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北京地区8种树种枯死可燃物含水率预测模型及变化规律

詹航 牛树奎 王博

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北京地区8种树种枯死可燃物含水率预测模型及变化规律

    作者简介: 詹航。主要研究方向:生态规划与管理。Email:735772678@qq.com。 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学生态与自然保护学院.
    通讯作者: 牛树奎,教授,博士生导师。主要研究方向:生态规划与管理。Email:niushukui@163.com。 地址:同上. 
  • 中图分类号: S762.2

Prediction models and change rule of the dead fuel moisture content of 8 forest species in Beijing area

  • 摘要: 目的 森林可燃物含水率对林火的发生蔓延,尤其是对森林火灾火行为影响重大,可燃物含水率预测模型在预报火灾和预测林火行为方面作用显著。方法 对北京地区8种常见森林树种防火期内可燃物含水率的连续测定,分析不同树种不同种类可燃物含水率与当期和前期气象因子间的关系。选择影响程度较大的当期和前期气象因子为自变量建立了可燃物含水率的预测模型,并在此基础上定量分析可燃物含水率的日变化和整个防火期内的变化规律。结果 不同树种可燃物含水率存在显著差异,8个树种平均可燃物含水率由大到小依次为:栓皮栎 > 槲栎 > 榆树 > 刺槐 > 五角枫 > 侧柏 > 油松 > 落叶松。不同种类可燃物含水率存在显著差异,可燃物含水率总体上表现为阔叶树大于针叶树,枯叶和枯枝1 hr大于枯枝10 hr和100 hr;枯叶和枯枝1hr主要受当期气象因子影响,而枯枝10 hr和100 hr主要受前期气象因子影响。所建立的32个线性预测模型各检验指标显示模型拟合效果好。可燃物含水率日变化表现为夜间高白天低,夜间稳定白天变幅大,06:00—08:00达到最大值,而后急剧下降,02:00—14:00左右达到全天最低值。防火期内,可燃物含水率呈现出先上升后下降趋势,11月可燃物含水率较低,但在缓慢增加,12月至次年1月含水率较高,而3月初至4月底可燃物含水率保持很低状态。结论 不同种类不同类型可燃物含水率预测模型精度较高,可为防火工作提供理论支撑,可以实践运用。北京地区3月份和日内中午时间干燥多风,温度较高,可燃物含水率达到很低的状态,森林火险等级较高,应加强管理。
  • 图 1  可燃物含水率与气象因子关系

    Figure 1.  The relation between fuel moisture content and meteorological factors

    图 2  不同树种可燃物含水率

    Figure 2.  The fuel moisture content of different tree species

    图 3  不同种类可燃物含水率

    Figure 3.  The fuel moisture content of different fuel types

    图 4  不同树种不同种类可燃物含水率日变化预测

    Figure 4.  The diurnal variation prediction of fuel moisture content of different tree species and among different fuel types

    图 5  不同种类不同树种可燃物含水率防火期变化预测

    Figure 5.  The variation prediction of the fuel moisture content of different tree species and among different fuel types during the period of fire prevention

    表 1  不同树种可燃物含水率显著性分析

    Table 1.  Significance analysis of the fuel moisture content of different tree species

    平方和
    Sum of
    squares
    自由度
    Degree of freedom
    均方
    Mean squares
    F显著性
    Probability
    组间 Groups 2 121.117 7 303.017 52.288 .000
    组内 Error 6 252.933 1 079 5.795
    总计 Total 8 374.050 1 086
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    表 2  不同种类可燃物含水率显著性分析

    Table 2.  Significance analysis of the fuel moisture content of different fuel types

    平方和
    Sum of
    squares
    自由度
    Degree of freedom
    均方
    Mean squares
    F显著性
    Probability
    组间
    Groups
    11 085.522 3 3 695.174 554.101 0
    组内
    Error
    3 594.471 539 6.669
    总计
    Total
    14 679.993 542
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    表 3  可燃物含水率与气象因子Pearson相关系数

    Table 3.  The Pearson of the fuel moisture content and meteorological factors

    种类
    Types
    当期和前期气象因子
    Current and previous meteorological factors
    相关系数 Correlation coefficient
    榆树
    Ulmus pumila
    槲栎
    Quercus aliena
    刺槐
    Robinia pseudoacacia
    油松
    Pinus tabulaeformis
    五角枫
    Acer truncatum
    华北落叶松
    Larix principis-rupprechtii
    栓皮栎
    Quercus variabilis
    侧柏
    Platycladus orientalis
    枯叶Dead leaves 温度 Temperature − 0.747** − 0.726** − 0.790** − 0.617** − 0.415** − 0.709** − 0.491** − 0.816**
    湿度 Humidity 0.637** .445** .676** .390** .374** .363** .386** .440**
    风速 Wind speed − 0.570** − .385** − .568** − .352** − .347** − .375** − .273** − .353**
    前2 h平均温度
    Average temperature of former 2 h
    − 0.652** − .679** − .699** − .565** − .333** − .672** − .432** − .780**
    前2 h平均相对湿度
    Average humidity of former 2 h
    0.498** .364** .565** .285** .249** .266** .266** .337**
    前2 h平均风速
    Average wind speed of former 2 h
    − 0.158 − .033 − .156 − .027 − .037 − .028 .045 .017
    枯枝
    1时滞
    1 hr
    温度 Temperature − 0.563** − .565** − .433** − .554** − .488** − .581** − .665** − .682**
    湿度 Humidity 0.433** .403** .329** .526** .374** .528** .515** .567**
    风速 Wind speed − 0.426** − .371** − .126 − .451** − .265** − .335** − .362** − .521**
    前2 h平均温度
    Average temperature of former 2 h
    − 0.530** − .491** − .349** − .460** − .420** − .497** − .596** − .575**
    前2 h平均相对湿度
    Average humidity of former 2 h
    0.355** .313** .246** .404** .253** .414** .414** .479**
    前2 h平均风速
    Average wind speed of former 2 h
    − 0.102 − .044 − .032 − .107 .017 − .113 − .048 − .145
    枯枝10时滞10 hr 温度 Temperature − 0.477** − .454** − .457** − .397** − .475** − .359** − .405** − .392**
    湿度 Humidity 0.451** .392** .293** .389** .409** .135 .328** .339**
    风速 Wind speed − 0.227** − .201* − .145 − .120 − .127 .029 − .105 − .149
    前20 h平均温度
    Average temperature of former 20 h
    − 0.361** − .316** − .324** − .302** − .387** − .301** − .305** − .384**
    前20 h平均相对湿度
    Average humidity of former 20 h
    0.507** .451** .369** .434** .421** .274** .366** .421**
    前20 h平均风速
    Average wind speed of former 20 h
    − 0.179* − .147 − .165 − .125 − .085 − .067 − .117 − .147
    枯枝100时滞100 hr 温度 Temperature − 0.155 − .329** − .195* − .361** − .156 − .138 − .402** − .366**
    湿度 Humidity 0.167 .310** .238** .163 .229** .213* .350** .369**
    风速 Wind speed − 0.076 − .116 − .168 − .118 − .111 − .080 − .152 − .139
    前100 h平均温度
    Average temperature of former 100 h
    − 0.387** − .381** − .288** − .489** − .269** − .234** − .510** − .339**
    前100 h平均相对湿度
    Average humidity of former 100 h
    0.378** .469** .572** .594** .658** .583** .496** .376**
    前100 h平均风速
    Average wind speed of former 100 h
    − 0.111 − .078 − .148 − .139 − .163 − .163 − .153 − .177*
    注:“*”和“**”分别表示0.05和0.01水平下相关性显著。
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    表 4  可燃物含水率预测模型变量选择

    Table 4.  The variables of the fuel moisture content prediction model

    可燃物种类
    Types
    变量选择 Variable selection
    当期气象因子 Current meteorological factors前期气象因子 Previous meteorological factors
    枯叶
    Dead leaves
    温度
    Temperature
    相对湿度
    Humidity
    风速
    Wind speed
    前2 h平均温度
    Average temperature of former 2 h
    前2 h平均相对湿度
    Average humidity of former 2 h
    前2 h平均风速
    Average wind speed of former 2 h
    枯枝1时
    滞1 hr
    温度
    Temperature
    相对湿度
    Humidity
    风速
    Wind speed
    前2 h平均温度
    Average temperature of former 2 h
    前2 h平均相对湿度
    Average humidity of former 2 h
    前2 h平均风速
    Average wind speed of former 2 h
    枯枝10时
    滞10 hr
    温度
    Temperature
    相对湿度
    Humidity
    风速
    Wind speed
    前2 h平均温度
    Average temperature of former 20 h
    前20 h平均相对湿度
    Average humidity of former 20 h
    前20 h平均风速
    Average wind speed of former 20 h
    枯枝100时
    滞100 hr
    温度
    Temperature
    相对湿度
    Humidity
    风速
    Wind speed
    前100 h平均温度
    Average temperature of former 100 h
    前100 h平均相对湿度
    Average humidity of former 100 h
    前100 h平均风速
    Average wind speed of former 100 h
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    表 5  可燃物含水率模型参数及检验指标值

    Table 5.  The prediction model parameters of the fuel moisture content and verification index

    树种 Tree species类型 Typesb0b1b2b3b4b5b6R2MAEMRE
    榆树 Ulmus pumila 枯叶 − 1.273 − 0.029 0.021 − 0.251 0.012 − 0.015 0.202 0.776 2.83 13.44
    1 hr − 1.558 0.007 0.007 − 0.158 − 0.012 − 0.003 0.123 0.418 2.26 11.31
    10 hr − 1.888 − 0.008 − 0.001 0.049 0.003 0.005 − 0.014 0.454 1.05 6.47
    100 hr − 2.362 0.010 0.005 0.043 − 0.016 0.004 0.017 0.343 1.53 12.69
    槲栎 Quercus aliena 枯叶 − 1.237 − 0.008 0.001 − 0.04 0.002 0.000 0.043 0.559 1.62 6.11
    1 hr − 1.551 − 0.018 0.001 − 0.076 0.012 − 0.002 0.075 0.422 1.62 9.02
    10 hr − 1.833 − 0.013 − 0.004 0.042 0.008 0.005 − 0.012 0.428 1.11 7.01
    100 hr − 2.158 − 0.002 0.003 0.026 − 0.001 0.004 0.057 0.421 0.82 5.60
    刺槐 Robinia pseudoacacia 枯叶 − 1.141 − 0.013 0.009 − 0.088 0.005 − 0.004 0.076 0.778 1.92 6.45
    1 hr − 1.793 − 0.024 0.006 0.127 0.018 − 0.005 − 0.088 0.405 0.95 6.11
    10 hr − 1.86 − 0.029 − 0.011 0.083 0.02 0.008 − 0.078 0.456 1.42 11.91
    100 hr − 2.629 − 0.003 0.002 − 0.006 − 0.002 0.011 0.116 0.411 1.56 13.98
    油松 Pinus tabulaeformis 枯叶 − 1.439 − 0.007 0.005 − 0.041 0.003 − 0.004 0.041 0.44 1.42 6.65
    1 hr − 1.648 − 0.017 0.012 − 0.122 0.013 − 0.009 0.113 0.498 1.94 10.71
    10 hr − 2.235 − 0.012 0.001 0.116 0.004 0.007 − 0.027 0.376 1.56 12.47
    100 hr − 2.375 − 0.004 − 0.002 0.012 − 0.004 0.008 0.040 0.578 0.76 6.76
    五角枫 Acer truncatum 枯叶 − 1.353 − 0.018 0.012 − 0.146 0.016 − 0.012 0.138 0.370 2.69 11.84
    1 hr − 1.69 − 0.012 0.01 − 0.019 0.008 − 0.008 0.043 0.359 1.47 8.33
    10 hr − 2.162 − 0.009 0.002 0.100 0.001 0.005 − 0.009 0.423 1.36 9.74
    100 hr − 2.391 − 0.001 0.001 0.008 − 0.001 0.006 0.054 0.514 0.67 5.64
    落叶松 Larix principisrupprechtii 枯叶 − 1.395 − 0.014 0.004 − 0.096 0.002 − 0.004 0.082 0.547 2.14 12.2
    1 hr − 1.967 − 0.016 0.015 0.090 0.009 − 0.009 − 0.059 0.504 1.15 8.46
    10 hr − 1.963 − 0.012 − 0.006 0.070 0.006 0.005 − 0.036 0.358 0.92 7.05
    100 hr − 2.510 − 0.002 0.003 0.033 − 0.002 0.01 0.078 0.404 1.64 12.88
    栓皮栎 Quercus variabilis 枯叶 − 1.447 − 0.005 0.011 − 0.052 0.002 − 0.008 0.075 0.371 1.94 8.39
    1 hr − 1.573 − 0.011 0.008 0.009 0.004 − 0.004 0.016 0.535 1.42 7.24
    10 hr − 1.644 − 0.007 − 0.001 0.046 0.003 0.003 − 0.019 0.331 1.08 5.36
    100 hr − 2.221 − 0.001 0.004 0.047 − 0.006 0.005 0.036 0.509 1.09 7.64
    侧柏 Platycladus orientalis 枯叶 − 1.300 − 0.013 0.008 − 0.019 − 0.002 − 0.005 0.044 0.707 2.05 8.90
    1 hr − 1.597 − 0.040 − 0.004 − 0.145 0.030 0.003 0.114 0.652 1.58 10.39
    10 hr − 2.078 0.001 0.002 0.070 − 0.008 0.005 − 0.016 0.358 1.33 8.80
    100 hr − 2.349 − 0.005 0.004 0.046 0.001 0.004 0.007 0.357 0.91 7.88
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-24
  • 录用日期:  2020-01-10
  • 网络出版日期:  2020-05-18

北京地区8种树种枯死可燃物含水率预测模型及变化规律

    通讯作者: 牛树奎, niushukui@163.com
    作者简介: 詹航。主要研究方向:生态规划与管理。Email:735772678@qq.com。 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学生态与自然保护学院
  • 北京林业大学生态与自然保护学院, 100083

摘要: 目的森林可燃物含水率对林火的发生蔓延,尤其是对森林火灾火行为影响重大,可燃物含水率预测模型在预报火灾和预测林火行为方面作用显著。方法对北京地区8种常见森林树种防火期内可燃物含水率的连续测定,分析不同树种不同种类可燃物含水率与当期和前期气象因子间的关系。选择影响程度较大的当期和前期气象因子为自变量建立了可燃物含水率的预测模型,并在此基础上定量分析可燃物含水率的日变化和整个防火期内的变化规律。结果不同树种可燃物含水率存在显著差异,8个树种平均可燃物含水率由大到小依次为:栓皮栎 > 槲栎 > 榆树 > 刺槐 > 五角枫 > 侧柏 > 油松 > 落叶松。不同种类可燃物含水率存在显著差异,可燃物含水率总体上表现为阔叶树大于针叶树,枯叶和枯枝1 hr大于枯枝10 hr和100 hr;枯叶和枯枝1hr主要受当期气象因子影响,而枯枝10 hr和100 hr主要受前期气象因子影响。所建立的32个线性预测模型各检验指标显示模型拟合效果好。可燃物含水率日变化表现为夜间高白天低,夜间稳定白天变幅大,06:00—08:00达到最大值,而后急剧下降,02:00—14:00左右达到全天最低值。防火期内,可燃物含水率呈现出先上升后下降趋势,11月可燃物含水率较低,但在缓慢增加,12月至次年1月含水率较高,而3月初至4月底可燃物含水率保持很低状态。结论不同种类不同类型可燃物含水率预测模型精度较高,可为防火工作提供理论支撑,可以实践运用。北京地区3月份和日内中午时间干燥多风,温度较高,可燃物含水率达到很低的状态,森林火险等级较高,应加强管理。

English Abstract

  • 森林可燃物含水率对林火的发生和蔓延,尤其是对整个森林火灾火行为影响重大[1-4]。可燃物含水率预测模型在预报森林火灾和预测林火行为方面作用显著[5-8],而通过建立数学模型来研究可燃物含水率变化规律是一种有效的方法[9-11]

    近年来,国外大部分国家均研究出了适合各国森林和气象条件的可燃物含水率模型。在以往经验模型基础上,国外研究人员从多个方面考虑可燃物含水率影响因素,丰富了可燃物预测模型类型。如Viegas等[12]将可燃物含水率的变化规律延伸拓展到了活可燃物;而Nelson[13]用热力学分析方法分析可燃物含水率,Wotton[14]将太阳辐射例为模型变量之一。此外,如Simard等[15]和Catchpole等[16]也从其他角度,建立了新的可燃物含水率预测模型。在模型使用方面,Slijepcevic等[17]比较了澳大利亚现有可燃物含水率预测模型的适用情况,找出了更加适合的预测模型。国内学者对可燃物含水率的研究晚于国外发达国,开始于上世纪80年代,但研究进展较快,研究内容的范围较广,取得了许多成果[18-21]。张运林等[22]在控制实验基础上分析了风速对可燃物含水率的直接影响;胡海清等[23]进一步将可燃物分阴坡和阳坡分别建立了更加细致的可燃物含水率预测模型。此外,各个研究人员在模型选择上考虑不同,尹坤[24]选择对数模型,邵潇等[25]选择指数模型,还有些学者选择了线性模型。

    国内外众多学者围绕可燃物自身理化特征和测量可燃物含水率时的气象因素两个方面做了大量研究。许多研究将研究重点放在当期气象因子上,事实上前期气象因子也有显著影响,这方面却研究较少[25]。本研究以8种北京地区常见森林主要树种为研究对象,将影响因素拓展到前期气象因子,综合分析不同时间段的气象因子对不同树种不同种类枯死可燃物含水率的影响,并分别建立不同树种不同种类可燃物含水率的预测模型,为该地区森林管理提供科学依据。

    • 试验地设在北京妙峰山林场,林场位于北京西北郊太行山北部,燕山东端,40°03′31″ ~ 40°3′58″N、116°03′41″ ~ 116°06′51″E。海拔为100 ~ 1 153 m。属于温带湿润季风气候区,雨热同季,冬季干燥寒冷,夏季高温多雨,年均气温11.8 ℃,年平均降水量400 ~ 750 mm,降水集中于6—8月[26]。该地区发生地表火的危险性大[27],林区极易形成高强度地表火,并且该地区树冠火潜在火行为估算指标具有火焰强度大、高度高、蔓延速度快的特点,具有现实的危险性[28]。油松(Pinus tabuliformis)、侧柏(Platycladus orientalis)、栓皮栎(Quercus variabilis)、槲栎(Q. aliena)、五角枫(Acer truncatum)、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、榆树(Ulmus pumila)等是该地区典型树种,由其组成的森林类型基本上是人工纯林[29],在该地区占比较大。本研究选择以上8树种为研究对象。时滞是指在特定温湿度条件下可燃物失去水分达到平衡含的1−e−1的时间。由于不同大小(粗细)的可燃物含水量变化的速率不同,其时滞也不一样。所以,可燃物按照时滞将不同大小(粗细)的可燃物分为五类,即枯叶、枯枝1 hr、枯枝10 hr、枯枝100 hr和枯枝1 000 hr,枯枝直径范围分别在0 ~ 0.6 cm、0.6 ~ 2.5 cm、2.5 ~ 7.6 cm、7.6 ~ 20 cm之间[2]。考虑到该地区林下大粗枝少有罕见,因此本次实验不将考虑枯枝1 000 hr[25]

    • 实验材料的采集地点为北京妙峰山实验林场的8个主要森林类型。在每个森林类型内,随机选取3个样点采集优势树种的枯叶、枯枝1 hr、枯枝10 hr、枯枝100 hr四类可燃物。8个森林类型共计采集32类样品。实验材料的处理方法:枯叶重200 ~ 250 g,要求枯叶页面完整,无明显腐烂破损特征;枯枝重200 ~ 250 g,统一规格长25 cm。可燃物含水率受枯枝粗细影响较大,所以3种时滞枯枝的基径(粗度)按照各时滞直径范围对应的面积取中值进行采样,枯枝1 hr、枯枝10 hr、枯枝100 hr样品的基径分别控制在0.4、1.8和5.7 cm左右。所有样品置于尼龙袋(35 cm × 25 cm)中(40目),注明树种和类别并编号。

      实验地选择在北京林业大学气象站。将实验材料的32个样袋放置在空旷且无人干扰的地面上,各样袋的地面条件一致。先将样袋在试验地搁置5 d时间,使可燃物含水量在试验地的天气条件下趋于稳定。北京地区的森林火灾主要发生在春秋两季节,根据当地防火办法规定。该地区每年11月1日至次年5月31日为森林防火期。本次观测开始于2018年11月1日,至2019年5月30日结束,共计7个月时间。每天的14:00时,对所有样袋进行称重并记录;同时,用CJY4型便携式气象仪记录地面1.5 m高的温度、相对湿度和风速。每隔5 d进行全天的逐小时观测,从06:00 ~ 18:00,每间隔1 h称质量1次。

      防火期结束后测定样品干质量。气象站所有实验结束后,将样品从网袋中取出,放入信封内,在烘箱内105 ℃持续烘干48 h至样品恒质量,分别称取样品和信封干质量。本实验均用1/100电子天平称质量。根据如下公式计算出可燃物含水率:

      $ F(\% ) = \frac{{(M - M_0) - (M' - M'_0)}}{{M' - M'_0}} \times 100$

      式中:F为可燃物样品在每一个观测时点的含水率,%;M可燃物样品在每一次观测时测定的质量,g;$ M'$为可燃物烘干后的干质量(含信封干质量),g;M0为装可燃物的网袋重量,g;$ M'_0$为烘干后的信封质量,g。

    • 气象数据来源于CJY4型便携式气象仪,该仪器可以将实验地的温度、相对湿度、风速每30分钟自动采集并储存。采用单因素方差分析方法分析不同可燃物含水率之的差异。可燃物含水率变化不仅受当时气象因子影响,也受前期平均气象因子影响[25],在此基础上,按照不同树种不同种类为对象分别分析与当期和前期气象因子之间的关系。

      采用LSD多重比较分析方法,通过Pearson相关系数评价各气象因子的影响程度,最终选择6个影响显著的气象因子,3个当时和3个前期气象因子。可燃物含水率与气象因子间呈现出指数关系(图1),因此,本研究采用指数模型建立预测模型。

      图  1  可燃物含水率与气象因子关系

      Figure 1.  The relation between fuel moisture content and meteorological factors

      相关指数(R2)描述了模型解释变量变化的能力大小,值越大,显示模型拟合效果越好。平均绝对误差(MAE)为实测值和预测值之间的绝对误差,计算简便,但不便于不同模型之间的比较,而平均相对误差(MRE)为相对数指标,方便比较不同模型的优劣。通常认为,可燃物含水率预测模型的平均相对误差 < 15%时,模型可以实践运用[30]

      $ \begin{array}{l} {\rm{MAE}} = \left( {\sum\limits_{i = 1}^n {\left| {{H_i} - {h_i}} \right|} } \right)/n\\ MRE = \left( {\sum\limits_{i = 1}^n {\left| {\frac{{{H_i} - {h_i}}}{{{H_i}}}} \right|} } \right)/n \times 100 \end{array} $

      式中:MAE为平均绝对误差,%;MRE为平均相对误差,%;n为测算次数;i为次数的具体取值,取值范围为1 ~ n,Hi为第i次含水率的实测值,%;hi为第i次含水率的预测值,%。

      利用所建立的32个回归模型,结合CJY4型便携式气象仪自动收集的各个时间段的气象因子,分别计算出不同种类可燃物含水率在一天中和防火期内的情景预测值,并分析在此时间尺度上各自含水率的变化规律。

      实验中涉及到的分析均使用SPSS 2018分析软件完成,选用Origin 2019b作图软件作图。

    • 可燃物含水率受环境中气象因子影响。为方便说明两者关系,此处以榆树平均可燃物含水率为例进行分析。从图1可以看出,指数模型下,可燃物含水率和环境温度、相对湿度和风速相关系数分别为0.612 9、0.420 2和0.324 6,可知3种气象因子的影响程度表现为由大到小。当温度低湿度大时,可燃物吸收空气中水分子使含水率增加,森林火灾的发生率因此而降低;反之,当温度升高湿度降低时,可燃物水分子向空气中扩散,可燃物含水率降低。风速影响着枯死可燃物和空气之间交换水分子的速度,风速越大,可燃物失去水分子速度越快,可燃物含水率越低。

    • 不同种类可燃物含水率在相同气象因子影响下不同,同一树种同一种类可燃物含水率在不同气象因子影响下也不同。可燃物含水率受自身生理机制影响,从表1~ 2 可知,在0.01的显著性水平下,不同树种以及不同种类的可燃物含水率均差异显著。

      表 1  不同树种可燃物含水率显著性分析

      Table 1.  Significance analysis of the fuel moisture content of different tree species

      平方和
      Sum of
      squares
      自由度
      Degree of freedom
      均方
      Mean squares
      F显著性
      Probability
      组间 Groups 2 121.117 7 303.017 52.288 .000
      组内 Error 6 252.933 1 079 5.795
      总计 Total 8 374.050 1 086

      表1单因素方差分析可知,不同树种之间平均含水率之间的差异显著。可燃物平均含水率总体表现为阔叶树大于枯叶树,可燃物平均含水率由大到小依次为:栓皮栎 > 槲栎 > 榆树 > 刺槐 > 五角枫 > 侧柏 > 油松 > 落叶松。含水率较高的栓皮栎、槲栎和榆树,含水率分别为20.11%、19.42%、18.98%,针叶树侧柏、油松和落叶松都较低,分别为17.36%、16.67%、15.66%。相较于针叶树,阔叶树可燃物枯树叶形宽大,枯枝密度低孔隙多,易吸附水分子,且油脂含量低,燃尽产生的灰份较多,属于抗火树种,因此,可燃物含水率普遍较高。

      不同树种平均可燃物含水率变化幅度不同,从图2分析可知,平均可燃物含水率变化幅度由大到小依次为:榆树 > 侧柏 > 刺槐 > 五角枫 > 槲栎 > 油松 > 落叶松 > 栓皮栎,变化最大的榆树平均枯死可燃物含水率变化范围为13.25% ~ 25.87%,变幅为12.62%,变化最小的栓皮栎平均枯死可燃物含水率变化范围为15.86% ~ 24.25%,变幅为8.39%。

      图  2  不同树种可燃物含水率

      Figure 2.  The fuel moisture content of different tree species

      表2单因素方差分析可知,不同种类之间平均含水率之间的差异显著。从时滞角度分析,不同种类可燃物含水率差异显著;结合树种分析,榆树枯枝100 hr含水率与榆树其他种类之间表现为差异不显著,而其他各树种各种类可燃物之间均表现为差异显著。可燃物对气候条件变化的反应速度不同,因此在一天中,温度高湿度小的时间点测量的含水率差异性显著。

      表 2  不同种类可燃物含水率显著性分析

      Table 2.  Significance analysis of the fuel moisture content of different fuel types

      平方和
      Sum of
      squares
      自由度
      Degree of freedom
      均方
      Mean squares
      F显著性
      Probability
      组间
      Groups
      11 085.522 3 3 695.174 554.101 0
      组内
      Error
      3 594.471 539 6.669
      总计
      Total
      14 679.993 542

      不同树种不同种类间的变化幅度不同,从图3可知,枯叶含水率变化幅度最大,随着枯枝直径增大,其含水率变化幅度逐渐变小。这是因为,枯枝直径越大,单位表面积承载的重量越大,枯枝内部的含水率与外界交换速度放缓,吸水和失水量小,致使含水率变化幅度变小。变幅最大的是栓皮栎枯叶,变化范围10.75% ~ 39.59%,变幅28.84%,最小为落叶松100 hr,变化范围9.74% ~ 15.82%,变幅6.08%。

      图  3  不同种类可燃物含水率

      Figure 3.  The fuel moisture content of different fuel types

    • 可燃物含水率与气象因子相关系数分析(表3)显示,气象因子对可燃物含水率的影响方向大致相似,可燃物含水率与相对湿度Pearson相关系数(表3)为正,表现为高湿时含水率高,与温度和风速Pearson相关系数为负,表现为低温微风时含水率高,变化幅度由高到低依次为温度、相对湿度和风速。枯叶、枯枝1 hr、枯枝10 hr、枯枝100 hr与气象因子之间的相关性显著程度由高到低。

      表 3  可燃物含水率与气象因子Pearson相关系数

      Table 3.  The Pearson of the fuel moisture content and meteorological factors

      种类
      Types
      当期和前期气象因子
      Current and previous meteorological factors
      相关系数 Correlation coefficient
      榆树
      Ulmus pumila
      槲栎
      Quercus aliena
      刺槐
      Robinia pseudoacacia
      油松
      Pinus tabulaeformis
      五角枫
      Acer truncatum
      华北落叶松
      Larix principis-rupprechtii
      栓皮栎
      Quercus variabilis
      侧柏
      Platycladus orientalis
      枯叶Dead leaves 温度 Temperature − 0.747** − 0.726** − 0.790** − 0.617** − 0.415** − 0.709** − 0.491** − 0.816**
      湿度 Humidity 0.637** .445** .676** .390** .374** .363** .386** .440**
      风速 Wind speed − 0.570** − .385** − .568** − .352** − .347** − .375** − .273** − .353**
      前2 h平均温度
      Average temperature of former 2 h
      − 0.652** − .679** − .699** − .565** − .333** − .672** − .432** − .780**
      前2 h平均相对湿度
      Average humidity of former 2 h
      0.498** .364** .565** .285** .249** .266** .266** .337**
      前2 h平均风速
      Average wind speed of former 2 h
      − 0.158 − .033 − .156 − .027 − .037 − .028 .045 .017
      枯枝
      1时滞
      1 hr
      温度 Temperature − 0.563** − .565** − .433** − .554** − .488** − .581** − .665** − .682**
      湿度 Humidity 0.433** .403** .329** .526** .374** .528** .515** .567**
      风速 Wind speed − 0.426** − .371** − .126 − .451** − .265** − .335** − .362** − .521**
      前2 h平均温度
      Average temperature of former 2 h
      − 0.530** − .491** − .349** − .460** − .420** − .497** − .596** − .575**
      前2 h平均相对湿度
      Average humidity of former 2 h
      0.355** .313** .246** .404** .253** .414** .414** .479**
      前2 h平均风速
      Average wind speed of former 2 h
      − 0.102 − .044 − .032 − .107 .017 − .113 − .048 − .145
      枯枝10时滞10 hr 温度 Temperature − 0.477** − .454** − .457** − .397** − .475** − .359** − .405** − .392**
      湿度 Humidity 0.451** .392** .293** .389** .409** .135 .328** .339**
      风速 Wind speed − 0.227** − .201* − .145 − .120 − .127 .029 − .105 − .149
      前20 h平均温度
      Average temperature of former 20 h
      − 0.361** − .316** − .324** − .302** − .387** − .301** − .305** − .384**
      前20 h平均相对湿度
      Average humidity of former 20 h
      0.507** .451** .369** .434** .421** .274** .366** .421**
      前20 h平均风速
      Average wind speed of former 20 h
      − 0.179* − .147 − .165 − .125 − .085 − .067 − .117 − .147
      枯枝100时滞100 hr 温度 Temperature − 0.155 − .329** − .195* − .361** − .156 − .138 − .402** − .366**
      湿度 Humidity 0.167 .310** .238** .163 .229** .213* .350** .369**
      风速 Wind speed − 0.076 − .116 − .168 − .118 − .111 − .080 − .152 − .139
      前100 h平均温度
      Average temperature of former 100 h
      − 0.387** − .381** − .288** − .489** − .269** − .234** − .510** − .339**
      前100 h平均相对湿度
      Average humidity of former 100 h
      0.378** .469** .572** .594** .658** .583** .496** .376**
      前100 h平均风速
      Average wind speed of former 100 h
      − 0.111 − .078 − .148 − .139 − .163 − .163 − .153 − .177*
      注:“*”和“**”分别表示0.05和0.01水平下相关性显著。

      分析表明,枯枝径级越大,当期气象因子对可燃物含水率数值影响越低,如当期温度、相对湿度和风速与榆树枯叶的相关系数分为− 0.747、0.637和− 0.570,而与其枯枝100 hr的相关系数仅为− 0.155、0.167和− 0.076(表3)。温度、湿度与枯叶、枯枝1 hr的相关性显著,而风速与枯枝10 hr和枯枝100 hr相关性基本不显著,这可能是因为枯枝径级越大,受自身特性影响越多。

    • 考虑可燃物含水率和气象因子之间的相关性,选择相关系数较大的气象因子作为自变量;同时考虑数据的可获得性和理解性。当期温度、相对湿度和风度都能通过简单方式获得,而前2 h、2 0 h、100 h的平均气象因子也方便理解和运用。最终选择出的气象因子如表4

      表 4  可燃物含水率预测模型变量选择

      Table 4.  The variables of the fuel moisture content prediction model

      可燃物种类
      Types
      变量选择 Variable selection
      当期气象因子 Current meteorological factors前期气象因子 Previous meteorological factors
      枯叶
      Dead leaves
      温度
      Temperature
      相对湿度
      Humidity
      风速
      Wind speed
      前2 h平均温度
      Average temperature of former 2 h
      前2 h平均相对湿度
      Average humidity of former 2 h
      前2 h平均风速
      Average wind speed of former 2 h
      枯枝1时
      滞1 hr
      温度
      Temperature
      相对湿度
      Humidity
      风速
      Wind speed
      前2 h平均温度
      Average temperature of former 2 h
      前2 h平均相对湿度
      Average humidity of former 2 h
      前2 h平均风速
      Average wind speed of former 2 h
      枯枝10时
      滞10 hr
      温度
      Temperature
      相对湿度
      Humidity
      风速
      Wind speed
      前2 h平均温度
      Average temperature of former 20 h
      前20 h平均相对湿度
      Average humidity of former 20 h
      前20 h平均风速
      Average wind speed of former 20 h
      枯枝100时
      滞100 hr
      温度
      Temperature
      相对湿度
      Humidity
      风速
      Wind speed
      前100 h平均温度
      Average temperature of former 100 h
      前100 h平均相对湿度
      Average humidity of former 100 h
      前100 h平均风速
      Average wind speed of former 100 h

      可燃物含水率和不同气象因子之间具有很好的指数关系(图1),因此,本研究采用如下模型建立预测模型:

      $F = \exp ({b_0} + {b_1}T + {b_2}H + {b_3}V + {b_4}\overline T + {b_5}\overline H + {b_6}\overline V )$

      式中:F为含水率预测值,%;THV为当期温度、相对湿度、风速,℃、%、m/s;$\overline T $$\overline H $$\overline V $为前期平均温度、相对湿度、风速,℃、%、m/s;b0b1b2b3b4b5b6为系数。

      模型参数及检验指标如表5。分析表明,32个模型的相关指数(R2)在34% ~ 78%之间,R2大于0.6以上的模型有4个,大于0.5的模型11个,大于0.4的模型有23个。平均绝对误差MAE为0.67% ~ 2.83%,1%以下的模型27个,平均相对误差MRE为5.60% ~ 13.98%,10%以下的模型21个,各检验指标显示模型拟合效果好,具有较高的精度,可以实践运用。

      表 5  可燃物含水率模型参数及检验指标值

      Table 5.  The prediction model parameters of the fuel moisture content and verification index

      树种 Tree species类型 Typesb0b1b2b3b4b5b6R2MAEMRE
      榆树 Ulmus pumila 枯叶 − 1.273 − 0.029 0.021 − 0.251 0.012 − 0.015 0.202 0.776 2.83 13.44
      1 hr − 1.558 0.007 0.007 − 0.158 − 0.012 − 0.003 0.123 0.418 2.26 11.31
      10 hr − 1.888 − 0.008 − 0.001 0.049 0.003 0.005 − 0.014 0.454 1.05 6.47
      100 hr − 2.362 0.010 0.005 0.043 − 0.016 0.004 0.017 0.343 1.53 12.69
      槲栎 Quercus aliena 枯叶 − 1.237 − 0.008 0.001 − 0.04 0.002 0.000 0.043 0.559 1.62 6.11
      1 hr − 1.551 − 0.018 0.001 − 0.076 0.012 − 0.002 0.075 0.422 1.62 9.02
      10 hr − 1.833 − 0.013 − 0.004 0.042 0.008 0.005 − 0.012 0.428 1.11 7.01
      100 hr − 2.158 − 0.002 0.003 0.026 − 0.001 0.004 0.057 0.421 0.82 5.60
      刺槐 Robinia pseudoacacia 枯叶 − 1.141 − 0.013 0.009 − 0.088 0.005 − 0.004 0.076 0.778 1.92 6.45
      1 hr − 1.793 − 0.024 0.006 0.127 0.018 − 0.005 − 0.088 0.405 0.95 6.11
      10 hr − 1.86 − 0.029 − 0.011 0.083 0.02 0.008 − 0.078 0.456 1.42 11.91
      100 hr − 2.629 − 0.003 0.002 − 0.006 − 0.002 0.011 0.116 0.411 1.56 13.98
      油松 Pinus tabulaeformis 枯叶 − 1.439 − 0.007 0.005 − 0.041 0.003 − 0.004 0.041 0.44 1.42 6.65
      1 hr − 1.648 − 0.017 0.012 − 0.122 0.013 − 0.009 0.113 0.498 1.94 10.71
      10 hr − 2.235 − 0.012 0.001 0.116 0.004 0.007 − 0.027 0.376 1.56 12.47
      100 hr − 2.375 − 0.004 − 0.002 0.012 − 0.004 0.008 0.040 0.578 0.76 6.76
      五角枫 Acer truncatum 枯叶 − 1.353 − 0.018 0.012 − 0.146 0.016 − 0.012 0.138 0.370 2.69 11.84
      1 hr − 1.69 − 0.012 0.01 − 0.019 0.008 − 0.008 0.043 0.359 1.47 8.33
      10 hr − 2.162 − 0.009 0.002 0.100 0.001 0.005 − 0.009 0.423 1.36 9.74
      100 hr − 2.391 − 0.001 0.001 0.008 − 0.001 0.006 0.054 0.514 0.67 5.64
      落叶松 Larix principisrupprechtii 枯叶 − 1.395 − 0.014 0.004 − 0.096 0.002 − 0.004 0.082 0.547 2.14 12.2
      1 hr − 1.967 − 0.016 0.015 0.090 0.009 − 0.009 − 0.059 0.504 1.15 8.46
      10 hr − 1.963 − 0.012 − 0.006 0.070 0.006 0.005 − 0.036 0.358 0.92 7.05
      100 hr − 2.510 − 0.002 0.003 0.033 − 0.002 0.01 0.078 0.404 1.64 12.88
      栓皮栎 Quercus variabilis 枯叶 − 1.447 − 0.005 0.011 − 0.052 0.002 − 0.008 0.075 0.371 1.94 8.39
      1 hr − 1.573 − 0.011 0.008 0.009 0.004 − 0.004 0.016 0.535 1.42 7.24
      10 hr − 1.644 − 0.007 − 0.001 0.046 0.003 0.003 − 0.019 0.331 1.08 5.36
      100 hr − 2.221 − 0.001 0.004 0.047 − 0.006 0.005 0.036 0.509 1.09 7.64
      侧柏 Platycladus orientalis 枯叶 − 1.300 − 0.013 0.008 − 0.019 − 0.002 − 0.005 0.044 0.707 2.05 8.90
      1 hr − 1.597 − 0.040 − 0.004 − 0.145 0.030 0.003 0.114 0.652 1.58 10.39
      10 hr − 2.078 0.001 0.002 0.070 − 0.008 0.005 − 0.016 0.358 1.33 8.80
      100 hr − 2.349 − 0.005 0.004 0.046 0.001 0.004 0.007 0.357 0.91 7.88
    • 一天当中,可燃物含水率呈现出规律性变化。模型预测含水率和实测含水率呈现出相同的变化规律,上午06:00—08:00时,随着太阳辐射增加,相对湿度开始降低,温度快速增加,含水率下降明显。12:00—14:00时左右降到最低,此时,森林火险最高,遇上大风天气时发生火灾的可能性显著增加。随后温度降低,相对湿度升高,含水率缓慢增加。整个夜间温度偏低,空气中水分子遇冷凝结吸附在可燃物表面,此时含水率相对较高,发生森林火灾的可能性最小。

      不同树种平均可燃物含水率日变化幅度差异明显,变化特征不同。从模型预测含水率(图4)分析可知,榆树平均可燃物含水率相对于一天中含水率最大值减少了28.73%,相对降低最大,刺槐和侧柏相对减少均超过20%,而五角枫、油松和槲栎平均可燃物含水率相对降低较小,均在16%以下。实测含水率相对降低幅度超过20%从大到小依次为榆树、刺槐、侧柏。不同种类的可燃物含水率日变化幅度差异明显,变化特征不同。从4图中分析可知,榆树枯叶、刺槐枯叶、侧柏枯叶变化范围最大,分别是18.51%、12.40%、9.42%,实测含水率变化范围为20.98%、13.91%、8.62%,侧柏枯枝10 hr、五角枫枯枝100 hr、油松枯枝100 hr变化范围很小,一天内变化幅度在1%以内(实测含水率变化幅度在1.5%以内),基本保持不变。

      图  4  不同树种不同种类可燃物含水率日变化预测

      Figure 4.  The diurnal variation prediction of fuel moisture content of different tree species and among different fuel types

    • 不同树种不同种类可燃物含水率在防火期时间尺度上的变化规律性明显。模型预测含水率和实测含水率呈现出相同的变化规律。此处以模型预测含水率(图5)分析,可知榆树和侧柏变幅较大,而油松和五角枫变幅较小。不同种类可燃物含水率变化幅度规律和可燃物含水率日变化相似,也表现出枯叶和枯枝1 hr的变化幅度普遍大于枯枝10 hr和枯枝100 hr大的变化幅度,特别是枯枝100 hr,在整个防火期内表现出稳定而缓慢且变动范围较小的变化规律。

      图  5  不同种类不同树种可燃物含水率防火期变化预测

      Figure 5.  The variation prediction of the fuel moisture content of different tree species and among different fuel types during the period of fire prevention

      在防火期内,可燃物含水率呈现出先上升后下降的趋势。模型预测含水率和实测含水率呈现出相同的变化规律,具体来看,11月可燃物含水率较低,但不同树种不同种类含水率表现出缓慢增加的趋势,到12月底达到峰值并缓慢降低,3—4月含水率急速下降到达最低点。这是因为北京秋季持续干燥少雨,空气湿度相对较低,且大风天气多,而冬季温度低,有积雪覆盖,相对湿度大,可燃物含水率保持较高状态。3月份温度回升,空气干燥,风速较大,可燃物含水率迅速下降达到全年最低,可燃物含水率在10%以下的高危火险天数增多。

    • 不同树种可燃物含水率研究结果表明,可燃物平均含水率从高到低分别为:栓皮栎、槲栎、榆树、刺槐、五角枫、侧柏、油松、落叶松。整体表现为阔叶树的含水率大于针叶树含水率。选择防火树种时应该先择可燃物含水率较高的栓皮栎、槲栎、榆树和刺槐等阔叶树。油松、侧柏和落叶松等树种的含水率较低,落叶松分布地区海拔较高,多为人工纯林,林内可燃物载量大,发生火灾时扑救难度增大。目前,这些易燃树种在北京地区分布广泛,在日常管理中,应加大对此类易燃林的管理。

      枯叶含水率较高,变化幅度最大;枯枝含水率随着径级增大而减小,变化幅度随着径级的增加而减小。这充分说明对可燃物含水率分类分级单独研究的重要性。径级越大受气象因子持续影响时间越久,表现为枯枝10 hr和枯枝100 hr受前期气象因子影响程度较大,说明枯枝径级越大,可燃物含水率受到前期气象因子影响越大。本研究以不同树种不同种类为对象,分别选择影响较大的6个不同气象因子,逐个建立预测模型,所有模型通过相关检验指标,效果良好,可以实际运用。

      可燃物含水率在不同时间尺度上差别很大。可燃物含水率日变化表现为夜间高白天低,夜间稳定白天变幅大,06:00—08:00达到最大值,而后急剧下降,14:00左右达到全天最低值。从整个防火期分析,可燃物含水率在11月和次年3—5月较低,特别是次年3—4月,可燃物含水率在达到全年最低,大部分达到10%以下,且持续时间较长。北京春季干燥,温度升高,大风天气较多,白天可燃物含水率达到很低的状态,森林火险等级较高,应加强管理。

      从8个树种可燃物平均含水率排序来看,这和以往研究所得出的结论有些差别。经过进一步的分析,我们认为可能的原因主要如下:首先,样品采样过程中存在差异,特别是枯枝100 hr,直径范围为2.5 ~ 7.6 cm,整个实验也表明,可燃物含水率的大小受直径影响显著。其次,本次采样的地点是北京妙峰山林场,由于该地属于森林火灾重点预防单位,所以对可燃物管理管理较为严格,采集的样品多为当年掉落的枯枝,这相对于其他陈年枯落叶含水率不同。

      可燃物含水率是结合树种特性和特定环境下的综合结果,由内部因素和外部因素共同构成。研究也发现可燃物含水率变化幅度主要受树种自身特征影响的趋势,但具体影响机制还需进一步研究。实验中,采集的枯叶样品要求叶片完整,称质量过程中做到轻拿轻放,并且选用缝隙小的尼龙袋,使整个实验很少有损耗;此外,样品的质量在200 g以上,微小的损失对实验影响不大。尽管实验分析比较严格,但由于同一树种所测试的样本难以保证完全一致,控制实验难度大,也会影响到实验结果。

参考文献 (30)

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