大興安嶺林區10小時時滯可燃物濕度的模擬

2023年12月14日發(作者：有關夢想的句子)

大興安嶺林區10小時時滯可燃物濕度的模擬

胡天宇;周廣勝;賈丙瑞

【摘 要】隨著森林防火預報精細化的需求,小時尺度可燃物濕度的準確模擬成為火險預報的關鍵.利用2010年8月連續無降雨天氣條件下我國大興安嶺林區10h時滯可燃物濕度和相應氣象因子的半小時動態觀測資料,從可燃物的失水和吸水過程對目前廣泛使用的Fosberg模型和Van Wagner模型進行評估,進而發展了準確模擬10h時滯可燃物失水和吸水過程的可燃物濕度模型.結果表明:Fosberg模型對10h時滯可燃物的失水過程模擬較好(R2=0.96,P＜0.01),而Van Wagner模型對10h時滯可燃物的吸水過程模擬較好(R2 =0.83,P＜0.01),但均不能獨立地準確模擬10h時滯可燃物的濕度變化.通過分析可燃物失水與吸水過程,考慮可燃物在靜風條件下的水汽交換,優化了Van Wagner模型參數,建立了綜合反映可燃物失水與吸水過程的10h時滯可燃物濕度模型.據比較,該模型可準確地模擬10h時滯可燃物的濕度變化(R2=0.88,P＜0.01),可為精細化火險預報提供技術支撐.

【期刊名稱】《生態學報》

【年(卷),期】2012(032)022

【總頁數】7頁(P6984-6990)

【關鍵詞】10h時滯可燃物濕度;平衡含水率;可燃物濕度模型

【作 者】胡天宇;周廣勝;賈丙瑞

【作者單位】中國科學院植物研究所植被與環境變化國家重點實驗室,北京100093;中國科學院研究生院,北京100049;中國科學院植物研究所植被與環境變

化國家重點實驗室,北京100093;中國氣象科學研究院,北京100081;中國科學院植物研究所植被與環境變化國家重點實驗室,北京100093

【正文語種】中 文

林火作為森林生態系統的重要干擾因子，是森林演替更新不可缺少的重要因素，但近年來頻發的林火已經嚴重地影響了人類的生產生活。為此，迫切需要開展林火的準確預測預報，以更好地服務于森林的經營管理和災害防治。

通常，林火發生需要3個條件:天氣、火源和可燃物。其中，可燃物濕度作為可燃物與氣象因素的綜合表現，包含了大量林火發生的信息。因此，準確模擬可燃物濕度的變化過程是火險預報的關鍵。

美國國家火險等級系統根據不同可燃物的失水速率差異，將死可燃物劃分為1、10、100、1000h時滯［1］，10h時滯的可燃物對應了直徑0.64—2.5 cm范圍內的枝條。時滯的含義是在溫度為27℃和相對濕度為20%的條件下，可燃物失去初始含水量和平衡含水率差值的1-e－1(63%)所需要的時間。其中，1h和10h時滯可燃物主要決定了林火的蔓延速度，雖然1h時滯可燃物在引燃和蔓延起著重要的作用，但是10h時滯可燃物濕度還用來估算1h時滯可燃物濕度，同時10h時滯可燃物對林火的蔓延和能量估算有著重要的作用。因此，準確估算10h時滯可燃物是確保火險預報準確性的關鍵。

20世紀以來，國內外科學家發展了一系列可燃物濕度模擬模型［2-12］，并被用于火險預報系統和火行為模型［13-14］。隨著森林防火需求的日益精細化，小時尺度的可燃物濕度模擬越來越受到重視。

可燃物濕度在空氣中的變化主要由兩個過程組成:失水過程和吸水過程。準確判斷和模擬這兩個過程決定了可燃物濕度的模擬效果。Fosberg［5］和Van Wagner

［6］分別建立了小時尺度和天尺度的可燃物濕度模型，天尺度的可燃物適度模型重點關注一天中最易發生林火的時間(當地時間14:00左右)的可燃物濕度，并被分別用于美國國家火險等級系統和加拿大火險等級系統。國內學者關于可燃物濕度模擬研究主要集中在日尺度［15-19］，但是這些研究都基于簡單的回歸方程。Wei等［20］在夏威夷驗證了Fosberg模型對1h時滯可燃物濕度的模擬效果，Carlson等［21］利用俄克拉何馬州的1、10、100、1000h時滯可燃物濕度觀測資料驗證了Fosberg模型的模擬效果(時間尺度為15min和1h)，但是驗證數據只有早上和中午兩個時間點的數據，不能完全代表Fosberg模型對小時尺度的模擬效果。關于Van Wagner模型的驗證研究仍未見報道。由于缺乏野外觀測資料，在小時尺度上關于這兩個模型對失水和吸水過程的驗證還很少，制約著可燃物濕度的準確模擬，影響著森林火險的準確預測預報。

本研究試圖利用中國東北地區大興安嶺林區10h時滯可燃物濕度的半小時動態觀測資料及其相關氣象要素資料，從可燃物的失水和吸水過程對目前廣泛使用的Fosberg模型和Van Wagner模型進行評估，分析可燃物的失水與吸水過程控制機制，進而建立可綜合反映可燃物失水與吸水過程的10h時滯可燃物濕度模型，服務于林火的預測預報。

1 研究資料與方法

1.1 資料來源

我國東北地區的大興安嶺林區是我國林火高危區域。本研究地點選在中國北方林森林生態系統定位研究站。該站位于黑龍江大興安嶺呼中自然保護區，即我國最大的寒溫帶針葉林生態系統自然保護區(123°01'04″E，51°46'52″N，海拔773 m)。該區屬大陸性季風氣候，年均氣溫4.7℃，年際平均氣溫變動在2.1—5.3℃。地貌類型為大興安嶺北部石質中低山山地，地勢平緩，坡度在15°以下。棕色針葉林土是該區最具有代表性的土壤類型。地帶性植被類型為寒溫性針葉林，以興安落葉松

(Larix gmelinii)為單優勢樹種，并混有少量白樺(Betula platyphylla)和樟子松(Pinus sylvestris ica)，林下灌木主要有杜香(Ledum palustre)、越桔(Vaccinium vitis-idaea)、興安杜鵑(Rhododendron dauricum)和東北赤楊(Alnus mandshurica)等，草本主要有小葉章(Deyeuxia angustifolia)和苔草(Carex appendiculata)等。

在研究站固定樣地安裝有RAWS-F遠程自動防火氣象站，觀測內容包括2 m空氣溫度、2 m空氣濕度、降雨量、風向、風速和10h時滯可燃物濕度，觀測頻率為半小時1次。觀測時間從2010年6月29日至2010年9月17日，其中可燃物濕度和降雨量都有3個重復觀測。10h時滯可燃物含水量利用CS505可燃物含水量傳感器來觀測:CS505可燃物含水量傳感器通過使用時域反射技術(TDR)觀測西黃松榫釘(材料西黃松;直徑1.3 cm;長度21.3 cm;重量45 g)的含水量，得到的觀測值代表10h時滯可燃物的含水量。

1.2 模擬模型

Fosberg模型和Van Wagner模型均是以平衡含水率為基礎發展起來的。平衡含水率(EMC)指可燃物在某一環境條件下最終達到水汽交換平衡時的濕度大小。平衡含水率一般是相對濕度和溫度的函數［22］。基于平衡含水率的可燃物濕度模型可表示如下:

式中，FMn是n時刻的可燃物濕度;FMn－1:是n－1時刻的可燃物濕度;D是擴散系數;EMCn是n時刻的平衡含水率。Fosberg［5］提出了基于擴散原理的可燃物濕度估算方法:

式中，λ為可燃物時滯的倒數;ζ為可燃物相似系數;t為水汽交換過程的持續時間。

Van Wagner［6］發展的可燃物濕度模型為:

式中，參數η在可燃物處于失水過程時為H/100，在吸水過程時為(1－H/100)，T為溫度(℃)，H為相對濕度(%)。Van Wagner［14］認為，在某一環境條件下，可燃物失水達到平衡含水率時的濕度會略不同于在可燃物吸水達到平衡含水率時的濕度，差異約為2%。因此，Van Wagner模型的平衡含水率為失水平衡含水率和吸水平衡含水率;而Fosberg模型認為可燃物濕度到達平衡時只有一個平衡含水率，并采用Simard的平衡含水率模型進行計算［23］。

1.3 可燃物濕度模擬

本研究可燃物濕度觀測時間(6月29日至9月17日)為大興安嶺林區的生長期，森林郁閉度高、林下受太陽輻射影響較少。模型的空氣溫度與濕度為2 m處的空氣溫度和濕度。可燃物濕度的變化主要受降雨和空氣溫濕度影響，本研究的目的主要是研究由空氣溫濕度引起的可燃物濕度變化。為避免降雨對可燃物濕度的影響，特選取觀測時段內連續4d無降雨(2010年8月25日— 2010年8月28日)的氣象數據為模型輸入數據，并根據觀測數據中可燃物的濕度變化將這4d無降雨數據按失水過程和吸水過程分別驗證模型的模擬效果。

2 研究結果

2.1 氣象條件

觀測時段間內連續4d無降雨的驗證期內，氣象條件較為一致(圖1，X軸以2010年8月25日00:00為起點，觀測間隔為半小時總共192個觀測值)。空氣平均溫度呈弱上升趨勢，晝夜溫差大，白天最高氣溫為25℃，夜間最低氣溫為0℃;相對濕度夜間為95%左右，白天在30%左右;白天有微風，夜間到凌晨幾乎無風。可燃物的失水過程一般發生在白天，而吸水過程從傍晚持續到清晨。

圖1 2010年觀測時段間內連續4d無降雨驗證期的氣象條件Fig.1

Meteorological conditions of four continuous free rainfall days during the

obrvation in 2010

2.2 10h時滯可燃物濕度的水汽交換過程模擬

Fosberg模型和Van Wagner模型對10h時滯可燃物失水過程和吸水過程的模擬效果不同。Fosberg模型能夠很好地模擬10h時滯可燃物在失水過程中的濕度變化(R2=0.96，P＜0.01)，但過高地估計了吸水過程中10h時滯的可燃物濕度(R2=0.64，P＜0.01);Van Wagner模型對吸水過程中10h時滯的可燃物濕度的模擬效果(R2=0.83，P＜0.01)優于 Fosberg模型，但對失水過程中10h時滯可燃物濕度的模擬效果(R2=0.60，P＜0.01)不如Fosberg模型。因此，這兩個模型均不能很好地模擬無降雨條件下10h時滯的可燃物濕度(圖2—圖3)，但兩個模型均對吸水過程和失水過程的切換點模擬較好(圖3)。

圖2 Fosberg模型和Van Wagner模型對10h時滯可燃物濕度的模擬Fig.2

Simulation of 10hr time-lag fuel moisture using Fosberg model and Van

Wagner model

圖3 2010年8月25—28日10h時滯可燃物濕度的模擬Fig.3 Simulation of

fuel moisture during 25—28 August 2010

3 分析與討論

3.1 吸水和失水過程中的水汽交換速率

可燃物濕度變化包括兩個過程:失水過程和吸水過程。準確判斷和模擬這兩個過程是準確模擬可燃物濕度的關鍵。基于平衡含水率的可燃物濕度模型通過當前可燃物濕度與平衡含水率之間的差值確定失水過程和吸水過程。當可燃物濕度大于平衡含水率時，可燃物中的水分向外部擴散，即失水過程;反之，可燃物從空氣中吸收水分，即吸水過程。Fosberg模型和Van Wagner模型都能較好地判斷吸水過程和失水過程的起始和終止(圖3)，表明平衡含水率理論能夠很好地用于模擬可燃物濕度。因此，Fosberg模型和Van Wagner模型對10h時滯可燃物濕度的模擬不準

確主要是對吸水過程和失水過程中的水汽交換描述不準確造成。

由式(2)可見，ζ和λ都是與可燃物相關的參數，與外界氣象因子無關。所以，Fosberg模型的吸水過程和失水過程具有相同的水汽交換系數(D)，即實際變化量/潛在變化量是一個定值，并且該系數只與可燃物性質有關，與外界氣象因子無關。由式(4)可見，k是一個與氣象因子相關的函數。Van Wagner模型描述的吸水過程和失水過程除具有不同的平衡含水率外，在失水過程和吸水過程中采用的水汽交換系數也不相同，且水汽交換系數(D)受當前環境中的空氣溫度、濕度及風速的影響。盡管如此，從模擬結果看(圖3)，Van Wagner模型仍不能很好地模擬可燃物濕度的變化。由式(1)可知，水汽交換過程中的交換系數(D)可用 FMn－FMn－1/(EMCn－FMn－1)表示，式中只有EMC是非觀測量。因此，可以近似地將由此得到的水汽交換系數作為真值。由圖4可見，水汽交換系數在整個濕度變化過程中并不是一個定值，在失水過程中的水汽交換系數可近似看做一個定值，而在吸水過程中水汽交換系數卻不是一個定值。因此，準確地模擬可燃物的濕度變化需要將可燃物的吸水過程和失水過程分開描述。

決定可燃物失水過程與吸水過程中水汽交換速率不一致的因素是什么呢?分析失水過程和吸水過程中可燃物與空氣間的水汽交換過程和可燃物的環境條件發現，水汽交換過程和環境的差異是導致水汽交換速率不一致的主要原因。當可燃物處于失水過程時，水分子從可燃物內部逐步往外擴散，可燃物內部的水汽傳遞是限制水分子擴散的主要因素，但是水分子向外擴散的過程并不受影響;在吸水過程中，由于可燃物內部水汽傳遞較慢，導致可燃物表面的濕度較高，與外界的水汽濃度差減小，因此可燃物表面吸收水分的速率降低，導致可燃物失水過程與吸水過程的水汽交換速率不同。同時，分子擴散運動還受溫度影響，溫度越高，分子擴散速度越快。可燃物發生失水過程時都在9:00到17:00，這段時間溫度較高，可燃物中的水汽擴散速率較高，而吸水過程通常發生在傍晚至清晨，這段時間內的溫度都較低，可燃

物中的水汽擴散速率較低。

3.2 可燃物濕度模擬的優化

綜上分析，準確地模擬可燃物的濕度變化需要分別對可燃物的吸水過程和失水過程進行模擬。根據Fosberg模型和Van Wagner模型對失水過程和吸水過程中水汽變化描述的優勢，采用Fosberg模型模擬失水過程的可燃物濕度變化，采用Van

Wagner模型模擬吸水過程中的可燃物濕度變化，同時利用Van Wagner模型中平衡含水率與當前可燃物濕度之差來判斷失水過程和吸水過程，采用兩個模型模擬時所用的平衡含水率。結果表明，該模型能夠顯著地提高可燃物濕度模擬的準確性(R2=0.77)，但仍低估了吸水過程中的可燃物濕度(圖5)，這種低估通常發生在20:00點以后，此時空氣的相對濕度幾乎保持在95%左右(圖1)且為靜風。Van

Wagner［6］指出，如果風速數據缺失可按照白天10—12 km/h和晚上4—6

km/h的風速作為輸入，或者采用Van Wagner［6］給出的每天風速趨勢作為輸入，進行可燃物濕度的模擬。然而，該研究時段為靜風，如果按照Van Wagner［6］給出的彌補方法進行可燃物濕度模擬，則風速均大于零。雖然Van Wagner［6］認為除降雨后的一段時間外，風速對可燃物濕度的影響不大，但在風速數據缺失后仍按一定的風速來處理，表明如果風速為零將造成模擬可燃物濕度的低估。

圖4 可燃物濕度實際變化量與潛在變化量的關系Fig.4 Relationship between

actual and potential variation of fuel moisture

圖5 所建模型對2010年8月25—28日10h時滯可燃物濕度的模擬Fig.5

Simulation of fuel moisture during 25—28，August 2010 using the

modified model

為反映風速變化對可燃物濕度的影響，分析兩個模型的Kα發現，當風速為0時，由氣象因子估算的Kα低于由觀測值反算得到的 Kα，低估達 30%—40%。分析估算公式發現，當風速為 0時，式(4)的0.0176u0.5(1－η8)e0.0365T為0。因此，

Van Wagner模型沒有很好地模擬可燃物在靜風條件下的水汽交換。0.0176u0.5(1 － η8)e0.0365T應該0.0176(a+u0.5)(1 － η8)e0.0365T ，修改后的模型能很好地解釋靜風和有風對可燃物濕度的影響。為此，引入 (Kα1 －

Kα2)/(0.0176(1 － η8)e0.0365T來反映靜風影響。分析表明，a 在0.197—6.23，在此取其集合的平均值1.62±0.13。據此，式(4)可改寫為:

采用優化參數模型能夠更好地模擬可燃物濕度的變化(R2=0.88)，在一定程度上降低了耦合模型的低估，為可燃物濕度模擬提供更好的支持。

4 結論

可燃物濕度是森林火險預報和火行為預測的重要輸入因子之一，準確模擬小時尺度的可燃物濕度是精細化防火預報預測的要求。本研究利用中國大興安嶺呼中保護區收集的氣象數據和可燃物濕度數據，從可燃物濕度變化的失水和吸水過程評估了半小時尺度的Fosberg模型和Van Wagner模型的模擬效果，發現兩個模型均不能獨立地很好地在半小時尺度上模擬可燃物濕度的變化。在此基礎上，通過耦合兩個模型的失水和吸水過程，通過考慮可燃物在靜風條件下的水汽交換優化Van

Wagner模型參數，建立了一個新的可燃物濕度模型。結果表明，該模型能夠更好地模擬可燃物濕度的變化，可為精細化的火險預報模型提供參考。

References:

［1］ Bradshaw L S，Deeming J E，Burgan R E，Cohen J 1978

National Fire-Danger Rating cal Documentation，1983.

［2］ McArthur A l Burning in Eucalypt wealth of

Australia，Forestry and Timber Bureau，1962.

［3］ McArthur A r and Grassland Fire ry and

Timber Bureau，Department of national Development，Commonwealth of

Australia，1966.

［4］ McArthur Behaviour in Eucalypt ra:Forestry and

Timber Bureau，1967.

［5］ Fosberg M A，Deeming J E，Forest R M，Service U S tion of

the 1-and 10-Hour Timelag Fuel Moisture Calculations for Fire-Danger

Mountain Forest and Range Experiment Station，Forest

Service，US Department of Agriculture，1971.

［6］ Van Wagner C E.A Method of Computing Fine Fuel Moisture Content

Throughout the Diurnal wa Forest Experiment Station，1977.

［7］ Sneeuwjagt R J，Peet G，Beggs B，Australia Fire Behaviour

Tables for Western s Department，Western Australia，1979.

［8］ Rothermel R to Predict the Spread and Intensity of Forest and

Fange Department of Agriculture，Forest Service，Intermountain

Forest and Range Experiment Station，1983.

［9］ Rothermel R C，Wilson R，Morris G A，Sackett S ng

Moisture Content of Fine Dead Wildland Forest Service

Rearch ，1986.

［10］ Péch G.A model to predict the moisture content of reindeer

Science，1989，35(4):1014-1028.

［11］ Nelson R M tion of diurnal change in 10-h fuel stick

moisture an Journal of Forest Rearch，2000，30(7):1071-1087.

［12］ Matthews S.A process-bad model of fine fuel

ational Journal of Wildland Fire，2006，15(2):155-168.

［13］ Deeming J E，Burgan R E，Cohen J National Fire Danger

Rating System¨ Forest Service，Intermountain Forest and

Range Experiment l Technical Report INT-39.(Ogden，UT)，1977.

［14］ Van Wagner C E，Service C pment and Structure of the

Canadian Forest fire Weather Index an Forestry Service，1987.

［15］ He Z Q，Li C S，Zhang C G，Ma L H，Yu L，Duan X ch of

forest fuel moisture Fire Prevention，1995，(2):15-16，20-20.

［16］ Ju E D，Chen G R，Wang R s on the relationship between

fuel moisture and meteorological Fire Prevention，1993，(1):17-21.

［17］ Wang D X，Xu Z，Zhang D Q，Zhu D onships between

Climatic factors and water content of fine l of Northwest

Forestry University，1996，11(1):35-39.

［18］ Ma L H，Li Z the six forest active combustible plants moisture

model in daxingan l of Jilin Forestry University，1998，14(1):21-23.

［19］ Luo Y Z，Che K J，Jiang Z pattern of forest fuel moisture

in the Qilian l of Gansu Agricultural University，2005，40(2):239-244.

［20］ Wei D R，Fujioka F M，Nelson R M Jr.A comparison of three

models of 1-h time lag fuel moisture in ltural and Forest

Meteorology，2005，133(1/4):28-39.

［21］ Carlson J D，Bradshaw L S，Nelson R M，Bensch R R，Jabrzemski

ation of the Nelson model to four timelag fuel class using

Oklahoma field obrvations:model evaluation and comparison with

National Fire Danger Rating System ational Journal of

Wildland Fire，2007，16(2):204-216.

［22］ Viney N R.A review of fine fuel moisture ational

Journal of Wildland Fire，1991，1(4):215-234.

［23］ Simard Moisture Content of Forest Fuels-1.A Review of the

Basic an Department of Forest and Rural Development，Forest Fire Rearch ation Report FF-X-14，1968.

參考文獻:

［15］ 何忠秋，李長勝，張成鋼，馬麗華，于力，段向閣.森林可燃物含水量模型的研究.森林防火，1995，(2):15-16，20-20.

［16］ 居恩德，陳貴榮，王瑞君.可燃物含水率與氣象要素相關性的研究.森林防火，1993，(1):17-21.

［17］ 王得祥，徐釗，張景群，朱德蘭.細小可燃物含水率與氣象因子關系的研究.西北林學院學報，1996，11(1):35-39.

［18］ 馬麗華，李兆山.大興安嶺6種活森林可燃物含水率的測試與研究.吉林林學院學報，1998，14(1):21-23.

［19］ 羅永忠，車克鈞，蔣志榮.祁連山林區森林可燃物含水率變化規律研究.甘肅農業大學學報，2005，40(2):239-244.