野外-城市交界域的火管理研究进展

城市化进程和居住环境改善导致野外-城市交界域(WUI)在全球范围内不断扩大,且因气候变化,越来越多的WUI存在较高火灾风险。WUI火灾对生态系统和社会具有重大影响,其火管理是当前区域发展面临的一个重要挑战。近年来我国也频繁发生WUI火灾,但针对此类火灾的研究还很少。本文从WUI定义及其火动态研究、火灾风险评估和风险减缓措施3方面系统阐述WUI的火管理研究进展。WUI火灾风险评估特别强调火灾的暴露性和脆弱性以及火烧对环境和社会的影响。火灾风险减缓措施需要基于火险评估结果制定,主要途径包括通过可燃物管理降低WUI的潜在火烧强度和暴露性、改进房屋和其他建筑的材料与设计以提高抗火能力、提高居民的防火意识和防火能力、改善社区的火灾扑救能力和综合抗灾能力。未来应深入探究WUI火蔓延模型、烟雾传输和经济损失模型、WUI可燃物管理技术、WUI规划及相关火管理标准等,开展跨学科和国际合作研究。可靠的火险评估方法和火灾风险减缓技术,将为不同特征的WUI制定相应的火管理对策提供理论和技术支持。我国也面临相关技术需求,应开发WUI火管理技术和标准,提供可靠的火灾风险评估方法和风险减缓技术,提高WUI对火灾的适应能力。

大兴安岭森林火灾风险评估

【目的】基于火模拟结果构建森林火灾风险的评估框架,从火发生可能性、暴露性和火影响3个方面综合评估森林火灾风险。【方法】以黑龙江省大兴安岭地区为研究对象,利用Burn-P3模型模拟燃烧概率和潜在火行为。根据火险期火严重程度(SSR),把研究时段分为低、中、高3个SSR情景,分析不同SSR情景下的燃烧概率、潜在火行为和森林火灾风险。【结果】低、中、高SSR情景下燃烧概率的均值分别为0.0184、0.0358和0.0570。高SSR情景下,燃烧概率高和很高的区域共占总面积的9.8%。低、中、高SSR情景下的火强度分别为687、1276和3469 kW/m^(2),蔓延速度分别为1.43、1.82和4.43 m/min。综合分析火灾风险指数分别为0.12、0.44和1.25。不同的SSR情景下落叶针叶林的火灾风险最高。【结论】不同的SSR情景下燃烧概率差异显著,火强度、蔓延速度和森林火灾风险随SSR等级升高而增加。与中SSR情景相比,高SSR情景下的火强度和蔓延速度增加显著。森林火灾风险随SSR等级升高而增大,高SSR情景下的森林火灾风险比中SSR情景显著增大,但中SSR情景下的森林火灾风险与低SSR情景的差异不显著。

北京西山森林火险天气指数的驱动因子研究

【目的】根据对火天气和可燃物湿度的短期监测,研究北京西山的森林火险天气指数特征及其与可燃物湿度的关系,利用统计方法分析气象因子对火险天气指数(FWI)的贡献率,揭示影响FWI变化的主要驱动因子,为林火管理提供参考依据。【方法】根据林火气象站观测数据利用R程序计算2021年11月—2022年10月的火险天气指数(FWI),重点分析火险期内的火险天气指数特征和细小可燃物湿度的关系。采用P-MK检验和敏感性分析方法分析各气象因子对火险天气指数的贡献率,确定北京西山火险天气的主要驱动因子。【结果】火险期内各月FWI的75th百分位数呈逐渐增加趋势,春季FWI的波动幅度更大。可燃物传感器监测结果与细小可燃物湿度码(FFMC)指示的可燃物湿度呈现相似变化趋势,降水对可燃物湿度影响明显。气温和降水是影响FWI变化的主要驱动因子,但相对湿度与温度有相似的敏感性。可燃物温度和气温变化趋势一致,但春季升温过程中可燃物棒在中午的温度比气温更高。【结论】春季是北京西山火险最严重的季节,FWI主要受气温和降水驱动,可燃物湿度监测结果可以成为火险天气指数系统的有效补充。

基于火模拟的森林火灾风险定量评估——以中国林业科学研究院亚热带林业实验中心为例

【目的】森林火灾风险评估是利用定量或定性的方法综合考虑一个区域的火发生可能性及对环境造成的潜在影响,识别区域内的高火灾风险区是开展科学林火管理的基础。本研究基于森林燃烧概率、潜在火行为和暴露性综合评估一个区域的森林火灾风险,为林火管理部门开展林火管理和可燃物处理提供指导。【方法】利用燃烧概率模型(Burn-P3)在景观尺度上模拟亚热带林业实验中心所属林区的燃烧概率、潜在火强度、蔓延速度及火发生类型。根据火对周围城镇和水源的潜在环境和安全问题计算火灾暴露性。综合这些指标利用层次分析方法定量评估森林火灾风险,分析火灾风险的空间特征和不同类型植被的燃烧性差异。【结果】火模拟结果表明:研究区的平均燃烧概率为0.0401,燃烧概率高和很高的区域分别占研究区的5.3%和2.3%。火烧以地表火和间歇性树冠火为主,平均火强度及蔓延速度分别为2043.6 kW/m2和2.5 m/min。火行为指数高和很高的区域分别占17.3%和6.2%。针阔混交林的燃烧概率和潜在火行为指数最高,阔叶林的燃烧概率及潜在火行为指数最低,但其暴露性指数最高。火灾风险综合评估结果表明,风险高和很高的区域分别占19.7%和6.5%,针阔混交林的火灾风险指数高于其他植被类型。【结论】研究区内大部分区域的燃烧概率较低,但潜在火行为指数较高。城镇和水源附近森林的火灾风险等级高,是林火管理的重点区域。部分针叶林和针阔混交林存在发生稳进树冠火的可能,可以通过可燃物处理措施来减少可燃物梯及地表易燃可燃物,降低火灾风险。

林分尺度上的森林火灾风险评估方法及应用

[目的]基于森林燃烧概率、潜在火行为和火影响评估一个区域的森林火灾风险是有效开展林火管理的基础。[方法]利用森林燃烧概率模拟软件(Burn-P3)模拟了北京九龙山林场的燃烧概率、潜在火强度、蔓延速度及火发生类型。根据林场内各林班的生态重要性、生态脆弱性和保护等级确定火影响,并考虑火对周围城镇和水源的潜在影响,利用层次分析方法建立了林分尺度上的森林火灾风险评估体系。[结果]结果表明,研究区的平均燃烧概率为0.0351,燃烧概率高和很高的区域分别占研究区的10.3%和6.0%。火烧以地表火和间歇性树冠火为主,平均火强度及蔓延速度分别为2140.9 kW·m^(-2)和3.7 m·min^(-1)。火行为指数高和很高的区域分别占17.8%和14.0%。[结论]研究区森林生态价值和火对环境的影响较高。森林火灾风险评估结果显示,火灾风险高和很高的区域占31.8%。西部、北部及南部的落叶松林和混交林的火灾风险较高,未来需要加强针对性的林火管理。

未来气候情景下中亚地区的森林草原火险评估

[目的]评估气候变化对中亚地区未来森林草原火灾的风险影响。[方法]基于森林草原火发生的可能性、脆弱性和暴露性构建森林草原火灾风险评估模型与指标体系。基于日降水、露点温度和中午(12:00)温度,利用修正Nesterov指数(MNI)计算火险天气指数,并预测区域在未来气候情景下(HadGEM2-ES模式,RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5四种气候情景)的火险指数。脆弱性基于2001—2015年区域历史燃烧概率和植被类型计算。暴露性基于未来不同情景下(SSP1、SSP2和SSP3)的人口和GDP密度计算。利用层次分析法计算综合火险指数,评估中亚地区中长期面临的森林草原火灾风险。[结果]与基准时段(1971—2000)相比,2021—2050年研究区的森林草原火灾风险增加,47.2%的区域森林草原火灾风险为高和很高,比基准时段增加16.9%,其中RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下分别增加12.4%、18.6%、13.6%和20.4%。2071—2099年森林草原火灾风险高和很高的区域占53.1%,比基准时段增加22.9%。其中,RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下森林草原火灾风险高和很高的区域分别增加11.1%、22.4%、24.6%和32.9%。[结论]2071—2099年,RCP2.6情景下高和很高等级火险的区域少于2021—2050时段,而RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下高和很高等级火险的区域大于2021—2050时段。未来该地区高和很高等级火险区比例将比基准时段明显增加。未来火管理的重点区域应该包括西部草地、东部山地森林和南部灌木。

计划火烧对区域森林燃烧性的影响

[目的]利用燃烧概率模型模拟计划火烧前后两种情景下的森林燃烧概率,在景观尺度上定量评估计划火烧在林火预防中的作用。[方法]利用SPOT6卫星数据提取大兴安岭部分区域在2016年火险期前进行计划火烧处理的可燃物状况,基于研究区附近地面气象观测数据利用R软件计算2016年火险期每日的火险指数,通过BURN-P3模型分别模拟计划火烧前后的森林燃烧性,评估计划火烧对森林燃烧概率和火行为的影响。[结果]2016年火险期前该区域进行计划火烧的面积为44 931 hm^2,占区域总面积的20.8%。计划火烧后,研究区平均燃烧概率从0.016 4降到0.012 4,落叶针叶林、常绿针叶林、针阔混交林、草地和落叶阔叶林平均燃烧概率分别降低4.2%、3.5%、5.9%、2.3%和0.6%。计划火烧前研究区的平均火烧强度和平均蔓延速度分别为548.9 kW·m^-2和2.2 m·min^-1,通过计划火烧处理,火烧强度和蔓延速度分别降低17.9%和24.3%。落叶针叶林和针阔混交林是发生树冠火的主要类型,火强度高、火蔓延速度快。计划火烧处理后研究区的树冠火比例降低了11.7%。[结论]火险期前的计划火烧减少了区域内草类可燃物的空间分布,降低了草类可燃物载量,也有效降低了区域内的森林燃烧性,平均火强度、蔓延速度和树冠火发生比例均显著降低。计划火烧区附近2 500 m范围内的燃烧概率明显降低。

可燃物处理对大兴安岭地区主要林型火行为的影响

【目的】模拟研究不同强度的可燃物处理对大兴安岭地区典型森林的火行为影响,为开展可燃物管理提供科学依据。【方法】在2019年火险期,分别对大兴安岭地区兴安落叶松林、白桦林、兴安落叶松白桦混交林等天然林和兴安落叶松与樟子松人工林进行可燃物调查和清理。每种林型分别设置3块样地(20 m×20 m),每块样地再分别设置4块小样地(10 m×10 m)。对每块样地进行林分结构调查,然后对4块小样地分别进行可燃物处理,包括割除枯死灌木和草本、清理枯枝和地表凋落物等。按可燃物处理程度分为未处理、低、中和高强度处理4个等级。低强度处理后林内无易燃及枯死灌草、地表无大型可燃物(>10 h),可燃物梯最小高度为3 m,中强度处理后倒木、灌木及小乔木全部清除,高强度处理后地表存留可燃物不会支持火的持续燃烧和蔓延。调查可燃物处理后的可燃物空间分布。利用可燃物特征分类系统(FCCS)分别模拟各林分在火险期内一般天气情景和干旱情景下的火行为。一般天气情景下,模型输出的指数包括地表火蔓延速度、火焰高度和火强度指标;干旱情景下,模型输出指数为潜在地表火(火强度、火焰高度和蔓延速度)及潜在树冠火行为(树冠火发生指数、蔓延指数和蔓延速度指数)。【结果】模拟结果显示,低强度可燃物处理后,兴安落叶松天然林和人工林地表火蔓延速度分别降低51.6%和42.8%,火焰高度分别降低33.6%和39.4%,平均火强度分别降低22.8%和34%;而兴安落叶松白桦天然混交林、白桦林和樟子松人工林的火行为变化不明显。中强度可燃物处理后,兴安落叶松白桦混交林、白桦林、兴安落叶松天然林、兴安落叶松人工林和樟子松人工林的地表火蔓延速度分别降低29.4%、37.1%、79.1%、83.3%和19.7%,火焰高度分别降低33.3%、29.8%、67.2%、69.7%和38.1%。高强度可燃物处理后,兴安落叶松天然林、兴安落叶松人工林、兴安落叶松白桦天然混交林、白桦林和樟子松人工林平均蔓延速度分别降低95.3%、97.6%、85.7%、88.9%和77.6%,平均火焰高度分别降低93.1%、93.9%、92.6%、87.6%和87.3%。干旱情景下,5种林型地表火行为指标随着可燃物处理强度的增大而明显降低(P<0.01),白桦林无树冠火发生,其他4种林型树冠火发生可能性及蔓延速度随可燃物处理强度的增大而明显降低(P<0.01)。【结论】在一般天气情景和干旱情景下,中强度可燃物处理后,兴安落叶松白桦混交林、白桦林、兴安落叶松天然林和樟子松人工林的地表火蔓延速度均低于1 m·min^(-1),火焰高度低于1 m,兴安落叶松人工林的地表火蔓延速度和火焰高度分别低于人工0.1 m·min^(-1)和0.1 m;各林型地表火焰高度低,蔓延速度慢,易于直接扑灭;兴安落叶松白桦混交林和樟子松人工的树冠火发生降幅超过20%,兴安落叶松天然林和人工林地表火蔓延速度减少40%以上,树冠火发生可能降低30%。而高强度可燃物处理后,会影响森林结构及其功能,因此,针对当前主要林型进行中强度的可燃物清理,清理地表未分解的枯落物和易燃灌木草本以及树冠下空间易燃可燃物,就可以有效降低地表火蔓延速度和避免树冠火发生。

小兴安岭林火动态研究

【目的】研究小兴安岭地区的森林火险与火发生规律,调查主要森林类型的可燃物特征,分析潜在火行为,为林火管理提供科学依据。【方法】根据1980—2010年地面气象观测数据,利用R计算火险天气指数,分析火险指数、火发生和过火面积的变化。采用标准地方法调查小兴安岭6种典型林分的可燃物特征,利用可燃物特征分类系统模拟各可燃物类型在不同天气情景下的潜在地表火和树冠火行为特征。【结果】小兴安岭的林火主要发生在春季(4—6月)和秋季(9—10月)2个时段,干旱年份夏季也可能发生森林火灾。森林的地表可燃物积累较多,主要为地表凋落物和木质可燃物(<1000 h),地表火强度随可燃物含水率降低而增大。林下植被以绣线菊(Spiraea salicifolia)-铁线蕨(Adiantum capillus-veneris)为主的林分潜在地表火蔓延速度显著高于林下以暴马丁香(Syringa reticulata subsp.amurensis)-苔草(Carex sp.)为主的林分,但其火强度低于林下以暴马丁香-苔草为主的林分。针叶林和针阔混交林都可能发生树冠火。【结论】林火管理有效减少了火发生。小兴安岭北部林区可燃物载量多,潜在火行为相关指数高,是未来林火管理的重点区域。干旱情景下,6种林分类型均有发生树冠火的可能,可以通过清理可燃物梯和减小针叶树种的密度来降低森林火灾风险。

ENSO事件对中国森林火险天气的影响

ENSO事件影响中国的气候和森林火险天气,研究ENSO事件对中国各植被区火险天气的影响对于提高森林火险预报准确性有科学和实践意义。利用1951-2016年中国地面国际交换站气候资料的日值数据集(V3.0)数据计算每日的森林火险天气指数(FWI),根据MODIS过火区产品计算各植被区2001-2016年的森林过火面积,分别按事件情景(弱、中、强和超强厄尔尼诺事件以及弱、中和强拉尼娜事件)统计各植被区对应的火险期气温、降水、FWI和过火面积。结果表明:1950-2016年,共发生19次厄尔尼诺事件和14次拉尼娜事件。受强或超强厄尔尼诺事件影响,西北地区春季火险期的日均最高气温明显升高,而中温带半干旱草原区春季火险期的日均最高气温在中厄尔尼诺年显著降低。厄尔尼诺年,南方和西南林区火险期的降水量一般会增加,中、低强度的拉尼娜事件会减少大部分区域的火险期降水量,但强拉尼娜事件导致大部分林区火险期的降水量增加。弱厄尔尼诺事件导致南方林区FWI降低;强或超强厄尔尼诺事件导致南方和西南林区的FWI有所降低,而北方林区的FWI有所升高。ENSO事件对各植被区FWI的影响存在显著的空间差异性。2001-2016年,当火险期的季节火险严重程度(SSR)显著变化时,暖温带湿润/半湿润地区落叶阔叶林区、中北亚热带湿润地区阔叶林区和热带南亚热带湿润地区阔叶林区的过火面积与SSR的变化一致,其他区域的过火面积受ENSO事件的影响不明显。

林火行为和扑救技术研究进展

森林火灾会破坏森林资源,积极开展林火扑救研究对于保护森林资源具有重要意义。林火行为研究一直是林火研究领域的重点。文中针对地下火、地表火和树冠火3种类型,从火行为和扑救技术2个方面进行综述;认为通过研究林火发生与蔓延机理,建立基于燃烧物理机制的火增长模型,是发展林火扑救技术的科学基础。林火行为未来研究的重点是,探究自然条件下的地下火蔓延机制,发展地下火探测技术;完善地表火和树冠火蔓延的物理模型,确定地表火向树冠火转换的临界条件;提升火行为预报能力和开发扑救装备,增强扑救能力。

燃烧概率模型在林火管理中的应用

火是多数森林生态系统中一个重要的干扰因素,影响景观结构和生态系统的稳定。利用燃烧概率(BP)模型可以模拟景观尺度上的火发生和蔓延过程,描述一个区域空间上的火发生概率和潜在的火行为特征。该模型已经成为林火管理的重要工具,也可为林火管理的规划和政策制定提供必要的信息。作为森林管理和林火扑救的一个科学工具,BP模型在林火扑救资源配置、管理策略制定、火灾风险评估等方面得到广泛应用。文中综述了BP模型在风险分析、可燃物管理、气候变化影响评估等方面的研究进展。基于BP模型模拟技术解决林火管理中的问题,可为开展有针对性的林火管理措施提供参考依据,通过林火管理降低景观尺度上的火灾风险,提高林火管理效益。