引言

甘肃省地处长江、黄河上游, 位于青藏、蒙新和黄土三大高原交汇地带, 干旱少雨, 自然条件严酷, 生态环境脆弱。全省森林覆盖率为9.9%, 低于全国平均水平。保护和发展现有森林, 对于涵养水源、调节气候、保持水土、改善生态环境, 促进国民经济发展, 保障农牧业生产乃至黄河、长江中下游人民生命财产的安全都具有十分重要的作用。

但是, 宝贵的森林资源常常遭到多种因素的破坏。在危害森林的诸因子中, 火灾是一种最具破坏性的因素, 直接危及立木、土壤甚至于微生物和野生动物^{[1, 2]}。甘肃省林草火灾形势相当严重, 2003年4月甘南迭部林业局达拉林场森林重大火灾, 造成森林受灾面积达600多公顷的巨大损失, 引起了党中央、国务院的高度重视。

虽然森林起火存在一定的人为因素, 但它的发生、蔓延与气象要素变化密切相关, 因此我国许多省份先后开展了相关研究。施望芝^[3]通过分析湖北省森林火灾, 建立了一套较客观的火险天气环流形势预报指标。郑海青^[4]以福建省逐旬森林火险等级资料与相应旬雨量等级作数量化回归分析, 建立了森林火险中期预报方程。张洪涛等^[5]通过在地形坐标系中建立考虑森林植被影响的三维大气—土壤耦合动力学模式, 对神农架林区历史上几次重大森林火灾发生期的气象要素场进行了模拟, 并在此基础上计算神农架林区高分辨率的森林火险等级分布状态。张映堂等^[6]以引起滇中地区森林火灾的主要细小可燃物的含水率及初始蔓延速度的试验数据为基础, 结合统计分析, 在对森林火险等级进行实测的基础上建立数学模型和预报方法。

尽管我国在林火发生及火险天气预报方面已取得大量成果, 但对于青藏、蒙新和黄土三大高原交汇地带天气气候条件对森林火灾的影响方面的研究还很少见, 而结合卫星遥感资料分析森林火灾发生、发展的内容也较缺乏。本文试图通过分析“4.15”迭部森林大火天气气候成因, 并利用MODIS、NOAA资料监测火情、分析前期土壤湿度情况, 揭示特殊地理环境中森林火灾的天气环流形势及干旱对火灾的影响, 为进一步作好青藏、蒙新和黄土三大高原交汇地带森林防火工作提供参考。

1 火灾遥感监测实况

2003年4月15日12时40分, 甘肃省迭部林业局达拉林场因民用高压线路短路引起森林火灾。火势蔓延迅速, 火灾面积不断扩大。22时19分, NOAA-17卫星资料发现迭部西南部有两个火点, 面积分别为3km²和2km²。随后在23时, EOS/MO-DIS卫星资料显示迭部县西南部有大片火点存在, 面积约39km²(包括明火区和受其影响的高温区)。4月16日03时和05时, NOAA-16卫星连续两次监测显示迭部县森林大火区主要向西蔓延, 气象资料表明此时火灾区上空已转晴, 盛行风向为偏东风, 风速约5m·s^-1, 这段时间是整个火灾中火情最为严重的阶段。中午12时38分, EOS/MODIS卫星监测图上可以看到火区西南方隐约可见暗红色的过火区, 并有大片的烟雾向东北方向扩散(图 1)。23时42分林火比白天有所减弱, 明火区面积约为15km²。17日11时42分EOS/MODIS的资料显示火区面积约为16.26km², 与16日中午相比, 火区东北方大片的烟雾基本消失。到4月18日23时28分, 迭部林火区没有发现高温点, 可以判断林火已基本熄灭。

2 前期气候状况 2.1 气温

2003年冬季(2002年12月~2003年2月)季平均气温河西西部正常, 河西中东部和河东偏高0.6~2.0℃, 暖冬明显。迭部季平均气温偏高1.3℃, 其中后冬(2月)气温偏高尤为明显, 达到2.8℃。暖冬加大了土壤水分蒸发, 造成土壤失墒增快。

春季各月气温分布依然不均, 甘南州3月平均气温比常年偏高0.5~2.0℃, 4月偏高1.0~2.3℃。其中, 迭部3月气温偏高0.6℃, 4月偏高1.9℃。

2.2 降水

2003年全省冬季平均降水量为正常略偏多年份, 但中部和甘南州偏少3~9成, 尤其在隆冬(1月)和后冬(2月)大部地区降雪量少于常年同期。

3月全省降水量大部地区比常年同期偏少2~7成; 4月河西、中部降水量比常年同期偏多, 但其余地区偏少2~4成。2003年冬、春季气温、降水状况直接反映出火灾前期的干暖特征。

2.3 干旱特征

森林火灾高峰期往往出现在干旱季节或长期的持续干旱之后。因为这时空气干燥, 可燃物含水量低, 最易引燃。致旱最主要的原因是降水明显偏少。我们使用两种方法分析了迭部大火前期的干旱状况。

2.3.1 利用降水量确定干旱等级

依据降水量确定旱涝级别时, 一般采用站点5~9月降水量, 按以下标准评定:

1级:R_i>(R+1.17δ)

2级:(R+0.33δ) < R_i≤(R+1.17δ)

3级:(R-0.33δ) < R_i≤(R+0.33δ)

4级:(R-1.17δ) < R_i≤(R-0.33δ)

5级:R_i≤(R-1.17δ)

式中R为5~9月多年平均降水量; R_i为当年5~9月降水量; δ为标准差。

我们利用迭部2002年5~9月降水量进行分析计算并划分旱涝等级, 结果表明, 2002年5~9月降水量为367mm, 远远小于多年平均降水量478mm, 旱涝等级为五级, 即持续数月干旱和跨季度干旱。

2.3.2 降水距平百分率

降水距平百分率反映了某时段降水量相对于同期平均状态的偏离程度, 公式如下:

(1)

式中M_i为降水距平百分率, R_i为某时段的降水量, R为同期降水量多年平均值。这种方法在我国气象台站中经常使用, 它的等级划分标准参见文献[7]。

通过计算2003年冬、春季降水距平百分率发现, 2002年12月~2003年4月迭部降水持续偏少, 5个月总降水量的距平百分率为-25.6%, 达到大旱标准(-25%~- 50%)。其中在2003年前冬(2002年12月), 降水量偏少尤为明显, 降水距平百分率达到-73%。由此可见, 由于2002年伏、秋连旱和2003年冬春持续干旱, 大气长期处于干旱状态, 从而增大了迭部火灾发生和蔓延的可能性。

2.4 大气环流特征

选取2003年3月500hPa高度场(图略)和距平场(图 2)来反映火灾前期大气环流特征。

2003年3月北半球中纬度为三波型。在新地岛附近的极涡中心明显加强, 对应在距平图上为强的负距平中心。新疆脊位于80°E, 35~50°N之间, 西北地区位于新疆脊前和东亚大槽后部的西北气流控制下。与多年平均相比, 东亚大槽偏深, 对应在日本海及其以西地区为宽广的负距平区, 而新疆为弱的正距平。欧亚中高纬西风急流位置偏北, 大概位于60~70°N之间, 表明冷空气主力偏北, 对西北区影响偏弱。上述形势均反映出西北区东部过渡季节干旱少雨的环流特征^[8], 有利于火灾的发生。

3 近期天气条件 3.1 高空环流演变

火灾出现前, 在4月11日08时500hPa高空上, 欧亚范围中高纬度维持两槽一脊的环流形势。欧洲大陆上空以及亚洲大陆东岸分别为两个低压槽, 在两槽之间, 乌拉山附近为高压脊。我国西北地区处于脊前西北气流控制之中。随着新地岛以东的极地冷空气不断南压, 乌拉尔山高压脊逐渐减弱变平。14日08时, 冷空气已位于西西伯利亚上空, 从低压中心向西逐渐有横槽生成。高空锋区主要位于45~50°N, 呈西北—东南走向, 我国西北区大部处于锋区南部强西北气流控制之中。15日08时, 随着西西伯利亚冷空气的进一步南压, 冷空气底部的锋区明显加强。到15日20时, 锋区前缘已接近40°N, 呈东—西走向。此时青藏高原上开始出现短波槽, 甘南自治州所在的高原东部地区逐渐转为西南气流, 而迭部火灾就是在这种天气形势下出现的。

3.2 温湿特征

由4月1~15日迭部14时温度-时间及湿度-时间曲线图(图 3)中可以清楚地看出, 火灾前半个月到火灾发生, 迭部站出现了明显的增暖现象。4月1日气温仅为8℃, 而15日气温已上升至28℃。二阶主值函数曲线的走向更是清楚显示出这一点。

与此相反, 4月1~15日, 迭部相对湿度急剧下降, 尤其在6~14日, 相对湿度由40.9%迅速下降到5.4%, 充分反映出火灾前干热的大气状态。这是造成火灾的重要气象条件。

4 EOS遥感监测分析 4.1 土壤水分监测

干旱遥感监测的本质是监测土壤含水量, 为简化起见, 本文利用MODIS资料31通道获得的昼夜亮温来反映土壤湿度状况。基本原理是:当土壤干燥时, 昼夜温差大; 而土壤含水量高时, 昼夜温差小^[9]。选达拉林场及其周边地区为研究区域, 对区域内200多个像素点的31通道的昼夜亮温做定量分析, 分别计算了2002年4月上、中旬及2003年4月上、中旬的平均昼夜亮温差。计算表明, 研究区域内2003年的平均昼夜温差为26K, 而2002年的为17K。表明2003年4月土壤湿度较2002年偏小, 土壤干燥。土壤水分的监测结果直接反映出火灾前后的干旱特征, 有利于迭部火灾发生和蔓延, 这与前面对气象条件的相关分析结论是一致的。

4.2 着火点判识及面积估算

森林、草原一般分布在高山或高原地区, 人烟稀少、交通不便, 常规方法对火灾的监测有很大的缺陷, 经常出现漏测现象, 而且起火后扑火人员很难了解火情发展动态。卫星遥感有较高的空间、时间分辨率及较大监测范围, 利用其可以连续地跟踪监测火灾发展的动态过程, 提供详细的火区位置、面积、温度变化和过火面积等^[10]。

(2)

式中T₂₀为20通道(3.66~3.84μm)亮温, T₃₁为31通道(10.70~11.20μm)亮温。

利用K值来描述火点及周边地区在20与31通道的亮温关系。在正常环境K值是一个相对固定的值, 当接近火区时K值会发生跳跃, 而达到火区时K值再次发生变化。

图 4是根据K值划分的4月15日23时火区分布图。从图中可以看出火区的中心位置大约在33.84~33.90°N、103.23~ 103.32°E的范围内(K>0.093)呈空心的矩形分布, 火区内部为火灾的影响区(0.08<K<0.083)。产生这种分布的原因是, 起火后, 火都是从中心向四周蔓延, 中心地带由于草木资源的耗尽火势逐渐减弱直至熄灭, 这就使得中心地段的亮温低于四周的。从中心低温区的面积大小也可以粗略地估计火灾发展的时间长短。K值越大, 表明火势越强, 根据K>0.093的像素点的个数就可以估算出着火区的面积。利用此方法估算的15日23时火区面积约20km²。

5 结语

(1) 冬、春季气温偏高, 降水偏少, 持续数月干旱或跨季度干旱是甘肃南部重大火灾前期主要气候特征。

(2) 欧亚大陆东岸大槽偏深, 新疆脊偏强是西北区东部过渡季节干旱少雨的500hPa平均环流特征。

(3) 北方冷空气底部锋区南压, 青藏高原上偏南气流发展是甘肃南部火灾环流形势之一。

(4) 火灾前气温持续上升, 湿度持续下降的天气状况可增大火灾发生和蔓延的可能。

(5) EOS/MODIS资料能够较好地反映火灾前期的土壤湿度状况, 是准确监测火灾发生、估算火区面积、强度和蔓延趋势最有效途径。