长沙地区干旱时空分布特征及其对森林火灾的影响

2017-05-30兰明才周莉刘红武周盛丁玄彭月周长青

安徽农业科学 2017年29期

兰明才周莉刘红武周盛丁玄彭月周长青

摘要利用1971—2016年长沙市常规气象资料，计算综合气象干旱指数，分析长沙地区干旱的时空分布特征及气象成因，并利用2003—2015年森林火灾资料进一步研究干旱对森林火灾的影响。结果表明，近46年来长沙地区干旱频率有所下降，干旱的年代际变化明显，呈三峰型。最长干旱持续天数和干旱总日数的年变化对应较好，长沙、浏阳、宁乡3站年际变化基本一致，且3站干旱分级特征具有较高的空间一致性。长沙地区以夏秋干旱最为常见，持续时间最长，最主要的气象原因为大气环流的影响。干旱情况下，森林等植被含水率下降，下降到一定程度，森林火灾容易发生。最长干旱持续日数和森林火灾发生次数、受灾面积的相关系数超过0.05信度水平。2007年的火灾情况分析表明，森林火灾多发生在干旱条件下的连晴时段内。

关键词干旱；时空分布特征；综合气象干旱指数；森林火灾；影响

中图分类号 S167；P466 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）29-0174-06

Spatial and Temporal Distribution of Drought and Its Impact on Forest Fire in Changsha Area

LAN Mingcai，ZHOU Li，LIU Hongwu et al

（Hunan Province Meteotological Observatory， Changsha，Hunan 410118）

Abstract Based on the conventional meteorological data of Changsha City from 1971 to 2016， the comprehensive meteorological drought index was calculated， and the temporal and spatial distribution characteristics of drought in Changsha area and meteorological factors were analyzed.The effects of drought on forest fires were further studied by using forest fires data from 2003 to 2015.The results showed that the frequency of drought in Changsha area decreased in the past 46 years， and it had a obvious decadal variation of triple peak type.The annual variation of the longest consecutive dry days quite matches with the total dry days， the decadal variations of the longest annual consecutive dry days and the total annual dry days of Changsha， Ningxiang and Liuyang stations were consistent， and the consistency was found in hierarchical drought characteristics of the three stations.Drought of Changsha area occured mostly in summer and autumn，and lasted for a long time on account of atmospheric circulation.Under drought conditions，the forest vegetation water content decreased down to a certain extent， which was beneficial to forest fire.The correlation coefficient of the longest annual consecutive dry days and the numbers of forest fires and the affected area exceeded the reliability level of 0.05.Analysis of forest fire in 2007 showed that forest fire easily occured in a period of consecutive sunny days during a drought.

Key words Drought； Temporal and spatial distribution characteristics； Integrated meteorological drought index；Forest fire；Effect

基金項目

湖南省气象局预报预测能力建设项目“湖南省强天气指数和短期预报方法研究及应用”“湖南干旱期人工增雨潜力研究”；湖南省气象局横向课题“湖南省分县地质灾害区划研究”“湖南省精细化天气要素预报”。

作者简介兰明才（1984—），男，湖南长沙人，工程师，硕士，从事天气预报预测及短时临近预报预警技术研究。

收稿日期 2017-08-28

干旱是湖南主要气象灾害之一，几乎每年都有发生。因土壤质地、植被条件、水利设施以及耕作制度等不同，干旱有成块分布和插花分布等特征，旱灾所造成的损失表现形式比洪涝灾害缓慢，但它造成灾害的时间长、范围广、后续潜在影响大[1-3]。长沙作为湖南省省会，位于湖南省东部偏北，湘江下游和长浏盆地西缘，人口密集，工农业比较发达，需用水量大[4]，由于降水的时空分布不均，容易发生季节性干旱，在一些地方也出现程度不同的水资源短缺现象。长沙市在一般干旱年缺水率达21.9%，特殊干旱年缺水率達28.3%[5]。干旱严重影响水资源的供需矛盾，制约了长沙地区持续的城市发展和经济发展增长。为建设生态长沙，近年来长沙地区不断加快城乡绿化建设，并取得了显著成效，全市林业用地61.63万hm2，森林覆盖率达53%左右[6]。森林火灾作为一种自然灾害，能直接、迅速减少森林覆盖率。一些研究表明[7-8]，森林火灾的发生与干旱有密切的联系，大的森林火灾多发生在干旱高温季节。通过长沙干旱的特征及与森林火灾的关系研究对建设绿色长沙、生态长沙有重要现实意义。

采用气象方法从统计方面研究降水量的分布规律，来反映旱涝的程度和持续时间的指数很多[9-12]。综合气象干旱指数（CI）是以标准化降水指数（SPI）、相对湿润指数（MI）为基础建立的一种干旱综合指数[13]，该指数同时考虑了降水和蒸发能力因子，综合考虑了前期的天气状况，具有较好的时空对比性，比单纯利用降水量的干旱指数具有较大的优越性，蒸发能力的计算也比较简便，目前国家气候中心运用该指数对全国范围的干旱实况进行逐日滚动实时监测，业务实践效果良好。笔者利用长沙市1971—2016年气温、日照、降水等常规气象资料计算CI，根据干旱监测结果及干旱影响程度对CI进行等级划分，分析长沙地区干旱时空分布特征及气象成因，并利用2003—2015年森林火灾资料研究长沙干旱对森林火灾的影响。

1 资料与方法

1.1 资料来源所用资料为湖南省气候中心提供的长沙、寧乡、浏阳三站1971—2016年的逐日降水、温度、相对湿度等气象要素观测数据；长沙市林业局、林业站提供的2003—2015年森林火灾资料。

1.2 分析方法

1.2.1 综合气象干旱指数。

综合气象干旱指数（CI）是利用近30 d（相当月尺度）和近90 d（相当季尺度）降水量标准化降水指数，以及近30 d相对湿润指数进行综合而得，该指标既反映短时间尺度（月）和长时间尺度（季）降水量气候异常情况，又反映短时间尺度（影响农作物）水分亏欠情况。该指标适合实时气象干旱监测和历史同期气象干旱评估[13]。CI的计算公式为：

CI=aZ30+bZ90+cM30 （1）

式中，Z30、Z90分别为近30 d和近90 d SPI值；a为近30 d标准化降水系数，由达轻旱以上级别Z30的平均值除以历史出现的最小Z30值得到，平均取0.4；b为近90 d标准化降水系数，由达轻旱以上级别

Z90的平均值除以历史出现最小Z90值得到，平均取0.4；c为近30 d相对湿润系数，由达轻旱以上级别M30的平均值，除以历史出现最小M30值得到，平均取0.8；M30为近30 d相对湿润度指数。

相对湿润度指数是表征某时段降水量与蒸发量之间平衡状况的指标之一。该等级标准反映作物生长季节的水分平衡特征，适用于作物生长季节旬以上尺度的干旱监测和评估。

相对湿润度指数的计算公式为：

MI= P-PE PE （2）

式中，P为某时段的降水量；PE为某时段的可能蒸散量，用FAO Penman-Monteith或Thornthwaite 方法计算。

1.2.2 干旱等级。

CI分为5个等级：1级，CI>-0.6，无旱，表现为降水正常或较常年偏多，地表湿润，无旱象；2级，-1.21.2.3 干旱过程。

干旱过程的确定为当CI连续3 d为轻旱以上等级，则确定为发生一次干旱过程。干旱过程的开始日为第1天CI指数达轻旱以上等级的日期。在干旱发生期，当CI连续2 d为无旱等级时干旱解除，同时干旱过程结束，结束日期为最后1次CI指数达无旱等级的日期。干旱过程开始到结束期间的时间为干旱持续时间。

1.2.4 趋势分析。气候变化分析使用了趋势分析方法，其中线性修正趋势分析法是根据历史上各期的实际资料求出平均数，然后利用求出的平均数建立趋势预测模式，求出趋势值，在此基础上计算折算系数，最后结合折算系数和趋势预测模型进行预测的方法[14]。

2 干旱时空分布特征

2.1 干旱频次的年变化趋势

从图1可看出，近46年来长沙干旱频率有所下降，速率为0.007 6次/a，干旱的年代际变化明显，呈三峰型。20世纪70年代—80年代初干旱频次缓慢增大，在1983年达到峰值，达5.7次/a；80年代中期—90年代中期，干旱频次明显减少，在1994年达到谷值，为0.3次/a， 1995和1996年有一次明显跃增，1995年达4.0次/a， 1996年达5.7次/a；之后，干旱频次明显减少，在2002年达到谷值，为1.0次/a，随后干旱频次再次增加，在2011年达到46年的最大值，为6.0次/a，随后干旱频次减少。20世纪70年代、80年代、90年代、2000—2009年、2010—2016年干旱频次的平均值分别为3.6、4.3、3.2、3.3、3.6次/a，说明20世纪80年代干旱整体发生频繁。

2.2 干旱日数的变化特征

从图2可看出，近46年来长沙、浏阳、宁乡三站干旱日数的年际变化基本一致。长沙地区年干旱日数为6 d（1994年）～186 d（2007年），多年平均干旱日数为73 d，每一年都会出现干旱，且年代际变化比较明显，70、80年代年干旱日数在平均值附近上下波动，波动幅度80年代比70年代大；到了90年代，长沙干旱日数基本在平均值以下，2000年以后，波动幅度明显增大， 2007年干旱日数达到最大，为186 d。

从年干旱日数线性趋势看（图2），长沙、浏阳、宁乡三站年干旱日数均呈下降趋势，平均下降速度为0.4 d/a，其中长沙站下降速度最慢，为0.2 d/a，浏阳站下降速度最快，为0.6 d/a。

从图3可看出，近46年来长沙地区最长干旱持续天数和干旱总日数的年变化对应较好。长沙地区年最长干旱持续天数呈下降趋势，平均下降速度为0.2 d/a。20世纪70—80年代最长干旱持续天数的波动幅度较大，到了90年代，最长干旱持续天数基本在平均值以下，2003年最长干旱持续天数为最低值，不足3 d，但到2004年最长干旱持续天数有一个飞快跃增，达140 d。2004—2016年是呈一个缓慢递减的状态。

从图4可看出，长沙、浏阳、宁乡三站在46年间大多数年份以轻旱为主，中旱、重旱次之，特旱比较少见，且出现的年份基本一致，可见干旱分级特征具有较高的空间一致性，因此3区平均的年分级干旱日数年际变化具有一定的代表性。1978年之前，长沙地区以轻旱和中旱为主，每年平均在40 d左右，重旱的时间分布呈单峰型，特旱几乎没有出现；1979—1992年，干旱程度显著增强，几乎每年都有特旱发生；1993—2002年，干旱程度明显缓解，中旱、重旱、特旱都鲜有发生；2003—2015年，干旱程度再度增强，尤其是2007年，中旱、重旱、特旱分别达72、59、17 d。

安徽农业科学 2017年

图5显示，1971—2016年长沙地区各年代干旱等级均以轻旱（46%～57%）为主，中旱（29%～35%）、重旱（10%～16%）次之，特旱（3%～6%）最少，其中20世纪80年代干旱程度最轻，轻旱占57%，特旱仅占比3%；2000—2009年干旱程度最重，轻旱占47%，特旱和重旱占比21%。

2.3 干旱气象成因分析

长沙区域内每年都有不同程度的干旱发生，冬旱、春旱、夏秋干旱（夏秋干旱又包括夏旱、秋旱和夏秋连旱）均有出现，但以夏秋干旱最为常见，年年都有发生，持续时间最长。近46年来长沙地区干旱日数呈明显的单峰型，从2月开始至8、9月，干旱日数显著增加，从50 d左右增加至500 d，10月以后干旱日数显著减少（图6）。

夏秋干旱最主要的气象原因为大气环流的影响。大气环流的规律性运动和异常是形成长沙规律性干旱和特大干旱的主要因素。常年6月以后，長沙地区常受西伸北跃的西太平洋副热带高压控制，雨带北移，各地雨季相继结束，天气晴朗，气温高，南风大，蒸发强，引起干旱发生。如常年7—9月，长沙总雨量多在300 mm以下，水分的不足常常引起旱象出现；大气环流异常，前期副热带高压很弱，脊线位置偏南，在长沙冷暖空气交汇少，雨季降水不足，后期副热带高压过强、过早并长时间控制长沙地区，则出现长期无雨或少雨的现象，引起严重干旱。气温高、蒸发量大是形成干旱的又一个重要原因。6—9月是一年中月平均气温最高的4个月份。持续酷暑高温，使蒸发量大增，若遇长时间少雨天气，干旱程度愈加严重。

3 干旱对森林火灾的影响

3.1 干旱与森林火灾

统计2003—2015年长沙市森林火灾的发生次数和火灾受灾面积情况（图7）发现，火灾次数和受灾面积均表现为2009年前数值较大，2009年后数值减少明显。

将2003—2015年森林火灾受灾次数面积与相对应时段的干旱日数、频次进行相关分析，相关系数分别为0.25和0.20，相关系数不高，但通过α=0.10信度检验。说明森林火灾次数面积与干旱日数、干旱频次有一定的对应关系。进一步分析2009年之前发生森林火灾情况发现，森林火灾一般发生在干旱持续时间比较长的时段内。引入最长持续干旱天数指标（图3），2003—2015年最长持续干旱天数总体趋势也表现为2009年以后明显减少，6阶多项式曲线的波峰与森林火灾次数、受灾面积基本一致，在2007年前后，最长持续干旱天数与森林火灾次数、受灾面积的相关系数分别是0.42、0.45，明显比年干旱日数、干旱频次与森林火灾次数、受灾面积的相关性好，且通过了α=0.05的信度检验。

3.2 森林火灾个例

干旱是在气温、降水等气象因子共同作用下发生。干旱情况下，降水较少，空气湿度低，蒸发大，可造成植被含水量下降，而可燃物含水率与森林火灾的发生有密切关系[15-16]。从长沙2007年温度和降水状况看，长沙年平均气温为18.5 ℃，较常年偏高1.4 ℃，属异常偏高年份，超过2006和1998年极值0.3 ℃，成为第一高值年。从季节年（前一年12月—当年11月）来看，整体偏高1.4 ℃（表1）。

2007年全市降水偏少3成，年總降水量仅为997.3 mm（表2），各站超过历史最小值年，成为有记录以来最小值年；上半年偏少3～4成，下半年除宁乡偏少14%外，其他站偏少近3成。

2007年长沙出现春旱、特大春夏连旱、特大秋冬连旱，因此造成森林火灾频发。全市共发生森林火灾302起，受灾森林面积达335.39 hm2，损失林木、成林蓄积3 831.8 m3；森林火灾主要集中在2、4、8、12月，以4月最多，占全年的36%，火灾大多发生在干旱时段内，尤其8、12月主要因为干旱。由表3可知，长沙森林火灾基本发生在干旱连晴天气时段内，部分火灾由于干旱扑灭困难。

4 结论与讨论

利用1971—2016年长沙市常规气象资料，计算综合气象干旱指数，对长沙地区干旱的时空分布特征及气象成因进行分析，并利用2003—2015年森林火灾资料进一步研究干旱对森林火灾的影响，得出以下结论。

（1）近46年来长沙地区干旱频率有所下降，速率为0.007 6次/a，干旱的年代际变化明显，呈三峰型。20世纪80年代干旱整体发生频繁。

（2）近46年来长沙地区平均干旱日数为73 d，且年代际变化比较明显。长沙、浏阳、宁乡3站干旱日数年际变化基本一致，均呈下降趋势，其中长沙站下降速度最慢，浏阳站下降速度最快。

（3）1971—2016年长沙地区最长干旱持续天数和干旱总日数的年变化对应较好。最长干旱持续天数呈下降趋势，平均下降速度为0.2 d/a。2004年最长干旱持续天数有一个飞快跃增，达到140 d。

（4）长沙、浏阳、宁乡3站在46年间大多数年份以轻旱为主，中旱、重旱次之，特旱比较少见，且出现的年份基本一致，干旱分级特征具有较高的空间一致性。

（5）长沙地区以夏秋干旱最为常见，持续时间最长。夏秋干旱最主要的气象原因为大气环流的影响。气温高、蒸发量大是形成干旱的又一个重要原因。干旱情况下，森林等植

表3 2007年长沙地区干旱与森林火灾情况

Table 3 Drought and forest fires in Changsha area in 2007

时间Time 干旱情况Drought situation 森林火灾情况Forest fires situation

1—3月January-March 8 d 1月末连续8 d的连晴干燥天气催生了十余起森林火灾

4月April 4月11—28日 4月上中旬就发生104起火警，到4月末，受灾面积达120 hm2