森林火灾气象环境条件和林火研究

吴春德,孙彦坤

（东北农业大学,黑龙江 哈尔滨150030）

1 引言

森林火灾的发生、发展与火源、可燃物和天气气候条件三大要素密切相关，又称“森林的燃烧三角”，在有利于森林燃烧的天气气候条件下， 火源是林火发生的主导因素， 可燃物的类型与特性又与林火的性质、大小及其蔓延速度紧密相联，是林火发生的物质基础，大气的温度、相对湿度、风则是林火发生与发展的环境条件。 湿度和大气降水直接影响着可燃物的水分含量，进而决定了可燃物的易燃程度。 风能给林火提供充足的氧气，促使林火蔓延，气温高、湿度小、适当的风速是造成林火的气候条件。

近年来世界气候异常， 其主要原因是 “温室效应、太阳黑子活动频繁、厄尔尼诺现象、南方涛动、南极冰山融化”等。 根据美国国家气象中心环境模拟预测，到2050年，大气中CO2的含量将达到工业化前的2倍，北半球的气温升高2-4 ℃。 气候变暖使得年降水量增加，这对森林防火是有利的。 世界范围森林火灾的减少，除与森防人员的努力有关外，可能还与森防期内降水量增加有关。

2 研究森林火灾的目的和意义

本文利用黑河市嫩江县、 逊克县及大兴安岭林区等地森林火灾资料，如嫩江气象站（海拔242.2 m，49°10′N，125°14′E）温度、相对湿度、降水量、风向风速等资料，分析森林火灾的火源和火环境条件、森林火灾燃烧过程的天气气候条件， 并详细分析重大林火燃烧过程中的某些要素特征及变化， 进而提出森林防火的综合预防技术措施和方法,为森林防火的管理和林火预测分析提供可靠的依据， 为森林火灾的指挥和扑救提供决策依据，对预测、控制和扑灭森林火灾，实现快速、安全、高效灭火，将起到至关重要的作用， 减少森林火灾对国家和人民生命财产安全造成的损失。

3 森林火灾的火源和环境条件

3.1 火源

据黑河近几年森林火灾资料分析， 引起森林火灾的火源近98%是人为火源，2%是自然火源（主要是自燃或者雷击火造成）。 人为火源分为生产火源和非生产火源。 烧荒是最主要的火源，其次为上坟烧纸、野外吸烟、 小孩玩火等。 分别占人为火灾次数的33.4%、30.0%、7.0%和3.8%。 吸烟致火主要是火险季节入山人员带火进山， 吸烟并乱扔尚带有火星的烟蒂及燃烧的火柴杆引起的。

3.2 可燃物类型

林型有针阔混交林、阔叶混交林等，主要树种有落叶松、樟子松、白桦、黑桦、山杨、红松、云杉、柞树、椴树等。 地被物有阔叶草、杂灌、三棵针、榛子、杜鹃、胡枝子等。

3.3 林火火焰高度、火线宽度和长度

森林火按森林可燃物的燃烧部位不同， 可以分为地表火、树干火和树冠火。 地表火燃烧高度较低，树干火和树冠火燃烧高度较高。 据湖北省研究发现101 次森林火灾中，地表火约占60%。 地表火可引起树干火和树冠火。 火线宽度和长度变化很大，由几个火点引起的林火，蔓延扩散成灾，宽度可达几公里，长度可达几十公里。

3.4 林火的年际变化

森林火灾发生年变化规律与气候干湿有关。1950-1988年， 重大火灾次数偏多， 控火能力较差，1989年到现在人类活动逐渐增多，火灾频发，但能有效控制，损失少。 从林火发生次数来看，若当年防火季降水少，干旱持续时间长，低湿，光照充足，蒸发量大，林火发生机率就大，反之林火发生机率小。

3.5 林火的月季变化

经分析黑河近年林火发生次数表明， 林火主要集中于10-11月和次年3-5月， 为双峰型。 春季干旱，气温回升快，相对湿度低于年平均值，风力较大，加之开荒烧山，林中人工活动增多，人为火源活动频繁，火灾集中。10-11月属次高值。12-2月气温低，积雪覆盖大地，野外火源少，林火极少发生。 夏季6-8月雨日较多，降水量大，此时植被返青生长，绿色植物生长茂盛，林火较难发生（特殊年份除外）。

4 森林火灾与气象因子及气候条件的关系

4.1 森林火灾与气温的关系

我国地域广大，从东到西，从南到北气温差异明显。 温度越高， 可燃物中水分蒸发和变干的速度越快，火灾发生的可能性越大。 气温影响可燃物的着燃性，并随季节而改变，高温还会促使火势更加猛烈。一般情况下， 林火燃烧前一星期日平均气温比常年同期偏高1-3 ℃； 林火燃烧前1-4 d,14时气温一般偏高3-8 ℃，升温幅度大，极值高。

4.2 森林火灾与风速的关系

风是影响火灾蔓延的主要气象因子。 从林火发生、发展、蔓延至熄灭，风速变化很大。 当风速≤3.0 m/s，有利于着火，但不助火蔓延；风速>3.0 m/s时，火场蔓延扩大，危险性加大。 风大加速了可燃物的水分蒸发，使可燃物变干易燃。 同时，可不断补充燃烧区氧气，加速燃烧过程，使火越烧越旺。 如1987年5月6日至6月2日的大兴安岭森林大火，火点多，5月7日前，风速<3.0 m/s，未造成大火；7日20 点风速增至5级，23 点10 分平均风速增至16-17 m/s，平均风力7级，阵风9级，对大火的发展起了推波助澜的作用，火场迅速蔓延扩大。

4.3 森林火灾与相对湿度的关系

空气的相对湿度随季节和一日中不同时间的变化很大。 相对湿度与可燃物含水率有着直接的关系，含水率的变化受相对湿度变化的制约。 相对湿度大，可燃物的含水量就随之增大，反之减少。 相对湿度与温度相似，一般地方时14时的相对湿度大致相当于一天中的最小相对湿度。对春季而言，林火燃烧前3-7 d 相对湿度开始减小，林火燃烧或发展当日相对湿度一般<45%，最小为5%，空气极端干燥，利于林火燃烧发展。 冬季和夏季相对湿度较大。

4.4 降雨量及干旱持续时间与森林火灾

降雨量大小及连续无雨日数长短是确定森林火险等级的重要因子，降水量直接影响可燃物含水量，特别是无生命的可燃物。 雨量大小是决定林火能否蔓延的重要因素。 降雨量小，干旱持续时间长，易引起森林火灾，林火愈容易燃烧蔓延。 按东北林区计算方法，凡降雨量不足5 mm 的日数，均属于连续干旱，连旱天数超过10 d 易发生森林火灾， 连旱天数超过30 d，将可能出现特大森林火灾。 据统计，连旱天数（d）与火灾面积（s）成线性关系。 即：S=-91182.2549+7872.1264d，其相关系数r=0.93，在p=0.05 水平上显著。如1987年1-4月，漠河、阿木尔降水量<5 mm，对1986年7月到1987年4月的降水量作分析，在大兴安岭北部形成了一个少雨中心。其位置是52°30'N 到黑龙江岸，121°30′E-124°30′E，这个少雨中心恰好同这场大火的火场位置吻合， 因此5月6日到6月2日发生了大兴安岭特大森林火灾。

5 森林火灾期间某些要素特征分析

5.1 大兴安岭87.5.6 特大森林火灾要素特征分析

5.1.1 大火前的气候特征

大兴安岭地区位于我国最北部， 属于寒温带冷干针叶林气候型，年平均气温-3 ℃，年平均降水量为450 mm，70%-75%的降雨量集中于7、8 两个月。每年从5月初积雪融化到6月中旬草木全绿， 干枯杂草和枯枝落叶铺满地面，其间最容易发生火灾。而1987年这段时间内的气候特征更为此次大火提供了充分的条件，且已经过了2 a 的孕育期。

5.1.1.1 降水情况

1987年1-4月，漠河、阿木尔降水量<5 mm，比历年同期平均值少46%。 对1986年7月-1987年4月的降水量作分析， 在大兴安岭北部形成了一个少雨中心。 这个少雨中心恰好同这场大火的火场位置吻合。

5.1.1.2 温湿情况

1987年， 各地平均气温比历年偏高0.7 ℃以上，其中漠河升高1.1 ℃,5月，相对湿度最小值出现在古莲、阿木尔、塔河、十八站一带。5月6日，塔河最小相对湿度为6%。 5月7日，漠河、阿木尔的最小相对湿度为4%。

由此可见，高温、湿度低、长期干旱，是酿成大火的重要因素。 在这种气候条件下， 物质的含水量下降，极易燃烧。 据测试，当枯萎落叶的含水量<7%时，点着的香烟头掉在上面， 一瞬间就能燃起2-3 m 高的火焰。

5.1.2 大火前的气象特征

大兴安岭林区处于冷暖气团交替的东亚季风区，春秋两季交替频繁。 1987年5月7日，新地岛冷空气南下，推动贝加尔湖气旋东移。 处于暖区内的阿木尔从上午8时起，气压每小时下降100 Pa，风力3-4级，最大升温幅度每小时6 ℃，相对湿度降至5%以下，为爆发大火提供了充分的气象条件。 当晚20时后冷锋面逼近阿木尔,风力达5时。 23时，这一带风力增加到6级以上，气压以200 Pa/h 的速度上升。23时10 分， 火旋风掠过阿木尔时， 平均风速达16-17 m/s，平均风力7级，阵风9级。 这些气象条件对大火的发展起了推波助澜的作用。

5.1.3 火灾原因

违章用火是酿成这场大火的直接原因。 河湾林场、 阿木尔兴安林场都是由于工人在野外吸烟引起的；古莲林场、阿木尔依西林场则是由于割灌机打火引起的。

5.1.4 可燃物

这场大火火势之所以如此猛烈， 除了气象原因外，可燃物较多也是一大因素。

(1)采伐迹地的枝丫等没有清理。

(2)储木场堆放了大量木材，并与森林相连。

(3)该处城镇的房屋大部分是木制结构，居民家庭都用木材作燃料。

(4)城镇中有些家庭储存了汽油和煤油，起火后燃烧猛烈。

5.2 黑河市林火要素特征分析

5.2.1 火源

嫩江和逊克林区近6 a 共发生过火面积>100 hm2的重大森林火灾11 次。 2001年10月8-9日烧秸杆引起3 处起火， 导致重大火灾；2004年10月16-20日烧荒和点烧防火线引起重大火灾；2005年9月29-10月6日烧荒引起重大火灾；2006年5月21-31日雷击木着火引起特大森林火灾。 这说明烧火、烧荒易导致重大火灾，有极大危险性。

5.2.2 可燃物

森林可燃物是林火发生的物质基础， 包括乔灌木树种和地被物。 依据地被物的可燃程度来划分，嫩江和逊克林区林型有针阔混交林、阔叶混交林等，主要树种有落叶松、樟子松、白桦、黑桦、柞树、椴树等。地被物有阔叶草、杂灌、三棵针、榛子和胡枝子等。

5.2.3 林火蔓延速度

林火蔓延速度分线速度、 面积速度、 周边长速度。 本文只研究线速度，即由林火起点到终点的直线距离除时间求得。 根据王正非等人的研究结果，考虑初始蔓延速度，并据可燃物类型、可燃物含水率和对初始蔓延速度有影响的气象因子等，建立如下方程：

式中:R0是可燃物在无风时燃烧初始蔓延速度;T为每日14时气温;W 是每日14时风力;0.048W 项在无风时为零。 分别算得4 次林火过程初始蔓延速度如下：

上述数据表明， 可燃物初始蔓延速度受气温影响较大，随着气温升高，初始蔓延速度迅速加快。

5.2.4 14时的气温变化

地方时14时空气温度大致相当于一天中最高空气温度。 林火发生前3-4 d，平均升温约2 ℃/d，一天最大升温11.4 ℃/d，4 d 最大升温为15.7 ℃。 蔓延期1 d 最大升温6.9 ℃，4 d 最大升温为7.1 ℃。 如2006年5月18日、20日、23日，气温分别为9.8 ℃、23.6 ℃、26.7 ℃， 其中20日比18日高13.8 ℃，23日比20日高3.1 ℃，气温有8 d>25.0 ℃，升温幅度大，极值大。

5.2.5 14时的相对湿度变化

每日相对湿度与最高空气温度相似， 这里采用的14时相对湿度大致相当于每天最小相对湿度。 林火发生前3-4 d 相对湿度下降，一般在20%-45%，降雨日相对湿度偏大， 蔓延相对湿度在20%-35%有1次，7%-21%有1 次，没有明显季节变化。 如2006年5月18日和21日，相对湿度分别为70%和13%，4 d下降幅度为57%，可见空气极端干燥。

6 结束语

本文对4 次重大森林火灾的某些要素特征，如蔓延速度、每日14时气温、降水量、每日14时相对湿度等进行了详细讨论， 认为发生重大森林火灾前5-30 d，降雨量比常年同期偏少7 成以上，林火发生前3-5 d 基本无降水；林火发生前3-4 d，平均每天升温约2 ℃；相对湿度一般在20%-45%，下降明显，旱象严重，地被物极其干燥。 温度、湿度、降水等气象因子在林火发生前变化都极为明显， 为防控森林火灾提供了可靠的气象依据。