素影響較大，但是可燃物少，森林火災(zāi)也少；距離遠的地方，可燃物增多，林火發(fā)生受氣象等影響。道路的空間規(guī)模小，離道路越遠可燃物越多，人類活動的影響減少，林火發(fā)生少；當(dāng)距離更大時，森林火發(fā)生受氣象等影響[14,35]。

圖4 楚雄州不同距離道路、居民點森林火災(zāi)分布Fig. 4 Forest fire distribution map of roads and settlements at different distances in Chuxiong Prefecture

3.2.3 不同地形因素的林火特征

楚雄州地勢呈西北向東南傾斜，有90%以上是山地。楚雄州不同海拔森林火災(zāi)分布見圖5。由圖5 可知，約95.6%的森林火災(zāi)在海拔1 000～2 500 m 范圍內(nèi)發(fā)生。因為楚雄州森林大部分生長在海拔1 000～2 500 m，且多為易燃樹種，這給森林火災(zāi)發(fā)生提供了條件。其次在海拔1 000～2 500 m 范圍內(nèi)是人口的聚集區(qū)域，人類活動造成了森林火災(zāi)頻發(fā)，要增強人們的用火意識，提高防火能力。由圖6 可知，近70%的森林火災(zāi)發(fā)生在坡度為5°～25°，因為地形平坦的地方，人類易于到達，火源變多，使火災(zāi)容易發(fā)生；坡度大的地方，人為影響少且植被稀疏，使火災(zāi)難以發(fā)生。由圖7 可知，近54%的森林火災(zāi)發(fā)生在陽坡、半陽坡，陽坡接受到的太陽光照多，溫度高，土壤含水量少，植被稀少或含水率低，致使森林火災(zāi)較容易發(fā)生，陰坡方向則相反[31,36-38]。

圖5 楚雄州不同海拔森林火災(zāi)分布Fig. 5 Distribution of forest fires at different elevations in Chuxiong Prefecture

圖6 楚雄州不同坡度森林火災(zāi)分布Fig. 6 Distribution of forest fires at different slopes in Chuxiong Prefecture

圖7 楚雄州不同坡向森林火災(zāi)分布Fig. 7 Distribution of forest fires at different aspect in Chuxiong Prefecture

3.3 楚雄州森林火險預(yù)報模型

3.3.1 模型預(yù)報結(jié)果比較

計算得到森林火災(zāi)綜合火險修正系數(shù)（表1），根據(jù)模型用ArcGIS 10.2 柵格計算器工具計算FFCDI值來劃分森林火險等級，當(dāng)FFCDI＜4 時，為無風(fēng)險等級。以隨機選取的楚雄州歷史某天為例，其森林火災(zāi)氣象風(fēng)險預(yù)報和森林火災(zāi)風(fēng)險綜合預(yù)報的結(jié)果見圖8。受森林火災(zāi)氣象風(fēng)險預(yù)報的較大影響，所以二者的空間分布大體相似，但森林火災(zāi)風(fēng)險綜合預(yù)報的結(jié)果空間分布更為精細。原因是氣象因素的空間分布是通過空間插值得到，但楚雄州氣象站點分布不均勻，且氣象站儀器問題未能獲取有效數(shù)據(jù)，致使氣象風(fēng)險預(yù)報結(jié)果不準(zhǔn)確。而森林火險綜合預(yù)報模型有了地形、人類活動等因素，其預(yù)報結(jié)果在空間上更精細。為了使森林防火工作更全面精準(zhǔn)的推進實施，在森林火險綜合預(yù)報結(jié)果中增加無風(fēng)險等級，包括地表覆蓋數(shù)據(jù)里濕地、水體和人造地表等。

表1 森林火災(zāi)綜合火險修正系數(shù)查對表Table 1 Control form of comprehensive fire risk correction coefficient of forest fire

圖8 楚雄州歷史某天森林火險預(yù)報結(jié)果Fig. 8 Forest fire hazard forecast for a certain day in Chuxiong Prefecture

3.3.2 歷史森林火險預(yù)報結(jié)果精度對比

用楚雄州森林火災(zāi)氣象風(fēng)險預(yù)報模型和森林火災(zāi)風(fēng)險綜合預(yù)報模型重構(gòu)楚雄州森林火災(zāi)歷史發(fā)生日期預(yù)報等級，計算各等級內(nèi)歷史火點數(shù)量比例和累積比例，對模型進行驗證，結(jié)果見圖9。

圖9 模型結(jié)果驗證對比Fig. 9 Model results are validated and compared

由圖9a 可知，在森林火險氣象風(fēng)險預(yù)報模型中，森林火災(zāi)歷史火點主要在二、三、四、五級，比例分別為4.35%、54.04%、18.01%、23.60%；其對應(yīng)的較低、較高、高、極高火險的累積比例分別為100%、45.96%、27.95%、4.35%，其中低火險內(nèi)沒有分布。由圖9b 可知，在森林火險綜合預(yù)報模型中，森林火災(zāi)歷史火點較分散，一級（4.35%）、二級（11.80%）、三級（29.19%）、四級（34.16%）和五級（20.50%），每個級別都有分布。

當(dāng)森林火災(zāi)風(fēng)險預(yù)警把三級以上作為發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，在楚雄州發(fā)生的歷史森林火災(zāi)中，森林火災(zāi)氣象風(fēng)險預(yù)報模型將可使約78.26%的森林火災(zāi)因防控措施執(zhí)行得到有效控制，森林火險綜合預(yù)報模型將可使約88.21%的森林火災(zāi)得到控制，大幅降低了森林火災(zāi)發(fā)生的概率。

4 結(jié)論與討論

通過歷史曲線圖等森林火災(zāi)變化趨勢與周期分析得到了楚雄州森林火災(zāi)演變規(guī)律，即楚雄州森林火災(zāi)集中發(fā)生在1—5 月份的冬春季節(jié)，呈季節(jié)性規(guī)律。楚雄市、祿豐縣是楚雄州森林火災(zāi)頻發(fā)地區(qū)，且森林火災(zāi)分別在距離居民點3 000～4 000 m、距離道路600～1 000 m、海拔1 000～2 500 m、坡度5°～25°、陽坡和半陽坡分布最多。楚雄州森林火災(zāi)發(fā)生特點及規(guī)律有利于合理配置防火設(shè)施，調(diào)配防火力量，建議當(dāng)?shù)剡m當(dāng)安排資金分配比例，在高火險地區(qū)投入較大的人力、物力來防止特大火災(zāi)的發(fā)生，提高森林防火水平。森林火災(zāi)發(fā)生具有復(fù)雜性，楚雄州森林火災(zāi)的發(fā)生受可燃物、人類活動、地形條件等相互作用影響，據(jù)此建立起了楚雄州森林火險綜合預(yù)報模型，其預(yù)報結(jié)果空間分布精細程度更高，且采用三級以上作為森林火災(zāi)風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)時，由于采取了預(yù)防和控制措施，將可以有效控制約88.21%的火災(zāi)點。本森林火險綜合預(yù)報模型能為楚雄州森林防火工作提供參考。

全球氣候變暖使得植被生長季延長，以及更加頻繁的人類活動，使得森林火災(zāi)頻發(fā)。氣象數(shù)據(jù)是研究森林火災(zāi)的重要性基礎(chǔ)，需要更全面的氣象數(shù)據(jù)，但楚雄州氣象站點布置不全面，且很多站點因設(shè)備原因無法獲取有效氣象數(shù)據(jù)，還需要進一步完善，特別是林區(qū)的氣象站點，為更加精確的森林火險預(yù)報提供保障。森林火險精度的提高能計算火蔓延參數(shù)，有效地指導(dǎo)人員疏散，避免人員傷亡，能為將來的森林火災(zāi)撲救，特別是重大、特大森林火災(zāi)提供指導(dǎo)。森林火災(zāi)的發(fā)生非常復(fù)雜，受到的影響因素也很多。森林火險綜合預(yù)報模型的研建除了更多依靠基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，還應(yīng)考慮研究區(qū)自身的可燃物、氣候和地形等特征，以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟社會發(fā)展?fàn)顩r和火源狀況，選擇更適合的火險預(yù)報系統(tǒng)，提高預(yù)報精度，更好的為當(dāng)?shù)厣址阑鸱?wù)。