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基于MODIS卫星火点数据的浙江省林火时空动态变化特征

曾爱聪 郭新彬 郑文霞 魏帽 靳全锋 郭福涛

曾爱聪, 郭新彬, 郑文霞, 魏帽, 靳全锋, 郭福涛. 基于MODIS卫星火点数据的浙江省林火时空动态变化特征[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(11): 39-46. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190483
引用本文: 曾爱聪, 郭新彬, 郑文霞, 魏帽, 靳全锋, 郭福涛. 基于MODIS卫星火点数据的浙江省林火时空动态变化特征[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(11): 39-46. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190483
Zeng Aicong, Guo Xinbin, Zheng Wenxia, Wei Mao, Jin Quanfeng, Guo Futao. Temporal and spatial dynamic characteristics of forest fire in Zhejiang Province of eastern China based on MODIS satellite hot spot data[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(11): 39-46. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190483
Citation: Zeng Aicong, Guo Xinbin, Zheng Wenxia, Wei Mao, Jin Quanfeng, Guo Futao. Temporal and spatial dynamic characteristics of forest fire in Zhejiang Province of eastern China based on MODIS satellite hot spot data[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(11): 39-46. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190483

基于MODIS卫星火点数据的浙江省林火时空动态变化特征

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190483
基金项目: 国家重点研发计划重点专项(2018YFE0207800),国家自然科学基金项目(31770697)
详细信息
    作者简介:

    曾爱聪。主要研究方向:林火预测。Email:fjzac13655014632@126.com 地址:350002 福建省福州市仓山区建新镇上下店路15号福建农林大学林学院

    通讯作者:

    郭福涛,副教授,博士生导师。主要研究方向:林火预测与林火生态。Email:guofutao@126.com 地址:同上

  • 中图分类号: S762.2

Temporal and spatial dynamic characteristics of forest fire in Zhejiang Province of eastern China based on MODIS satellite hot spot data

  • 摘要:   目的  研究森林火灾时空动态变化特征,有助于掌握森林火灾发生规律及变化趋势,为火险期划分和防火资源的合理分配提供科学依据。  方法  本研究基于MODIS卫星火点数据,运用数据统计、Mann-Kendall趋势检验法和滑动t检验,对浙江省2001—2016年森林火灾时空分布特征、变化趋势和防火期的变化进行研究。  结果  (1)2001—2016年浙江省森林火灾整体呈上升趋势,春季、夏季和冬季是林火发生主要季节。其中春、夏两季森林火灾显著增长,秋、冬两季森林火灾呈先上升后下降的变化趋势。浙江省传统定义火险期的林火数量呈下降趋势,而更多的林火在夏季发生,火险期由11月至翌年4月变为1月19日至9月1日,向夏季偏移和延长。(2)浙江省森林火灾空间分布呈现出由西南向东北递减趋势,其中杭州市、衢州市、丽水市和温州市森林火灾发生频率较高,且在防火期、春季和夏季呈上升趋势。  结论  研究建议浙江省加强西南地区及春、夏两季森林火灾监测和防火宣传,适当调整火险期和防火资源时空分配,将有助于抑制浙江省森林火灾的增长趋势。
  • 图  1  研究区域

    Figure  1.  Study area

    图  2  全年和防火期森林火灾次数

    Figure  2.  Time number of forest fire in fire prevention period and entire year

    图  3  全年和防火期森林火灾变化趋势图

    UF. 标准正态分布线;UB. 反序列的标准正态分布线; z. 标准正态分布统计值;下同。UF, standard normal distribution line; UB, standard normal distribution line of the inverse sequence; z, standard normal distribution statistics; The same below.

    Figure  3.  Trend of forest fire in fire prevention period and entire year

    图  4  防火期森林火灾t检验

    t. t检验统计值; 下同。 t, t test statistics;The same below.

    Figure  4.  t test for forest fire in fire prevention period

    图  5  四季森林火灾数量

    Figure  5.  Time number of forest fire in four seasons

    图  6  四季森林火灾变化趋势

    Figure  6.  Trend of forest fire in four seasons

    图  7  秋季和冬季森林火灾t检验

    Figure  7.  t test for forest fire in autumn and winter

    图  8  火险期变化图

    Figure  8.  Change chart of fire season

    图  9  浙江省各地区森林火灾次数和变化趋势图

    Figure  9.  Time number and changing trend chart of forest fire in each district of Zhejiang Province

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-31
  • 修回日期:  2020-02-28
  • 网络出版日期:  2020-11-17
  • 刊出日期:  2020-12-14

基于MODIS卫星火点数据的浙江省林火时空动态变化特征

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190483
    基金项目:  国家重点研发计划重点专项(2018YFE0207800),国家自然科学基金项目(31770697)
    作者简介:

    曾爱聪。主要研究方向:林火预测。Email:fjzac13655014632@126.com 地址:350002 福建省福州市仓山区建新镇上下店路15号福建农林大学林学院

    通讯作者: 郭福涛,副教授,博士生导师。主要研究方向:林火预测与林火生态。Email:guofutao@126.com 地址:同上
  • 中图分类号: S762.2

摘要:   目的  研究森林火灾时空动态变化特征,有助于掌握森林火灾发生规律及变化趋势,为火险期划分和防火资源的合理分配提供科学依据。  方法  本研究基于MODIS卫星火点数据,运用数据统计、Mann-Kendall趋势检验法和滑动t检验,对浙江省2001—2016年森林火灾时空分布特征、变化趋势和防火期的变化进行研究。  结果  (1)2001—2016年浙江省森林火灾整体呈上升趋势,春季、夏季和冬季是林火发生主要季节。其中春、夏两季森林火灾显著增长,秋、冬两季森林火灾呈先上升后下降的变化趋势。浙江省传统定义火险期的林火数量呈下降趋势,而更多的林火在夏季发生,火险期由11月至翌年4月变为1月19日至9月1日,向夏季偏移和延长。(2)浙江省森林火灾空间分布呈现出由西南向东北递减趋势,其中杭州市、衢州市、丽水市和温州市森林火灾发生频率较高,且在防火期、春季和夏季呈上升趋势。  结论  研究建议浙江省加强西南地区及春、夏两季森林火灾监测和防火宣传,适当调整火险期和防火资源时空分配,将有助于抑制浙江省森林火灾的增长趋势。

English Abstract

曾爱聪, 郭新彬, 郑文霞, 魏帽, 靳全锋, 郭福涛. 基于MODIS卫星火点数据的浙江省林火时空动态变化特征[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(11): 39-46. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190483
引用本文: 曾爱聪, 郭新彬, 郑文霞, 魏帽, 靳全锋, 郭福涛. 基于MODIS卫星火点数据的浙江省林火时空动态变化特征[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(11): 39-46. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190483
Zeng Aicong, Guo Xinbin, Zheng Wenxia, Wei Mao, Jin Quanfeng, Guo Futao. Temporal and spatial dynamic characteristics of forest fire in Zhejiang Province of eastern China based on MODIS satellite hot spot data[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(11): 39-46. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190483
Citation: Zeng Aicong, Guo Xinbin, Zheng Wenxia, Wei Mao, Jin Quanfeng, Guo Futao. Temporal and spatial dynamic characteristics of forest fire in Zhejiang Province of eastern China based on MODIS satellite hot spot data[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(11): 39-46. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190483
  • 森林火灾具有突发性强、破坏性大、发生频率高、预测难度大和扑救困难等特点[1],对生态环境和人类生命财产安全具有重大威胁[2]。研究森林火灾时空动态特征将有助于掌握林火发生规律,划分火险期及合理分配防火资源,对指导林火防治具有现实意义。目前国内外对森林火灾时空分布进行了大量研究,并取得丰厚成果。Parisien 等[3]、Jordan 等[4]、Levin 等[5]研究表明,自然景观格局与森林火灾分布特性关系密切。田晓瑞等[6]、张冬有等[7]、萨如拉等[8]分别对西藏、黑龙江和内蒙古等地区进行了森林火灾时空分布规律研究。目前,国内相关研究多集中在北方地区[9-13],南方地区研究相对较少[14-15],且针对研究区域火险期划分的定量研究还鲜有报道。

    浙江省森林面积达607.82万hm2,森林覆盖率61.17%,居全国第5位[16]。该地区森林火灾频发,但森林火灾变化趋势和火险期的相关研究较少。有鉴于此,本文根据2001—2016年的MOD14A1卫星1 km分辨率火点解译数据,以年、防火期和季节为时间尺度,运用数据统计和Mann-Kendall趋势检验法对森林火灾频率和火险期分布规律、变化趋势进行分析,研究结论可为区域林火管理提供科学依据。

    • 浙江省位于我国东南沿海地区,南接福建,北连江苏,介于27°01′ ~ 31°11′N、118°01′ ~ 123°08′E之间。受季风环流和海洋湿润气流的影响,形成了四季分明的亚热带季风气候,春季阴冷少雨,降雨由西南向东北沿海地区递减。夏季雨热同期,但受副热带高压影响易发生伏旱等灾害。秋季气温16 ~ 21 ℃,雨水充沛,多集中在中部和南部沿海山区,冬季晴冷干燥[17]。地形自西南向东北呈阶梯状倾斜,分别为山地、丘陵和冲积平原。全省林地面积660.95万hm2,主要分为阔叶林、针阔混交林和针叶林,树种包括杉木(Cunninghamia lanceolate)、马尾松(Pinus massoniana)、木荷(Schima superba)、苦槠(Castanopsis sclerophylla)、杜英(Elaeocarpus decipiens)、乌桕(Sapium sebiferum)等。经统计2001—2016年浙江省森林火灾6 368起,过火面积达82.67万hm2[18],主要发生在西南山区,北部平原地区较少(图1)。

      图  1  研究区域

      Figure 1.  Study area

    • 火点数据来源于MOD14A1卫星1 km分辨率火点解译数据(包含起火坐标、时间和可信度等)。选取可信度 > 80%的火点,由于1场火灾可能存在多个火点,因此再利用ArcGIS软件剔除24 h内距离小于1 km的火点,仅保留时间最早的火点,并根据年份将2001—2016年浙江省卫星火点解译数据,分别与覆盖全国陆地区域的多时相1∶10万比例尺土地利用现状数据库提供的2000、2005、2010和2015年1 km分辨率土地利用类型图中,1级分类类型的林地进行叠加。剔除非林地部分火点,最终得到可信火点8 731个[19],本研究中卫星热点数据根据数据处理,认为每一个可信火点均可看作一场火灾。与浙江省森林防火部门记录数据进行验证,精度达72.3%。数据依据两点原则进行整理和划分:(1)将1年366天按1,2,3,···,365,366的顺序连续记数,不分年限。(2)季节划分参照Costafreda等[20]的研究,春季3月20日至6月20日(81 ~ 173),夏季 6月21日至9月21日(174 ~ 266),秋季9月22日至12月20日(267 ~ 355),冬季12月21日至翌年3月19日(1 ~ 80和356 ~ 366),防火期划分按照浙江省法定火险日期11月至翌年4月(1 ~ 121和306 ~ 366)。

    • Mann-Kendall趋势检验法是一种已经被广泛应用的非参数统计的趋势检验法之一[21],在林火变化趋势应用中已取得不错的效果[22]。该检验不需要样本服从某种分布,也不受少数异常值的干扰,定量化程度高,检测范围广,计算方便,对于时间顺序变量和林火类型变量的分析更为适用。对于样本个数为n的时间序列$x$,构造一秩序列:

      $$ {S_k} = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^k {{r_i}} ,\;\;k = 2,\;3,\; \cdots ,\;n$$

      式中:${r_i} = f(x) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} { + 1,{x_i} > {x_j}}\\ { + 0,{x_i} \leqslant {x_j}} \end{array}} \right.$j = 1,2,···,i

      可见秩序列Sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。在时间序列随机独立的假定下定义统计量:

      $$ {\rm{U}}{{\rm{K}}_k} = \dfrac{{|{S_k} - E\left( {{S_k}} \right)}}{{\sqrt {{\rm{var}} \left( {{S_k}} \right)} }}\;\;k = 1,\;2, \;\cdots ,\; n$$

      式中:UK1 = 0,E(Sk)和var(Sk)是Sk的均值和方差。

      X1X2,···,Xn相互独立,且具有相同连续分布时,它们可由下式算出:

      $$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {E\left( {{S_k}} \right) = \dfrac{{k(k - 1)}}{4}}\\ {{\rm{var}} \left( {{S_k}} \right) = \dfrac{{k(k - 1)(2k + 5)}}{{72}}} \end{array}} \right.,\;\;k = 2,\;3,\; \cdots ,\;n $$

      UFk为标准正态分布,按时间序列顺序X1X2,···,Xn计算出来的统计量序列,再按时间序列逆序XnXn−1,···,X1;重复上述过程,同时使${\rm{U}}{{\rm{B}}_k} = - {\rm{U}}{{\rm{F}}_k} \left( {k = n, \; n - 1, \; \cdots , \; 1} \right),{\rm{U}}{{\rm{B}}_1}=0$。给定显著性水平$\alpha $,如$\alpha = 0.05$,临界值$ {u_{0.05}} = \pm 1.96$,将UFk和UBk两个统计量序列曲线和±1.96两条直线均绘在同一图上。

      检验曲线图中若UFk线在临界线内变动,表明森林火灾变化不明显;UFk的值大于零,表明森林火灾呈上升趋势,反之呈下降趋势;当其超过临界线($ {u_{0.05}} = \pm 1.96$)时,表明上升或下降趋势显著。如果UFk曲线和UBk曲线在临界线之间出现交点,则交点对应的年份即为森林火灾突变开始的时间;若出现多个交点或交点出现在临界线外,可结合其他检验方法进一步判定是否为森林火灾突变年份。

    • 滑动t检验是通过比较2个样本平均值之间是否存在显著差异来判断是否发生突变[23],可用于判断森林火灾是否发生突变的判断依据。即将2001—2016森林火灾序列中的2个子序列均值之间是否存在显著差异,当作2个总体均值之间是否存在显著差异的问题来检测。如果2个子序列均值之间差异超过规定显著性水平,则认为2个子序列之间的变化显著,该基准点发生突变。

      对于样本量为16的森林火灾时间序列X,人为设置某一年份为基准点,基准点前后2个子序列分别是x1x2,其样本量分别是n1n2,两段子序列平均值分别为$ {{\bar X}_1}$$ {{\bar X}_2}$,方差分别为$ S_1^2$$ S_2^2$。定义统计量:

      $$ t = \dfrac{{{{\bar X}_1} - {{\bar X}_2}}}{{S\sqrt {\dfrac{1}{{{n_1}}} + \dfrac{1}{{{n_2}}}} }}$$

      式中:$S = \sqrt {\dfrac{{{n_1}S_1^2 + {n_2}S_2^2}}{{{n_1} + {n_2} - 2}}}$,自由度服从$ v = {n_1} + {n_2} - 2$的分布。

      显著性水平P = 0.05,通过查t分布表得到的临界值t0.05,若|t| > t0.05,则认为在基准点年份森林火灾发生突变,否则认为基本点前后的2个子序列均值之间无显著差异。

    • 2001—2016年浙江省共发生森林火灾8 731起,其中防火期发生森林火灾4 665起。但16年间防火期火灾占当年火灾比例不断下降,2001—2005年占比维持在70%以上,2006—2016年间占比不断下降。从年际变化看,浙江森林火灾数量波动大,2003和2004年火灾达到顶峰,2006年降至最低。防火期变化则较为平稳(图2)。

      图  2  全年和防火期森林火灾次数

      Figure 2.  Time number of forest fire in fire prevention period and entire year

      ime 从变化趋势分析,浙江省森林火灾总体呈上升趋势但变化不显著,在2001—2002年火灾呈下降趋势,2003年发生突变,而后保持增长(图3a)。防火期森林火灾呈先上升后下降的变化趋势,其中2004年火灾显著增长,2010年由增长变为下降。同时,通过Mann-kendall检验发现,在2012,2014和2015年防火期森林火灾可能发生突变(图3b)。鉴于单一检验对突变年份的判断可能不准确,因此辅以滑动t检验协助判断,结果表明,防火期森林火灾未发生突变(图4)。参考前人研究当2种检验结果不一致时,根据两者结果进行比较分析,发现2012年森林火灾数量发生突变[24]

      图  3  全年和防火期森林火灾变化趋势图

      Figure 3.  Trend of forest fire in fire prevention period and entire year

      图  4  防火期森林火灾t检验

      Figure 4.  t test for forest fire in fire prevention period

    • 浙江省森林火灾主要发生在春季、夏季和冬季,秋季最少。春季年均发生森林火灾170起,2009—2012年森林火灾数量发生频率较高;夏季发生森林火灾2 363起,76.3%的森林火灾发生在2009—2016年;秋、冬两季森林火灾在2003和2004年异常高发,其余年份冬季森林火灾仍保持较高水平(图5)。从变化趋势看,春夏两季森林火灾总体呈上升趋势,秋、冬两季火灾呈先上升后下降的变化趋势。其中春季森林火灾在2003年发生突变,2004、2009、2011和2012年显著增长(图6a)。夏季森林火灾在2007年发生突变,达到并保持显著增长(图6b)。但秋冬两季森林火灾变化较为复杂,在2011、2012、2014、2015和2016年秋季森林火灾显著下降(图6c6d);并根据Mann-Kendall趋势检验和滑动t检验结果及森林火灾数量比较,认为2013年秋季和2012年冬季森林火灾发生突变(图7)。

      图  5  四季森林火灾数量

      Figure 5.  Time number of forest fire in four seasons

      图  6  四季森林火灾变化趋势

      Figure 6.  Trend of forest fire in four seasons

      图  7  秋季和冬季森林火灾t检验

      Figure 7.  t test for forest fire in autumn and winter

    • 浙江省法定火险期为11月到翌年4月,包含春季、秋季和冬季。2001—2016年浙江省主要森林火灾分布季节发生变化,2001—2004年冬季发生森林火灾共1 190起,显著高于其他季节。2005—2012年春季发生森林火灾最多,夏季森林火灾保持增长趋势,逐渐超过冬季。2013—2016年夏季森林火灾高于春季(图4)。表明浙江省林火动态发生变化,因此参考前人研究、资源配置和我国的林火政策[2526],假定含全年90%森林火灾的最短连续时间为火险期。如图8所示,2001—2004年火险期为9月25日到翌年5月6日。2005—2008年火险期向春季和夏季偏移,火险期为12月12日至翌年8月22日。2009—2012年火险期为1月15日至8月27日。2013—2016年火险期为1月19日到9月1日。火险期明显向春、夏两季偏移并延长。

      图  8  火险期变化图

      Figure 8.  Change chart of fire season

    • 浙江省森林火灾主要发生在杭州市、衢州市、丽水市和温州市,整体呈东北向西南递增,除舟山市外其余地区森林火灾呈上升趋势,而嘉善市森林火灾发生极少,故不进行分析讨论。与全年相比,防火期内衢州市和杭州市森林火灾数量相对减少,且大部分地区森林火灾呈下降趋势,仅衢州市、丽水市和温州市呈上升趋势。春、夏两季森林火灾分布特征和变化趋势与总体基本一致,但与春季相比,夏季森林火灾略少、增长更为显著。秋、冬两季森林火灾分布特征和防火期大致相同,全省森林火灾呈下降趋势(图9)。

      图  9  浙江省各地区森林火灾次数和变化趋势图

      Figure 9.  Time number and changing trend chart of forest fire in each district of Zhejiang Province

    • (1)2001—2016年浙江省森林火灾整体呈上升趋势,防火期森林火灾在2010年开始下降。春季、夏季和冬季森林火灾高发,其中春、夏两季森林火灾显著增长,夏季成为林火主要发生季节,火险期向夏季发生偏移和延长,冬季森林火灾在2006年开始下降,但趋势不显著。秋季森林火灾较少,但异常年份火灾高发需高度重视。

      (2)浙江省森林火灾分布呈东北向西南递增的趋势,大部分地区森林火灾呈上升趋势。其中杭州市、衢州市、丽水市和温州市森林火灾发生频率较高,在春、夏两季增长趋势显著。其余地区森林火灾较少,但除舟山市外,春、夏两季火灾均呈上升趋势。

    • 浙江省森林火灾可能受气候暖干化的影响,总体呈上升趋势[27],其中2003和2004年森林火灾异常高发,主要是该年份降雨明显较少导致[28]。防火期森林火灾于2010年变为下降趋势,主要是由于长期的人为干预,有效的抑制了火灾的发生,但防火期占全年火灾比例显著下降,表明非防火期火灾显著增长。通过研究各季节森林火灾发现,春季、夏季和冬季是主要林火发生季节,其中春季在2001—2015年间降雨显著减少、温度显著上升[29],导致森林火险和火灾数量显著增长。夏季降雨量虽显著增长,但降雨次数明显下降且高温热浪次数大幅增长,伏旱等极端天气频发[30],致使森林火险显著增长[31],夏季成为林火发生主要季节,与田晓瑞等[32]的研究结论相同。秋、冬两季受林火政策抑制,火灾呈下降趋势,但冬季晴冷干燥的气候特征和部分人为活动,使冬季森林火灾仍处于较高水平。浙江省西南地区以山地为主,道路交通不便,但人为活动频繁,气候较其他地区更易发生森林火灾,导致森林火灾高发[33]

      本研究在一定程度上分析了浙江省森林火灾时空分布规律及变化趋势,结果可为该地区林火资源分配和防火期调整提供一定科学依据。但卫星热点数据时间过短、森林火灾发生受诸多自然和人为因素的综合影响,为更系统分析林火分布规律,今后需加长研究时间,结合自然和人为因素进行深入研究。同时在全球气候变暖的背景下,森林火灾预防形式严峻,林火管理工作应基于该地区林火时空分布规律及变化趋势,适当调整火险期及防火资源配置,加强防火宣传,全面提高林火监测和预防能力,降低森林火灾发生风险。

参考文献 (33)

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