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妙峰山林场主要针叶林冠层特征及潜在火行为

陶长森 牛树奎 陈羚 李连强

陶长森, 牛树奎, 陈羚, 李连强. 妙峰山林场主要针叶林冠层特征及潜在火行为[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(5): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170408
引用本文: 陶长森, 牛树奎, 陈羚, 李连强. 妙峰山林场主要针叶林冠层特征及潜在火行为[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(5): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170408
Tao Changsen, Niu Shukui, Chen Ling, Li Lianqiang. Canopy characteristics and potential crown fire behavior of main coniferous forest in Miaofeng Mountain Forest Farm in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(5): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170408
Citation: Tao Changsen, Niu Shukui, Chen Ling, Li Lianqiang. Canopy characteristics and potential crown fire behavior of main coniferous forest in Miaofeng Mountain Forest Farm in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(5): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170408

妙峰山林场主要针叶林冠层特征及潜在火行为

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170408
基金项目: 

国家林业局林业科学技术推广项目 2015-04

详细信息
    作者简介:

    陶长森。主要研究方向:生态规划与管理。Email: taocs@bjfu.edu.cn 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    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: S762.1

Canopy characteristics and potential crown fire behavior of main coniferous forest in Miaofeng Mountain Forest Farm in Beijing

  • 摘要: 目的树冠火是一类对森林生态系统特别是针叶林造成严重损害的森林火灾。了解针叶林冠层特征, 探究树冠火发生、蔓延机制, 估测潜在冠层火行为是预防和扑救树冠火的关键。方法本研究以妙峰山地区主要的针叶林, 油松林和侧柏林作为研究对象, 调查灌木、草本和地表枯落物负荷量, 采用分段标准枝法对冠层可燃物负荷量进行了分层调查与测算, 研究冠层特征(冠层密度、冠层可燃物负荷量)的垂直分布规律; 并利用树冠火发生和蔓延模型以及火焰高度和强度模型, 按照树冠火类型划分标准, 研究针叶林树冠火发生的概率、类型和潜在火行为。结果油松林平均冠层密度为0.192kg/m3, 侧柏林为0.127kg/m3, 油松林冠层平均有效可燃物载量为1.21kg/m2, 侧柏林为0.619kg/m2; 油松林和侧柏林的下层(0~3m)垂直分布差异性较大, 油松林下层可燃物负荷量占整体负荷量10.5%, 而侧柏林则高达21.1%;在中等和高的燃烧情况下, 2种林分均表现出较高的潜在火行为指标, 油松林最高蔓延速度、火线强度和火焰高度分别为:91m/min、45281kW/m、23m, 侧柏林为85m/min、19911kW/m、16m。结论冠层密度和冠层可燃物负荷量随树高变化趋势相似; 林分树冠火发生概率和类型与林分冠层可燃物和冠层密度的垂直分布关系密切; 2种林分的连续型树冠火的潜在火行为估算指标具有蔓延速度快, 火焰强度大, 火焰高度高的特点, 一旦发生树冠火, 人为处置困难。
  • 图  1  油松林冠层可燃物负荷量垂直分布

    Figure  1.  Vertical distribution of canopy fuel load in Pinus tabuliformis stands

    图  2  侧柏林冠层可燃物负荷量垂直分布

    Figure  2.  Vertical distribution of canopy fuel load in Platycladus orientalis stands

    图  3  油松林冠层密度垂直分布

    Figure  3.  Vertical distribution of canopy bulk density profiles in Pinus tabuliformis stands

    图  4  侧柏林冠层密度垂直分布

    Figure  4.  Vertical distribution of canopy bulk density profiles in Platycladus orientalis stands

    表  1  冠层各类型负荷量回归模型

    Table  1.   Regression model of different types of canopy load

    枝条类型Branch type 分项Item 树种Species 估计参数Estimation parameter R2
    β1 β2 β3 β4 β5
    活枝
    Living branch
    有效可燃物质量
    Available fuel load
    油松Pinus tabuliformis 5.204 0.478 2.034 -0.511 0.875
    侧柏Platycladus orientalis 3.734 1.297 -1.149 1.389 0.845
    总质量
    Total fuel load
    油松Pinus tabuliformis 5.450 0.552 1.842 -0.457 0.841
    侧柏Platycladus orientalis 3.993 0.476 1.340 0.385 0.924
    死枝
    Dead branch
    有效可燃物质量
    Available fuel load
    油松Pinus tabuliformis 1.752 1.639 1.309 -1.486 0.812
    侧柏Platycladus orientalis 3.410 1.479 -0.542 0.801
    总质量
    Total fuel load
    Pinus tabuliformis 3.452 0.852 2.136 0.943
    侧柏Platycladus orientalis 4.052 1.065 0.949 -0.417 0.505 0.946
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    表  2  不同燃烧条件下树冠火发生概率

    Table  2.   Probability of canopy fire occurrence under different combustion conditions

    %
    样地编号
    Plot No.
    火灾类型概率Fire type percentage
    低Low 中等Moderate 高Extreme
    A P S A P S A P S
    油松林Pinus tabuliformis 1 0 0 100 85 0 15 100 0 0
    2 0 10 90 100 0 0 100 0 0
    3 0 0 100 90 0 10 100 0 0
    4 0 0 100 50 35 15 100 0 0
    5 0 0 100 87 3 10 100 0 0
    6 0 0 100 40 50 10 100 0 0
    侧柏林Platycladus orientalis 1 0 13 87 9 86 5 100 0 0
    2 0 20 80 85 12 3 100 0 0
    3 0 13 87 0 95 5 100 0 0
    4 0 13 87 17 78 5 100 0 0
    5 0 12 88 47 48 5 100 0 0
    6 0 11 89 17 77 6 100 0 0
    注:A.连续型树冠火; P.间歇型树冠火; S.地表火。Notes: A, active crown fire; P, passive crown fire; S, surface
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    表  3  不同燃烧条件下连续型树冠火潜在火行为

    Table  3.   Potential active crown fire behavior range under different combustion conditions

    样地编号
    Plot No.
    蔓延速度
    Rate of spread/(mحin-1)
    火线强度
    Fire line intensity/(kWح-1)
    火焰高度
    Flame heigth/m
    中等
    Moderate

    Extreme
    中等
    Moderate

    Extreme
    中等
    Moderate

    Extreme
    油松Pinus tabuliformis 1 22.1~32.2 80.2~91.5 10940~15926 39678~45281 12~14 22~23
    2 21.3~31.8 78.5~90.5 10285~15377 37953~43721 12~14 22~23
    3 19.7~31.2 75.4~88.6 8376~13248 32058~37668 11~13 20~22
    4 20.4~29.1 64.7~82.8 3747~7551 16779~21469 8~10 15~17
    5 17.3~30.0 69.7~85.4 5488~9772 22681~27784 9~11 17~19
    6 21.9~28.7 62.5~81.7 3613~7751 16850~22038 7~10 15~17
    侧柏林Platycladus orientalis 1 26.1~27.8 56.7~79.0 2062~5284 10790~15022 6~9 12~14
    2 18.0~29.8 68.5~84.8 3826~7003 16098~19911 8~10 14~16
    3 51.4~76.7 6577~9804 9~11
    4 25.0~28.0 58.2~79.7 2221~5421 11261~15412 6~9 12~14
    5 21.4~28.9 63.2~82.0 3147~6612 14478~18799 7~9 14~16
    6 25.0~28.0 58.2~79.7 2460~6004 12474~17071 6~9 13~15
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    [19] 徐双民, 吕建雄, 潘存德, 朱教君, 陈文汇, 李发东, 颜容, 杨振德, 金小娟, 南海龙, 翟明普, 王玉杰, 肖生春, 谭伟, 孙晓梅, 时尽书, 高峻, 李绍才, 张宇清, 窦军霞, 李世东, 胡晓丽, 张冰玉, 范丙友, 韩海荣, 胡诗宇, 肖洪浪, 周春江, 谢益民, 孙海龙, 刘俊昌, 康宏樟, 孟平, 李建章, 张守攻, 朱清科, 宋献方, 田小青, 刘红霞, 张一平, 苏晓华, 王云琦, 师瑞峰, 骆秀琴, 三乃, 冯仲科, 陆海, 刘昌明, 姜伟, 周文瑞, 赵博光, 齐实, 蔡怀, 蒋佳荔, 杨志荣, 吴斌, 张雁, 马钦彦, 李智辉, 岳良松, 齐实, 李义良, 赵双菊, 王笑山, 张劲松, 朱金兆, 张岩, 宋清海, 伊力塔, 蒲俊文, 蒋湘宁, 何磊, 张德荣, 姚山, 于静洁, 赵有科, 葛颂, 齐力旺, 张永安, 石丽萍, 曲良建, 杨聪, 吴庆利, 马超德, 刘元, 康峰峰, 崔保山, 吕守芳, 褚建民, 王建华, 刘鑫宇, 朱林峰, 王玉珠, 刘相超, 田颖川, 胡堃, 唐常源.  西双版纳热带季节雨林辐射垂直分布特征 . 北京林业大学学报, 2006, 28(2): 15-21.
    [20] 旷远文, 杨丽韫, 李贤军, 刘海军, 程万里, 王发国, 罗辑, 徐秋芳, 王鸿斌, 李艳华, 郝朝运, 陈永亮, 宋瑞清, 张占宽, 张志, 吴娟, 王安志, 毕华兴, 赵廷宁, 卜崇峰, 明军, 马忠明, 张真, 马洁, 姜培坤, 程根伟, 郭卫东, 李文华, 刘国彬, 骆有庆, 陈天全, 刘建梅, 朱金兆, 习宝田, 张启翔, 温达志, 张璧光, 叶华谷, 谭秀英, 刘一星, 曹子龙, 冀瑞卿, 李伟, 李文军, 刘鹏, 陈玉福, 温俊宝, 邢福武, 郑翠玲, 沈泉, 裴铁, 朱清科, 康向阳, 孔祥波, 敏朗, 程放, 李笑吟, 周国逸, 兰彦平, 金昌杰, 孙保平, 则元京, 马其侠, 何祖慰, 张宇清, 沈佐锐, 刘世忠, 李延军, 张志明, 金幼菊, 丁国栋, 陈红锋, 张德强, 冯继华, 姚爱静, 曹刚, 陶万强, 魏铁.  长白山原始阔叶红松林细根分布及其周转的研究 . 北京林业大学学报, 2005, 27(2): 1-5.
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-23
  • 修回日期:  2018-01-08
  • 刊出日期:  2018-05-01

妙峰山林场主要针叶林冠层特征及潜在火行为

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170408
    基金项目:

    国家林业局林业科学技术推广项目 2015-04

    作者简介:

    陶长森。主要研究方向:生态规划与管理。Email: taocs@bjfu.edu.cn 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    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: S762.1

摘要: 目的树冠火是一类对森林生态系统特别是针叶林造成严重损害的森林火灾。了解针叶林冠层特征, 探究树冠火发生、蔓延机制, 估测潜在冠层火行为是预防和扑救树冠火的关键。方法本研究以妙峰山地区主要的针叶林, 油松林和侧柏林作为研究对象, 调查灌木、草本和地表枯落物负荷量, 采用分段标准枝法对冠层可燃物负荷量进行了分层调查与测算, 研究冠层特征(冠层密度、冠层可燃物负荷量)的垂直分布规律; 并利用树冠火发生和蔓延模型以及火焰高度和强度模型, 按照树冠火类型划分标准, 研究针叶林树冠火发生的概率、类型和潜在火行为。结果油松林平均冠层密度为0.192kg/m3, 侧柏林为0.127kg/m3, 油松林冠层平均有效可燃物载量为1.21kg/m2, 侧柏林为0.619kg/m2; 油松林和侧柏林的下层(0~3m)垂直分布差异性较大, 油松林下层可燃物负荷量占整体负荷量10.5%, 而侧柏林则高达21.1%;在中等和高的燃烧情况下, 2种林分均表现出较高的潜在火行为指标, 油松林最高蔓延速度、火线强度和火焰高度分别为:91m/min、45281kW/m、23m, 侧柏林为85m/min、19911kW/m、16m。结论冠层密度和冠层可燃物负荷量随树高变化趋势相似; 林分树冠火发生概率和类型与林分冠层可燃物和冠层密度的垂直分布关系密切; 2种林分的连续型树冠火的潜在火行为估算指标具有蔓延速度快, 火焰强度大, 火焰高度高的特点, 一旦发生树冠火, 人为处置困难。

English Abstract

陶长森, 牛树奎, 陈羚, 李连强. 妙峰山林场主要针叶林冠层特征及潜在火行为[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(5): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170408
引用本文: 陶长森, 牛树奎, 陈羚, 李连强. 妙峰山林场主要针叶林冠层特征及潜在火行为[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(5): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170408
Tao Changsen, Niu Shukui, Chen Ling, Li Lianqiang. Canopy characteristics and potential crown fire behavior of main coniferous forest in Miaofeng Mountain Forest Farm in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(5): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170408
Citation: Tao Changsen, Niu Shukui, Chen Ling, Li Lianqiang. Canopy characteristics and potential crown fire behavior of main coniferous forest in Miaofeng Mountain Forest Farm in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(5): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170408
  • 树冠火是一种非常复杂的火行为,只有在特定的可燃物条件、地形条件和气象条件下才发生,对森林生态系统特别是针叶林造成严重损害[1-2]。据统计,全球由树冠火烧毁的针叶林面积占烧毁针叶林总面积的最大比例[3-4]。树冠火的燃料是一个复合的整体,包括地表枯落物、灌木、树皮、树枝、树叶以及附着于树冠和树皮上的细小可燃物[5]。树冠火的发展是由于火焰蔓延速度的突然增加,使得火焰强度增大并产生剧烈的热辐射和热对流[6-7],所以一旦发生较强的树冠火,会对消防人员和群众生命安全造成极大的威胁,且几乎不可能对火势进行直接控制[8]。虽然森林火灾中仅有小部分火灾会蔓延成树冠火,但是树冠火却是造成大面积火灾区域的主要原因[9-10]。由于树冠火的复杂性、爆发性和破坏性,对树冠火行为的研究成为热点问题。近年来,在树冠火行为的研究方面取得了很多进展,基于不同的角度对树冠火行为建立了模型[11-14],并应用于实际的森林火灾管理和控制中。

    冠层可燃物是准确预测树冠火行为的先决条件,其分布和数量特征是预测潜在树冠火行为的重要因素[15-16]。目前,在描述冠层可燃物特征以及模拟树冠火行为需要定量描述的冠层参数包括:冠层有效可燃物负荷量(Available canopy fuel load)、冠层密度(Canopy bulk density)、冠基高度(Canopy base height)。其中,冠层有效可燃物载量(CFL)是指在树冠火中冠层被消耗的可燃物负荷量,研究表明,该部分主要由针叶和细小可燃物组成[17-18]。冠层密度(CBD)是指单位体积冠层可燃物的质量,单位为kg/m3,是模拟树冠火蔓延的重要参数[19],其垂直分布特征是研究的重点问题[20-22]。冠基高度(CBH),目前没有一个明确的定义,很多研究者将其定义为足够引发冠层燃烧并垂直传播的冠层可燃物的最低高度[23-24]。这3个参数应用广泛,对于树冠火而言,如果某一个参数低于蔓延阈值,则树冠火的发生和蔓延将受到极大的限制[15]。对于定量处理冠层可燃物而言,降低冠层密度和冠层有效可燃物负荷量,增加冠基高度,减少梯状可燃物,将有效降低树冠潜在火行为[25]

    本研究选择妙峰山林场油松(Pinus tabuliformis)林和侧柏(Platycladus orientalis)林作为研究对象,对其冠层特征(有效冠层负荷量、冠层密度、冠基高度)进行测量,并用树冠火模型进行模拟,评估该地区针叶树种的潜在树冠火行为,为该地区森林管理提供科学依据。

    • 妙峰山林场位于北京市海淀区西北部苏家坨镇境内(39°54′ N、116°28′ E),地跨海淀、门头沟两区。海拔范围为100~1153m。属温带湿润季风气候区,冬季寒冷干燥,夏季高温多雨,年均气温12.95℃,年平均降水量628.99mm,降水集中于夏季的6—8月。

      该地区植被属温带落叶林带的山地栎林和油松林带,主要为次生林和人工林,森林覆盖率达96.92%。其中,针叶林以人工油松林和侧柏林为主,高海拔区域有部分华山松(Pinus armandii)林和华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林。林下的植被有扁担杆(Grewia biloba)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、三裂叶绣线菊(Spiraea trilobata)等灌木和白草(Pennisetum centrasiaticum)、野古草(Arundinella anomala)、宽叶薹草(Carex siderosticta)等草本以及蝙蝠葛(Menispermum dauricum)、南蛇藤(Celastrus orbiculatus)、葎叶蛇葡萄(Ampelopsis humulifolia)、穿龙薯蓣(Dioscorea nipponica)等藤本。

    • 在油松林和侧柏林中,选择地势平坦,林分密度适中,具有代表性且人为干扰较小的地块,分别设置6块20m×20m的标准地。记载地形因子(海拔、坡度、坡向、坡位)和林分特征(郁闭度、层次)等基本信息,同时将标准地划分16个5m×5m的小样方用于调查灌木、草本和地表枯落物。

      地表可燃物层包括灌木、草本以及地表枯落物。在5m×5m小样方内,调查每种灌木的平均高度、盖度以及株数等,利用王欢等[26]在该地区建立的林下灌木生物量模型对样地灌木生物量进行计算。在每个5m×5m小样方内选择具有代表性的1m×1m的样方,利用收获法获取草本植物进行称质量取样。选择样地四角和中心的5个5m×5m的小样方,测量未分解和分解半分解枯枝落叶层厚度,按照1、10、100、1000h时滞对地表枯落物进行分类称质量取样。

      为避免对林分的过度干扰,本文采用分段标准枝法对冠层可燃物特征进行估测。在样地内,根据样地树高分布情况,将其分为上(>7m)、中(3~7m)、下(0~3m)层,依据每层树木株数的比例,对上、中、下层分别选取6、6、2株长势中等的树作为样木,对底层枝条进行采集。其中,每株样木分别选取3枝大小和长度适中、生长良好、叶量中等的活枝条(共计42枝)和2枝大小和长度适中、细小枯枝附着量中等的死枝条(共计28枝)作为标准枝。将标准枝从枝头向基部顺着主干,以0.2m为距离进行截断。对每小段标准枝进行可燃物种类划分并称重。将活枝的可燃物划分为叶、小枝(<1cm)、大枝(>1cm);死枝划分为枯枝1、枯枝10。随后,将不同种类标准枝的可燃物称质量并各取样约100g带回实验室。

      树冠可燃物特征的测定,在样地内测量乔木的胸径、树高、方位、冠幅。并将乔木从基部到树顶,划分为高度为1m的若干层,若树高大于10m,则大于10m部分为一层。在每一层内,分别测量活枝和死枝的数量、平均长度(m)、平均基径(cm)和幅度(m)。

    • 将采集的样品放置于烘箱中,在105℃下烘至恒质量,取出称质量。用以下公式对含水率进行计算[27]:

      $$ \mathrm{RM}=\frac{\left(W_{\mathrm{n}}-W_{1}\right)-\left(W_{\mathrm{a}}-W_{\mathrm{b}}\right)}{\left(W_{\mathrm{n}}-W_{1}\right)} $$ (1)
      $$ \mathrm{AM}=\frac{\left(W_{\mathrm{n}}-W_{1}\right)-\left(W_{\mathrm{a}}-W_{\mathrm{b}}\right)}{\left(W_{\mathrm{a}}-W_{\mathrm{b}}\right)} $$ (2)

      式中:RM为该物质的相对含水率(%);AM为绝对含水率(%);Wa为烘干后样品质量(g);Wb为烘干后信封质量(g);Wn为取样时质量(g);Wl为未烘干时信封质量(g)。根据所得样品相对含水率,可计算出各类可燃物的绝干质量,进而算出各类可燃物的负荷量。

      利用分段标准枝法,对于不同可燃物类型,分别计算从枝顶到每一截断处的累积值,即每一个标准枝可获得以0.2m为间距的不同长度各类可燃物的累积质量,通过其累积质量以及相对应的长度和基径,对活枝和死枝标准枝的不同可燃物类型进行建模,用以估测样地冠层可燃物负荷量和冠层密度。

      $$ W_{i}=n \cdot \mathrm{e}^{\beta_{1}+\beta_{2} \ln H+\beta_{3} \ln D+\beta_{4} H+\beta_{5} D} $$ (3)
      $$ W_{k}=\sum\limits_{i=1}^{m}\left(W_{i \mathrm{d}}+W_{i \mathrm{h}}\right) $$ (4)
      $$ W_{\mathrm{r}}=\frac{\sum\limits_{k=1}^{N} W_{k r}}{S} $$ (5)
      $$ {C_{\rm{z}}} = \frac{{\sum\limits_{k = 1}^N {{W_{kz}}} }}{{S\left( {{H_{{\rm{max}}}} - {H_{\rm{c}}}} \right)}} $$ (6)

      式中:Wi为单层(1m)可燃物质量(kg);H为平均枝长(m);D为平均基径(cm);n为枝条数量;β为估计参数;Wk为单株树冠层可燃物质量(kg);Wid为死可燃物质量(kg),Wih为活可燃物质量(kg);m为单株树冠总层数;Wr为样地冠层可燃物负荷量(kg/m2);Wkr为单株冠层有效可燃物质量(kg);N为样地乔木数量(株);S为样地面积(m2);Cz为样地冠层密度(kg/m3);Wkz为单株冠层总质量(kg);Hmax为样地乔木最高高度(m);Hc为样地冠基高度(m)。冠层各类型负荷量回归见表 1

      表 1  冠层各类型负荷量回归模型

      Table 1.  Regression model of different types of canopy load

      枝条类型Branch type 分项Item 树种Species 估计参数Estimation parameter R2
      β1 β2 β3 β4 β5
      活枝
      Living branch
      有效可燃物质量
      Available fuel load
      油松Pinus tabuliformis 5.204 0.478 2.034 -0.511 0.875
      侧柏Platycladus orientalis 3.734 1.297 -1.149 1.389 0.845
      总质量
      Total fuel load
      油松Pinus tabuliformis 5.450 0.552 1.842 -0.457 0.841
      侧柏Platycladus orientalis 3.993 0.476 1.340 0.385 0.924
      死枝
      Dead branch
      有效可燃物质量
      Available fuel load
      油松Pinus tabuliformis 1.752 1.639 1.309 -1.486 0.812
      侧柏Platycladus orientalis 3.410 1.479 -0.542 0.801
      总质量
      Total fuel load
      Pinus tabuliformis 3.452 0.852 2.136 0.943
      侧柏Platycladus orientalis 4.052 1.065 0.949 -0.417 0.505 0.946
    • 参考Cruz等人[5, 11-12]对树冠火的研究,根据调查地区植被以及气象资料,结合该地区油松林和侧柏林的实际状况,本文假设发生树冠火时的燃烧条件为高、中等和低的3种情况。高燃烧条件设置风速为30km/h,枯死细小可燃物含水率为4%,地表可燃物消耗量为90%,中等燃烧条件分别设置为20km/h、8%、50%,低燃烧条件分别设置为10km/h、12%、30%。

      由于树冠火种类的不同,导致树冠火发生时蔓延速度、火焰强度、火焰高度等有明显的差异,故本文将树冠火划分为间歇树冠火(Passive crown fire)和连续树冠火(Active crown fire)2种情况进行讨论。利用Cruz等[11]人的树冠火发生模型,对树冠火发生概率进行计算,计算公式如下:

      $$ P=\frac{e^{4.236+0.357 U_{10}-0.710 L_{f}-0.331 M_{e}-K}}{1+e^{4.236+0.357 U_{10}-0.710 L_{f}-0.331 M_{e}-K}} $$ (7)

      式中:P为发生树冠火的概率(%);U10为10m高空处风速(km/h);Lf为灌木层到临界冠层密度高度的距离(m),本文将0.01kg/m3作为临界冠层密度;Me为细小可燃物含水率(%);K是随地表可燃物消耗量Ws变化的。当Ws<1.0kg/m2时,K=4.613;当1.0<Ws<2.0kg/m2时,K=1.856;当Ws>2.0kg/m2时,K=0。

      对于地表火以及树冠火强度及高度的计算,本文利用Byram[28]提出的火线强度和火焰高度公式,计算公式如下:

      $$ I=\frac{H W R}{60} $$ (8)
      $$ L=0.077476 I^{0.46} $$ (9)

      式中:I为火线强度(kW/m); H为可燃物热值(kJ/kg);W为可燃物燃烧消耗量(kg/m2);R为蔓延速率(m/min);L为火焰高度(m)。

      树冠火蔓延速率公式包括2种情况,即连续树冠火蔓延和间歇型树冠火蔓延,根据Cruz等人[12]树冠火蔓延模型,计算公式如下:

      $$ R_{\mathrm{A}}=11.02 U_{10}^{0.90} \cdot C_{\mathrm{z}}^{0.19} \cdot \mathrm{e}^{-0.17 M_{\mathrm{e}}} $$ (10)
      $$ R_{\mathrm{P}}=R_{\mathrm{A}} \cdot \mathrm{e}^{-\frac{R_{\mathrm{A}}}{R_{\mathrm{o}}}} $$ (11)

      式中:RA指连续型树冠火蔓延速率(m/min);RP为间歇型树冠火蔓延速率(m/min);Ro为连续型树冠火临界蔓延速率(m/min)。

      利用Wagner等人[17]的树冠火类型(间歇、连续)标准进行划分,公式如下:

      $$ R_{\mathrm{o}}=\frac{3}{C_{\mathrm{z}}} $$ (12)
      $$ I_{\mathrm{o}}=\left(0.01 L_{\mathrm{c}} I_{\mathrm{h}}\right)^{1.5} $$ (13)
      $$ I_{\mathrm{h}}=25.9 M_{\mathrm{y}}+460 $$ (14)

      式中:Io为地表临界火强度(kW/m);Lc为冠基高度(m);Ih为树冠起火所需能量(kJ/kg);My指叶片绝对含水率(%)。一般情况下,当地表火强度IsIo,但树冠火蔓延速率RRo时发生间歇型树冠火,当IsIo,且RRo时发生连续型树冠火。

    • 冠层可燃物垂直分布特征是影响树冠火发生和发展的重要因子。利用冠层负荷量模型,对样地每一层的可燃物负荷量进行计算,得出2种林分类型死枝和活枝可燃物的垂直分布特征(图 12)。从图中可以得出,油松林和侧柏林样地冠层负荷量平均值分别为1.210和0.619kg/m2,每一层均值分别为0.110和0.056kg/m2;油松林的最大值和最小值分别位于5~6m和大于10m处,侧柏林的最大值和最小值分别位于4~5m和大于10m处,其最大值所在的层次跟树木的冠形以及胸径、树高等有关,故2个树种的最大值不在同一层,但可以得出冠层可燃物负荷量随高度的增加都呈现先增加后减少的趋势,且趋势明显。

      图  1  油松林冠层可燃物负荷量垂直分布

      Figure 1.  Vertical distribution of canopy fuel load in Pinus tabuliformis stands

      图  2  侧柏林冠层可燃物负荷量垂直分布

      Figure 2.  Vertical distribution of canopy fuel load in Platycladus orientalis stands

      本文按照树高将冠层可燃物划分为3层,分别为下层(0~3m)、中层(3~7m)、上层(>7m)进行分析。油松林和侧柏林3层冠层可燃物负荷量的比例分别为10.5%、72.7%、16.8%和21.1%、70.3%、9.0%;从冠层可燃物的不同类型上看,活枝可燃物(叶片、小枝)所占比例较大,油松林和侧柏林分别占87.3%和91.7%,死可燃物垂直分布主要位于中下层,其最大值所在层次比活可燃物低。

    • 冠层密度是计算树冠火行为的重要指标。由图 34可以看出,油松林和侧柏林的冠层密度垂直分布特点与冠层可燃物垂直分布特点相似,均为随着高度的增加先增加后降低。按样地整体计算,油松林的平均冠层密度为0.192kg/m3,侧柏林为0.127kg/m3,按每一层计算,油松和侧柏密度分别在0.015~0.455kg/m3(平均值为:0.196kg/m3)、0.005~0.265kg/m3(平均值为:0.116kg/m3)。

      图  3  油松林冠层密度垂直分布

      Figure 3.  Vertical distribution of canopy bulk density profiles in Pinus tabuliformis stands

      图  4  侧柏林冠层密度垂直分布

      Figure 4.  Vertical distribution of canopy bulk density profiles in Platycladus orientalis stands

      从垂直分布上看,油松林冠层密度最大值在5~6m处,与冠层可燃物最大值在同一高度上,侧柏林冠层密度最大值在2~3m处,比冠层可燃物最大值所在高度低2m。根据公式12可知,树冠火临界蔓延速度与冠层密度成负相关,因此,相比于侧柏林,油松林的树冠火临界蔓延速度更低,更容易形成连续型树冠火。

    • 通过设定3种不同程度的燃烧条件,计算出每块样地在不同条件下发生树冠火的概率和树冠火的类型。通过表 2可以看出,在高燃烧条件下,2种林分发生连续型树冠的火概率均为100%。在中等条件下,油松林发生地表火、间歇型树冠火、连续型树冠火的平均概率分别为10.0%、7.6%、82.4%,侧柏林3种类型火发生的平均概率分别为4.6%、63.8%、31.6%,可以明显的看出,在中等条件下,侧柏林发生树冠火的概率大于油松林,且发生连续型树冠火的概率小于油松林。树冠火主要由地表火蔓延形成,由冠层特征分析可知,侧柏林下层可燃物负荷量大于油松,故地表火更易蔓延至树冠,但同时,由于侧柏林中上层可燃物负荷量和密度都小于油松,蔓延速度降低,则更容易形成间歇型树冠火;在极低条件下,油松林只发生地表火,侧柏林则平均有12%的概率发生间歇型树冠火,其原因与中等条件所述相似。

      表 2  不同燃烧条件下树冠火发生概率

      Table 2.  Probability of canopy fire occurrence under different combustion conditions

      %
      样地编号
      Plot No.
      火灾类型概率Fire type percentage
      低Low 中等Moderate 高Extreme
      A P S A P S A P S
      油松林Pinus tabuliformis 1 0 0 100 85 0 15 100 0 0
      2 0 10 90 100 0 0 100 0 0
      3 0 0 100 90 0 10 100 0 0
      4 0 0 100 50 35 15 100 0 0
      5 0 0 100 87 3 10 100 0 0
      6 0 0 100 40 50 10 100 0 0
      侧柏林Platycladus orientalis 1 0 13 87 9 86 5 100 0 0
      2 0 20 80 85 12 3 100 0 0
      3 0 13 87 0 95 5 100 0 0
      4 0 13 87 17 78 5 100 0 0
      5 0 12 88 47 48 5 100 0 0
      6 0 11 89 17 77 6 100 0 0
      注:A.连续型树冠火; P.间歇型树冠火; S.地表火。Notes: A, active crown fire; P, passive crown fire; S, surface
    • 由于间歇型树冠火不稳定,对树冠可燃物燃烧比例不确定,而连续型树冠火为稳进树冠火,在林分中大部分树冠火都为连续型树冠火,且连续型树冠火的潜在火行为指标都高于间歇型树冠火,对扑火人员和森林管理更具有参考价值,故本文对连续型树冠火潜在火行为进行计算。根据不同的燃烧条件,利用公式(8~11)计算由间歇树冠火或地表火而引起的连续型树冠火的潜在火行为(表 3),由于低燃烧条件下未发生连续型树冠火,故没有将该条件列于表 3中。

      表 3  不同燃烧条件下连续型树冠火潜在火行为

      Table 3.  Potential active crown fire behavior range under different combustion conditions

      样地编号
      Plot No.
      蔓延速度
      Rate of spread/(mحin-1)
      火线强度
      Fire line intensity/(kWح-1)
      火焰高度
      Flame heigth/m
      中等
      Moderate

      Extreme
      中等
      Moderate

      Extreme
      中等
      Moderate

      Extreme
      油松Pinus tabuliformis 1 22.1~32.2 80.2~91.5 10940~15926 39678~45281 12~14 22~23
      2 21.3~31.8 78.5~90.5 10285~15377 37953~43721 12~14 22~23
      3 19.7~31.2 75.4~88.6 8376~13248 32058~37668 11~13 20~22
      4 20.4~29.1 64.7~82.8 3747~7551 16779~21469 8~10 15~17
      5 17.3~30.0 69.7~85.4 5488~9772 22681~27784 9~11 17~19
      6 21