大兴安岭林区10小时时滞可燃物湿度的模拟

2023年12月14日发(作者：有关梦想的句子)

大兴安岭林区10小时时滞可燃物湿度的模拟

胡天宇;周广胜;贾丙瑞

【摘 要】随着森林防火预报精细化的需求,小时尺度可燃物湿度的准确模拟成为火险预报的关键.利用2010年8月连续无降雨天气条件下我国大兴安岭林区10h时滞可燃物湿度和相应气象因子的半小时动态观测资料,从可燃物的失水和吸水过程对目前广泛使用的Fosberg模型和Van Wagner模型进行评估,进而发展了准确模拟10h时滞可燃物失水和吸水过程的可燃物湿度模型.结果表明:Fosberg模型对10h时滞可燃物的失水过程模拟较好(R2=0.96,P＜0.01),而Van Wagner模型对10h时滞可燃物的吸水过程模拟较好(R2 =0.83,P＜0.01),但均不能独立地准确模拟10h时滞可燃物的湿度变化.通过分析可燃物失水与吸水过程,考虑可燃物在静风条件下的水汽交换,优化了Van Wagner模型参数,建立了综合反映可燃物失水与吸水过程的10h时滞可燃物湿度模型.据比较,该模型可准确地模拟10h时滞可燃物的湿度变化(R2=0.88,P＜0.01),可为精细化火险预报提供技术支撑.

【期刊名称】《生态学报》

【年(卷),期】2012(032)022

【总页数】7页(P6984-6990)

【关键词】10h时滞可燃物湿度;平衡含水率;可燃物湿度模型

【作 者】胡天宇;周广胜;贾丙瑞

【作者单位】中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京100093;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院植物研究所植被与环境变

化国家重点实验室,北京100093;中国气象科学研究院,北京100081;中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京100093

【正文语种】中 文

林火作为森林生态系统的重要干扰因子，是森林演替更新不可缺少的重要因素，但近年来频发的林火已经严重地影响了人类的生产生活。为此，迫切需要开展林火的准确预测预报，以更好地服务于森林的经营管理和灾害防治。

通常，林火发生需要3个条件:天气、火源和可燃物。其中，可燃物湿度作为可燃物与气象因素的综合表现，包含了大量林火发生的信息。因此，准确模拟可燃物湿度的变化过程是火险预报的关键。

美国国家火险等级系统根据不同可燃物的失水速率差异，将死可燃物划分为1、10、100、1000h时滞［1］，10h时滞的可燃物对应了直径0.64—2.5 cm范围内的枝条。时滞的含义是在温度为27℃和相对湿度为20%的条件下，可燃物失去初始含水量和平衡含水率差值的1-e－1(63%)所需要的时间。其中，1h和10h时滞可燃物主要决定了林火的蔓延速度，虽然1h时滞可燃物在引燃和蔓延起着重要的作用，但是10h时滞可燃物湿度还用来估算1h时滞可燃物湿度，同时10h时滞可燃物对林火的蔓延和能量估算有着重要的作用。因此，准确估算10h时滞可燃物是确保火险预报准确性的关键。

20世纪以来，国内外科学家发展了一系列可燃物湿度模拟模型［2-12］，并被用于火险预报系统和火行为模型［13-14］。随着森林防火需求的日益精细化，小时尺度的可燃物湿度模拟越来越受到重视。

可燃物湿度在空气中的变化主要由两个过程组成:失水过程和吸水过程。准确判断和模拟这两个过程决定了可燃物湿度的模拟效果。Fosberg［5］和Van Wagner

［6］分别建立了小时尺度和天尺度的可燃物湿度模型，天尺度的可燃物适度模型重点关注一天中最易发生林火的时间(当地时间14:00左右)的可燃物湿度，并被分别用于美国国家火险等级系统和加拿大火险等级系统。国内学者关于可燃物湿度模拟研究主要集中在日尺度［15-19］，但是这些研究都基于简单的回归方程。Wei等［20］在夏威夷验证了Fosberg模型对1h时滞可燃物湿度的模拟效果，Carlson等［21］利用俄克拉何马州的1、10、100、1000h时滞可燃物湿度观测资料验证了Fosberg模型的模拟效果(时间尺度为15min和1h)，但是验证数据只有早上和中午两个时间点的数据，不能完全代表Fosberg模型对小时尺度的模拟效果。关于Van Wagner模型的验证研究仍未见报道。由于缺乏野外观测资料，在小时尺度上关于这两个模型对失水和吸水过程的验证还很少，制约着可燃物湿度的准确模拟，影响着森林火险的准确预测预报。

本研究试图利用中国东北地区大兴安岭林区10h时滞可燃物湿度的半小时动态观测资料及其相关气象要素资料，从可燃物的失水和吸水过程对目前广泛使用的Fosberg模型和Van Wagner模型进行评估，分析可燃物的失水与吸水过程控制机制，进而建立可综合反映可燃物失水与吸水过程的10h时滞可燃物湿度模型，服务于林火的预测预报。

1 研究资料与方法

1.1 资料来源

我国东北地区的大兴安岭林区是我国林火高危区域。本研究地点选在中国北方林森林生态系统定位研究站。该站位于黑龙江大兴安岭呼中自然保护区，即我国最大的寒温带针叶林生态系统自然保护区(123°01'04″E，51°46'52″N，海拔773 m)。该区属大陆性季风气候，年均气温4.7℃，年际平均气温变动在2.1—5.3℃。地貌类型为大兴安岭北部石质中低山山地，地势平缓，坡度在15°以下。棕色针叶林土是该区最具有代表性的土壤类型。地带性植被类型为寒温性针叶林，以兴安落叶松

(Larix gmelinii)为单优势树种，并混有少量白桦(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)、兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)和东北赤杨(Alnus mandshurica)等，草本主要有小叶章(Deyeuxia angustifolia)和苔草(Carex appendiculata)等。

在研究站固定样地安装有RAWS-F远程自动防火气象站，观测内容包括2 m空气温度、2 m空气湿度、降雨量、风向、风速和10h时滞可燃物湿度，观测频率为半小时1次。观测时间从2010年6月29日至2010年9月17日，其中可燃物湿度和降雨量都有3个重复观测。10h时滞可燃物含水量利用CS505可燃物含水量传感器来观测:CS505可燃物含水量传感器通过使用时域反射技术(TDR)观测西黄松榫钉(材料西黄松;直径1.3 cm;长度21.3 cm;重量45 g)的含水量，得到的观测值代表10h时滞可燃物的含水量。

1.2 模拟模型

Fosberg模型和Van Wagner模型均是以平衡含水率为基础发展起来的。平衡含水率(EMC)指可燃物在某一环境条件下最终达到水汽交换平衡时的湿度大小。平衡含水率一般是相对湿度和温度的函数［22］。基于平衡含水率的可燃物湿度模型可表示如下:

式中，FMn是n时刻的可燃物湿度;FMn－1:是n－1时刻的可燃物湿度;D是扩散系数;EMCn是n时刻的平衡含水率。Fosberg［5］提出了基于扩散原理的可燃物湿度估算方法:

式中，λ为可燃物时滞的倒数;ζ为可燃物相似系数;t为水汽交换过程的持续时间。

Van Wagner［6］发展的可燃物湿度模型为:

式中，参数η在可燃物处于失水过程时为H/100，在吸水过程时为(1－H/100)，T为温度(℃)，H为相对湿度(%)。Van Wagner［14］认为，在某一环境条件下，可燃物失水达到平衡含水率时的湿度会略不同于在可燃物吸水达到平衡含水率时的湿度，差异约为2%。因此，Van Wagner模型的平衡含水率为失水平衡含水率和吸水平衡含水率;而Fosberg模型认为可燃物湿度到达平衡时只有一个平衡含水率，并采用Simard的平衡含水率模型进行计算［23］。

1.3 可燃物湿度模拟

本研究可燃物湿度观测时间(6月29日至9月17日)为大兴安岭林区的生长期，森林郁闭度高、林下受太阳辐射影响较少。模型的空气温度与湿度为2 m处的空气温度和湿度。可燃物湿度的变化主要受降雨和空气温湿度影响，本研究的目的主要是研究由空气温湿度引起的可燃物湿度变化。为避免降雨对可燃物湿度的影响，特选取观测时段内连续4d无降雨(2010年8月25日— 2010年8月28日)的气象数据为模型输入数据，并根据观测数据中可燃物的湿度变化将这4d无降雨数据按失水过程和吸水过程分别验证模型的模拟效果。

2 研究结果

2.1 气象条件

观测时段间内连续4d无降雨的验证期内，气象条件较为一致(图1，X轴以2010年8月25日00:00为起点，观测间隔为半小时总共192个观测值)。空气平均温度呈弱上升趋势，昼夜温差大，白天最高气温为25℃，夜间最低气温为0℃;相对湿度夜间为95%左右，白天在30%左右;白天有微风，夜间到凌晨几乎无风。可燃物的失水过程一般发生在白天，而吸水过程从傍晚持续到清晨。

图1 2010年观测时段间内连续4d无降雨验证期的气象条件Fig.1

Meteorological conditions of four continuous free rainfall days during the

obrvation in 2010

2.2 10h时滞可燃物湿度的水汽交换过程模拟

Fosberg模型和Van Wagner模型对10h时滞可燃物失水过程和吸水过程的模拟效果不同。Fosberg模型能够很好地模拟10h时滞可燃物在失水过程中的湿度变化(R2=0.96，P＜0.01)，但过高地估计了吸水过程中10h时滞的可燃物湿度(R2=0.64，P＜0.01);Van Wagner模型对吸水过程中10h时滞的可燃物湿度的模拟效果(R2=0.83，P＜0.01)优于 Fosberg模型，但对失水过程中10h时滞可燃物湿度的模拟效果(R2=0.60，P＜0.01)不如Fosberg模型。因此，这两个模型均不能很好地模拟无降雨条件下10h时滞的可燃物湿度(图2—图3)，但两个模型均对吸水过程和失水过程的切换点模拟较好(图3)。

图2 Fosberg模型和Van Wagner模型对10h时滞可燃物湿度的模拟Fig.2

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

Wagner model

图3 2010年8月25—28日10h时滞可燃物湿度的模拟Fig.3 Simulation of

fuel moisture during 25—28 August 2010

3 分析与讨论

3.1 吸水和失水过程中的水汽交换速率

可燃物湿度变化包括两个过程:失水过程和吸水过程。准确判断和模拟这两个过程是准确模拟可燃物湿度的关键。基于平衡含水率的可燃物湿度模型通过当前可燃物湿度与平衡含水率之间的差值确定失水过程和吸水过程。当可燃物湿度大于平衡含水率时，可燃物中的水分向外部扩散，即失水过程;反之，可燃物从空气中吸收水分，即吸水过程。Fosberg模型和Van Wagner模型都能较好地判断吸水过程和失水过程的起始和终止(图3)，表明平衡含水率理论能够很好地用于模拟可燃物湿度。因此，Fosberg模型和Van Wagner模型对10h时滞可燃物湿度的模拟不准

确主要是对吸水过程和失水过程中的水汽交换描述不准确造成。

由式(2)可见，ζ和λ都是与可燃物相关的参数，与外界气象因子无关。所以，Fosberg模型的吸水过程和失水过程具有相同的水汽交换系数(D)，即实际变化量/潜在变化量是一个定值，并且该系数只与可燃物性质有关，与外界气象因子无关。由式(4)可见，k是一个与气象因子相关的函数。Van Wagner模型描述的吸水过程和失水过程除具有不同的平衡含水率外，在失水过程和吸水过程中采用的水汽交换系数也不相同，且水汽交换系数(D)受当前环境中的空气温度、湿度及风速的影响。尽管如此，从模拟结果看(图3)，Van Wagner模型仍不能很好地模拟可燃物湿度的变化。由式(1)可知，水汽交换过程中的交换系数(D)可用 FMn－FMn－1/(EMCn－FMn－1)表示，式中只有EMC是非观测量。因此，可以近似地将由此得到的水汽交换系数作为真值。由图4可见，水汽交换系数在整个湿度变化过程中并不是一个定值，在失水过程中的水汽交换系数可近似看做一个定值，而在吸水过程中水汽交换系数却不是一个定值。因此，准确地模拟可燃物的湿度变化需要将可燃物的吸水过程和失水过程分开描述。

决定可燃物失水过程与吸水过程中水汽交换速率不一致的因素是什么呢?分析失水过程和吸水过程中可燃物与空气间的水汽交换过程和可燃物的环境条件发现，水汽交换过程和环境的差异是导致水汽交换速率不一致的主要原因。当可燃物处于失水过程时，水分子从可燃物内部逐步往外扩散，可燃物内部的水汽传递是限制水分子扩散的主要因素，但是水分子向外扩散的过程并不受影响;在吸水过程中，由于可燃物内部水汽传递较慢，导致可燃物表面的湿度较高，与外界的水汽浓度差减小，因此可燃物表面吸收水分的速率降低，导致可燃物失水过程与吸水过程的水汽交换速率不同。同时，分子扩散运动还受温度影响，温度越高，分子扩散速度越快。可燃物发生失水过程时都在9:00到17:00，这段时间温度较高，可燃物中的水汽扩散速率较高，而吸水过程通常发生在傍晚至清晨，这段时间内的温度都较低，可燃

物中的水汽扩散速率较低。

3.2 可燃物湿度模拟的优化

综上分析，准确地模拟可燃物的湿度变化需要分别对可燃物的吸水过程和失水过程进行模拟。根据Fosberg模型和Van Wagner模型对失水过程和吸水过程中水汽变化描述的优势，采用Fosberg模型模拟失水过程的可燃物湿度变化，采用Van

Wagner模型模拟吸水过程中的可燃物湿度变化，同时利用Van Wagner模型中平衡含水率与当前可燃物湿度之差来判断失水过程和吸水过程，采用两个模型模拟时所用的平衡含水率。结果表明，该模型能够显著地提高可燃物湿度模拟的准确性(R2=0.77)，但仍低估了吸水过程中的可燃物湿度(图5)，这种低估通常发生在20:00点以后，此时空气的相对湿度几乎保持在95%左右(图1)且为静风。Van

Wagner［6］指出，如果风速数据缺失可按照白天10—12 km/h和晚上4—6

km/h的风速作为输入，或者采用Van Wagner［6］给出的每天风速趋势作为输入，进行可燃物湿度的模拟。然而，该研究时段为静风，如果按照Van Wagner［6］给出的弥补方法进行可燃物湿度模拟，则风速均大于零。虽然Van Wagner［6］认为除降雨后的一段时间外，风速对可燃物湿度的影响不大，但在风速数据缺失后仍按一定的风速来处理，表明如果风速为零将造成模拟可燃物湿度的低估。

图4 可燃物湿度实际变化量与潜在变化量的关系Fig.4 Relationship between

actual and potential variation of fuel moisture

图5 所建模型对2010年8月25—28日10h时滞可燃物湿度的模拟Fig.5

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

modified model

为反映风速变化对可燃物湿度的影响，分析两个模型的Kα发现，当风速为0时，由气象因子估算的Kα低于由观测值反算得到的 Kα，低估达 30%—40%。分析估算公式发现，当风速为 0时，式(4)的0.0176u0.5(1－η8)e0.0365T为0。因此，

Van Wagner模型没有很好地模拟可燃物在静风条件下的水汽交换。0.0176u0.5(1 － η8)e0.0365T应该0.0176(a+u0.5)(1 － η8)e0.0365T ，修改后的模型能很好地解释静风和有风对可燃物湿度的影响。为此，引入 (Kα1 －

Kα2)/(0.0176(1 － η8)e0.0365T来反映静风影响。分析表明，a 在0.197—6.23，在此取其集合的平均值1.62±0.13。据此，式(4)可改写为:

采用优化参数模型能够更好地模拟可燃物湿度的变化(R2=0.88)，在一定程度上降低了耦合模型的低估，为可燃物湿度模拟提供更好的支持。

4 结论

可燃物湿度是森林火险预报和火行为预测的重要输入因子之一，准确模拟小时尺度的可燃物湿度是精细化防火预报预测的要求。本研究利用中国大兴安岭呼中保护区收集的气象数据和可燃物湿度数据，从可燃物湿度变化的失水和吸水过程评估了半小时尺度的Fosberg模型和Van Wagner模型的模拟效果，发现两个模型均不能独立地很好地在半小时尺度上模拟可燃物湿度的变化。在此基础上，通过耦合两个模型的失水和吸水过程，通过考虑可燃物在静风条件下的水汽交换优化Van

Wagner模型参数，建立了一个新的可燃物湿度模型。结果表明，该模型能够更好地模拟可燃物湿度的变化，可为精细化的火险预报模型提供参考。

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