加拿大森林火险天气指数系统在全球及中国的应用

杨美清，姚启超，方克艳，董志鹏*

(1.福建师范大学a.地理科学学院，b. 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福州 350007；2.国家林业和草原局(国家公园管理局)，北京 100714)

0 引言

森林生态系统作为地球上最大的陆地生态系统，具有调节气候、涵养水源、保持水土、防风固沙等功能，但森林火灾会对森林资源、生态系统和人类生活造成巨大损失和严重危害[1-2]。例如，1987年5月6日，大兴安岭地区发生建国以来最严重的特大森林火灾，大火燃烧了28天，境内森林受害面积101万hm2，211人丧生，5万余人受灾，间接经济损失达69.13亿元[3]，2019年3月30日，四川凉山木里县发生森林火灾，造成30名扑火人员牺牲[4]。2000年以来，中国年均发生森林火灾约6 609起，受害森林面积78 918.5 hm2，因灾伤亡98人[5]。因此，进行森林火灾监测预警对森林生态安全及人民的生命、财产安全有重要作用。

全球气候变暖对野外火灾产生较大影响，大量研究表明野外火灾发生面积和发生率将增加，火灾发生的季节将变长[6-8]。火灾危险是对火灾环境的固定因素和可变因素(例如可燃物、天气和地形)的评估，这些因素决定着火的难易程度、蔓延速度、控制难度和火灾影响[9]。系统地评估和整合影响火灾危险的各个因素的过程称为火灾危险等级划分。火灾危险等级系统会产生潜在火灾的定性或定量指标，这些指标可作为预防着火、火灾探测、灭火资源部署和调度、大型火灾管理、战略规划和可燃物管理等各种火灾管理活动的指南[10]。这些有效的火灾管理活动可以减少火灾的危害。加拿大森林火险等级系统(Canadian Forest Fire Danger Rating System，CFFDRS)在世界各地得到了广泛的应用，其重要组成部分——加拿大森林火灾天气指数系统(Fire Weather Index，FWI)已被应用或校准后应用于北美州、南美州、欧洲以及亚洲等地[11]。本研究阐述了加拿大森林火灾天气指数系统的原理、基本结构、发展过程，着重考察了FWI系统在世界范围内的校准及应用情况，这些经验有助于将FWI系统应用于不同环境中，最后对如何建立更适用于中国火灾特点的FWI系统提出了建议。

1 加拿大森林火灾天气指数系统

1.1 加拿大森林火灾天气指数系统发展概况

随着计算机等高新技术的迅速发展，出现了许多森林火险等级预报系统，成为林火管理的有力工具。1925年，Wright在加拿大开展森林火险等级的研究，主要研究天气要素、可燃物含水量和火行为之间的关系。到20世纪60年代末，ForCan团队开始着手建立一个国家火灾危险等级系统，在1969年发布了加拿大森林火险等级系统的第一个子系统——加拿大森林火灾天气指数系统的临时版本。随后在1970年正式发布第一版，后来分别在1976、1978和1984年更新了这个系统。目前的FWI系统保留了早期系统的最佳特性，加入了新的模块，比之前发布的系统更为复杂[12]。

FWI系统是全球最常用的火灾天气危险等级指数系统之一[11]，该指标体系建立在大量点火试验、天气资料以及火灾资料的基础上，理论基础为时滞平衡含水率理论，将气象条件、地理位置、日照时数与可燃物含水率有机地联系起来。FWI系统需要输入当日当地13:00时的温度、相对湿度、风速和24 h降水量，通过气象因子的变化计算可燃物含水率的变化，再根据不同大小或位置的可燃物含水率确定潜在火险等级。该系统将可燃物含水率与火险大小有机地结合在一起，其框架得到了世界森林防火界的普遍认同[13-14]。

1.2 FWI系统的基本结构

FWI系统由6个部分组成[11]。前3个是可燃物水分代码：细小可燃物湿度码(Fine Fuel Moisture Code，FFMC)、粗腐殖质湿度码(Duff Moisture Code，DMC)和干旱码(Drought Code，DC)。跟踪不同干燥速率下的3层森林可燃物的日変化，对于火灾的发生、蔓延和控制难度至关重要，同时这也是FWI系统的主要优势之一[13]。后3个部分是火灾行为指标，分别代表扩散率、可燃物重量消耗和火灾强度。各指标的物理意义如下[15-18]：

细小可燃物湿度码，表示森林地被物中干质量为0.25 kg·m-2，厚度为1～2 cm的林分凋落物和其他固化的细小可燃物的含水率。它由温度、相对湿度、风速、前24 h降水量以及前一日的FFMC值计算得到，取值范围为0～99，FFMC值越高，林火发生的概率越大。粗腐殖质湿度码，表示林地中5～10 cm深，干燥时重约5 kg·m-2，经过有机物分解后，变成松散结构的可燃物层的水分含量，由温度、相对湿度、前24 h降雨量和前一日的DMC值确定。这一层的粗腐殖质为火灾的发生提供了主要的可燃物，因此其水分含量对林火强度具有重大影响。DMC值大小表示林火的强度，无上限。

干旱码，表示深层细密有机物组成的可燃物含水量，深度约为10～20 cm，干燥时重约25 kg·m-2，由温度、前24 h降水量、纬度、月份和前一日DC确定，其值可用于评估是否发生地下火、火场清理及火势控制难易程度，无上限。

初始蔓延指标(Initial Spread Index，ISI)，表示林火发生后最初时刻的蔓延速度(m·s-1)，由风速和FFMC计算得出的一个中间指标，它与可燃物林火行为预报系统相结合可预报不同类型林火蔓延速度的大小。

累积指标(Build Up Index，BUI)，表示有利于火势蔓延的全部可燃物，是DMC和DC的组合。可燃物越多导致BUI值越高，火强度越大。因为粗腐殖质层中的可燃物最多，所以DMC对BUI具有重要影响。

林火天气指标(Forest Fire Weather Index,FWI)，以单位火线长度上的能量释放率表示火灾蔓延强度，也反映火险程度，是由初始蔓延指标和累积指标决定的最终指标。

2 FWI系统的校准

FWI系统最初在火灾危险等级方案中实施，火灾危险等级的基础是根据历史火灾天气和火灾发生数据分析得出的FWI系统值与火灾活动之间的相关性。另外，火灾危险等级还必须考虑火灾管理目标，而解释火灾等级主要取决于火灾风险值和可用的火灾管理资源或工具。

FWI系统的设计初衷是为了预防加拿大北美短叶松与扭叶松发生火灾。但是不同地区发生火灾的原理相同，如：不同地区火灾中可燃物按照相同的物理原理获取和损失水分；不同地区火灾发生时对可燃物、天气与地形能够做出相同的反应[11]，因此世界各地不同的生态系统均可将FWI系统中的3个可燃物水分代码作为可燃物湿度的相关指标。这使得FWI已经成为全球最常用的火灾天气等级系统，一些国家已全部或部分实施了FWI系统，包括北美(美国)、南美(如智利、墨西哥)、欧洲(如俄罗斯)、大洋洲等。火灾管理部门利用可燃物湿度和火灾行为指数来估计每天的火灾发生情况、潜在的火灾行为以及区域的灭火难度，同时协助向火灾高发区部署灭火资源[19]，这些经验有助于将火灾危险等级知识从一个环境应用到另一个环境中。各地区的气候、可燃物类型、火灾状况以及火灾管理活动不同，因此很多国家在使用FWI系统时需要校准，表1为FWI系统的校准方法及其校准效果。

表 2 FWI的校准及校准效果Table 2 Calibration and calibration effects of FWI

3 FWI系统的应用

FWI作为全球最常用的火灾天气等级系统，其应用和研究区域较为广泛，图1为FWI系统在世界的应用与研究区域。

图 1 FWI系统在世界的应用与研究区域示意 Figure 1 Application and research of FWI system in the world

3.1 北美地区

许多研究将FWI系统组件与加拿大境内每天、每月和每年的火灾发生率和燃烧面积相联系[32-33]。例如，Anderson[32]发现，一个包含FWI系统值和雷击次数的模型正确地预测了加拿大萨斯喀彻温省在5年内因雷击引发的火灾次数的56%，正确预测了90%的低风险火灾天数。Waddington[34]发现DMC和DC可以预测北方泥炭地的总体水分状态和火灾危险。

FWI的输出被用于许多研究中，如开发火灾发生的模型、林冠烧焦高度和树木死亡率模型、地面燃烧的厚度(火灾期间森林地面的消耗量模型)、预测雷击着火概率以及加拿大各地区的燃烧面积，该系统还为研究气候变化对加拿大森林火灾的影响奠定了基础，目前也在加拿大森林年度碳预算中用于估算火灾造成的碳损失[13]。

美国阿拉斯加野外火灾研究团队在1990年[35]也因为阿拉斯加州和加拿大北部的可燃物类型相似而采用了FWI系统。自此，美国北部的其他州也开始采用这个系统，Abatzoglou[36]和Piyush Jain[37]分别对美国西部8个区域和北美大陆的火灾天气和火灾危险进行了评估，Piyush Jain发现北美大部分地区的火灾季节长度在增加。尽管美国与加拿大的环境相似，但FWI系统没有考虑到纬度因素，如日照时间和永久冻土，因此Wilmore[29]和Jandt[38]研究了永久冻土对DMC和DC在湿润过程和干燥过程中的影响，他们认为可以利用自动化电子设备(如频域反射计FDR)估计苔藓和草皮的水分。

3.2 南美地区

在阿根廷，国家消防管理部门于2000年开始在3个试点地区使用FWI系统，发现FWI系统可以准确地代表整个阿根廷在不同生态系统中的火灾。Sigfrido将FWI添加到他们设计的森林火灾可视化模拟器中，以表格的形式显示FWI值和用彩色地图显示火灾风险，还能在气象数据更新时计算FWI值，方便消防队员监测区域的火灾风险，并有望用于火灾管理、培训和交流[39]。Patrícia在巴西塞拉多使用FWI系统对火灾气象等级进行评估，获得的结果证实了FWI系统在模拟全球火灾情况中的通用性[40]。然而，Bianchi认为阿根廷的可燃物类型和加拿大具有较大区别，FWI系统的输出值仍然需要校准，以更好地显示火灾风险，应用Logistic回归模型计算各季节的FFMC，并与实测的MC进行相关分析。结合点火试验和回归结果，提出了用于评估巴塔哥尼亚森林的火灾危险的FFMC分类[25]。

3.3 大洋洲地区

新西兰[41]和斐济[42]分别在1980年和1988年采用了FWI系统用于评估人工松树林的火灾危险。新西兰采用FWI系统的部分原因是该系统简单，气候和地形条件与加拿大不列颠哥伦比亚省相似，并且存在与FWI系统相关联的决策辅助工具[11]。新西兰在应用过程中，除了改变日照长度对低纬度地区的影响外，由于缺乏技术转让以及研究FWI系统如何适应当地环境的工作，因此该系统没有得到很好的利用[43]。直到1992年启动了一项火灾研究计划和技术转让方案以解决这些问题，例如在具有不同的气候和植被环境的地区中应用该系统时，提出了两种改进新西兰FWI系统干旱编码DC的方法，第一种方法(PotE)采用了一个潜在蒸发方案，考虑风速、地表空气稳定性和水汽混合比梯度。第二种方法(soilM)通过观测土壤水分计算得出DC，此时DC代表土壤的实际情况[26]。

3.4 欧洲地区

在欧洲，FWI系统经过校准，以描述不同的火灾活动。例如Catedrático[22]根据每个地区的FWI统计数据与每天的火灾数量和燃烧面积来校准火险等级。DaCamara采用的方法是综合使用欧洲气象中心提供的气象条件，2000年全球土地覆盖(GLC2000)的植被覆盖情况以及卫星上的SEVIRI仪器探测到的火灾持续时间进行校准。该方法与现有方法的主要区别在于，它充分利用了SEVIRI的时间分辨率，每15 min检测一次火灾事件，且基于卫星数据具有空间和时间上更加一致的优势，这些用来记录每天火灾持续时间的数据，对于校准气象因素和确定火灾危险等级至关重要[31]。

另外，研究证明FWI系统特别适合作为欧洲的火险等级系统[10,44-45]，Carvalho[44]发现葡萄牙每月80%以上火灾燃烧面积和63%的火灾次数变化可以通过FWI解释。Fox[45]发现法国东南部的99次火灾中有73%发生在FWI值≥90的周内，97%的燃烧面积发生在平均FWI值≥90的周内。因此FWI在欧洲已用于在不同时空尺度上研究FWI和火灾活动(火灾次数、燃烧面积)的关系或模拟火灾活动，并评估大型火灾的可能性、特征以及火灾排放量[10]。

3.5 东南亚地区

东南亚地区为了校准FWI以适应东南亚的火灾环境和火灾问题进行了许多研究，通过调整日照时数或每日可燃物干燥时间，直接校准到赤道地区，再进一步对FWI的3个组件进行校准，以提供泥炭火灾造成严重雾霾事件的预警(使用DC指数)、大量火灾的潜在预警(使用FFMC指数)和草原火灾蔓延的潜在预警(使用ISI指数)。在草地上，火灾强度只能使用ISI估计，但需使用FBP系统和东南亚的标准可燃物参数，将ISI校准为草地火灾控制指标[27]。

3.6 FWI系统在中国的应用及建议

中国在20世纪80年代首次引入FWI系统，1984—1991年中国和加拿大安大略省项目组在中国大兴安岭地区实施了加达格奇项目，提高了当地保护森林资源的能力以及为FWI系统应用于中国其他地区起到了示范作用[46]。虽然FWI系统在引入中国东北林区后没有得到广泛应用，但一些学者对FWI系统在中国的适用性做了相关研究，对该系统的相关参数和计算方法进行修正，或是根据当地情况划分森林火险等级之后在中国使用[18,20-21,28,47]，在大兴安岭地区、云南省、福建省甚至可以直接应用[48-52]，图2为FWI系统在中国的应用和研究区域。在中国，FWI系统主要应用于讨论火灾发生次数、过火面积以及受灾森林面积与火行为各指标的关系[18,20,47,49,51,53]；预测火灾发生可能性[21,50]；3个湿度码与实际含水率的关系[47]。此外，于建龙等人在改进FWI系统的计算方法后，计算大兴安岭地区1966—2006年雷击火的火险天气指数，并划分其火险天气等级[28]。

图 2 FWI系统在中国的应用与研究区域示意 Figure 2 Application and research of FWI system in China

由于中国森林生态类型复杂，王明玉[54]在研究FWI在中国的适用性时发现,FWI适合在云南、黑龙江、内蒙古自治区、吉林、四川、新疆和山西应用，这些省份大部分与加拿大的森林系统较为类似。赵凤君在研究云南省森林火险变化时发现林火数据(林火数量、过火面积和受害森林面积)与火险天气指数显著相关，比较不同火险期火险状况时，DMC的火险期平均值和火险期严峻度可作为良好的指标[51]。但湖南、浙江、江西、福建、湖北、安徽以及江苏等省的火灾发生次数与FWI相关性和趋势性均较差。中国消防管理部门和机构应致力于火灾研究，以对FWI系统进行校准，使其适应当地的环境。

中国地形复杂多样，山地多，而坡度、坡向和坡位会影响林火行为，其中坡度和坡向影响林火蔓延速度，坡向还影响林火的蔓延方向[55]。CFFDRS中的另一个子系统加拿大林火行为预报系统中加入了坡度、上坡方向等地形因素，中国在应用FWI系统时也应考虑地形对林火行为的影响，增加地形、海拔等因素。林朝钦[56]指出目前世界上使用的大多数火险评级系统都没有很好地考虑火灾发生的人为因素，加拿大的一些省份已开发人为和闪电引发火灾的预测系统，而中国人为活动剧烈，因此在应用FWI系统时应加入人为和雷电引起的火灾预测系统。

FWI系统以时滞-平衡含水率理论为基础，将可燃物含水率与火险大小有机地结合在一起，跟踪不同干燥速率下的3层森林可燃物的日変化，对于火灾的发生、蔓延和控制难度至关重要，因为FWI系统只需要温度、相对湿度、风速和24 h降水量的参数，因此可以结合实时的气象数据进行火险等级计算，并及时发布预报。中国在应用FWI系统时一方面应修正该系统的相关参数及计算方法，另一方面可根据本国不同地区的实际情况划分森林火险等级，使之适应本国的实际情况。另外中国地形复杂多样、山地多和人为活动强烈，这些因素均会影响林火行为，因此在应用FWI系统时也应考虑地形、海拔、人为和闪电等因素。