2010—2020年衡阳NOAA监测火点时空分布特征分析

旷煜菲， 彭双姿， 汪文龙， 苏勇， 许笛， 闫峰

(1.湖南省衡阳市气象局，湖南 衡阳 421001；2.湖南省衡东县气象局，湖南 衡阳 421400； 3.湖南省常宁市气象局，湖南 衡阳 421500)

火灾是一种极具破坏性的全球性灾害。研究表明，全球年均过火面积在3×107hm2以上[1-3]，年均发生森林火灾的次数20余万次[4]，森林火灾造成直接经济损失大，造成的间接损失更大，不仅造成森林损失，生物质燃烧威胁人类生命安全，也破坏碳循环，影响生态系统平衡，导致全球气候变暖[5]，极端天气增多。我国森林资源日益增长，已进入森林火灾易发期和高危期[6]，在这种趋势之下，森林防火工作越发重要，工作任务也越来越重。

对历史监测火点、火源进行时空分布特征分析，有利于更好地发挥本地森林防火气象服务，进一步强化防灾减灾工作，对预防森林火灾的发生、减少火灾损失和保护森林生态系统具有非常重要的意义。遥感监测在森林火灾监测工作中发挥着重要作用，国内许多学者基于各种卫星遥感监测的火点数据，对本地区林火时空变化特征进行了研究[7-14]，常用的遥感数据有MODIS与NOAA系列卫星数据等，多源卫星遥感数据联合使用，有利于满足全球火灾监测等需求[15-16]。虽然现在遥感数据监测手段很先进，分辨率也很高，但陈兴峰等[15]认为火点遥感用于发现火灾仍需要与地面监测等手段联合使用。

对于湖南省的历史火点及灾情统计情况，孙玉荣等通过基尼系数、市场集中度指标，对湖南2001—2008年各市州森林火灾灾情的区域分异特征进行研究，研究表明衡阳市森林资源丰富，为全省森林火灾灾情较为严重的区域[17]。阙华斐等[11]指出衡阳南部为林火热点集中区域，王双等[18]基于空间logistic对湖南省森林火灾进行了风险评价，得出衡阳市为极高森林火险等级与高森林火险等级的主要分布地区，而对于衡阳地区森林火灾变化趋势和火点分布趋势的相关研究甚少。研究以衡阳市为研究对象，基于NOAA系列卫星遥感监测，经过地面监测等途径核查后的火点数据，利用数据统计、Mann-Kandell趋势检验、反距离权重插值等方法，对衡阳2010—2020年卫星遥感火点监测数据的时空分布等特征进行详细分析。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

图1为衡阳市地理信息示意图。衡阳市位于湖南省中南部，湘江中游，衡山之南，构成典型的盆地地势。衡阳城区横跨湘江，境内流域面积在3×105hm2以上，湘江一级支流有舂陵水、蒸水、耒水、洣水。衡阳市辖南岳区、珠晖区、雁峰区、石鼓区、蒸湘区、常宁市、耒阳市、衡南县、衡阳县、衡山县、衡东县、祁东县。北靠娄底和湘潭市，东临株洲市，西毗永州市，南接郴州市，地处110°32′16″—113°16′32″E，26°07′05″—27°28′02″N，属亚热带季风气候。冬季偏暖，春季气温偏高，入春后降水较集中，年平均降水量约1 500 mm，下半年夏秋季节雨水充沛，比较凉爽，雨季结束不明显。湖南省植被类型以亚热带常绿阔叶乔木林为主[19]，截止2020年底，湖南省森林覆盖率达到59.96%，活力木蓄积量达到6.18×108m3[20]。其中衡阳市国土面积1 530 278.0 hm2，林地面积777 428.5 hm2[21]。

图1 衡阳市地理信息示意图Figure 1 Geographic information schematic diagram of Hengyang City

1.2 数据来源与研究方法

目前用于我国森林火灾监测的主要是美国的NOAA系列卫星，还有我国的风云系列卫星和美国的EOS卫星[22]。NOAA系列卫星很适合林火监测，星下点分辨率约1 km2，时效性高，对同一地区的覆盖频率达每天4次以上，携带的AVHRR扫描辐射计第3通道对高温热源非常敏感[23]，对温度分辨率很强，能分辨0.1 hm2大小的火点。研究中使用的卫星遥感监测资料由衡阳市林业局提供，其中多数来源为NOAA系列卫星，少量为风云系列气象卫星遥感数据，本文用到的所有火点数据已经过人工核查反馈等地面监测途径进行确认。

采用数据统计方法，按年、月、季节分析衡阳市在不同时间尺度的卫星监测火点分布规律，采用Mann-Kandell趋势法进行显著性检验[24]，Mann-Kandell趋势检验法是一种非参数统计检验方法，该方法不需要遵循一定分布，不受少量异常值干扰，更适用于时间序列变化的数据趋势检验[25]。利用反距离加权插值法，按县市分析了卫星监测火点的空间分布特征。反距离加权插值法假定每个测量点都有一种局部影响，而这种影响会随着距离的增大而减小。

2 火点时空分布特征

2.1 年际变化

图2为2010—2020年衡阳市卫星监测火点个数年变化，可以看出，2010—2020年监测火点个数整体呈下降趋势(如图2)，但在2013—2015年年际波动较大，2013—2014年火点个数大幅增长，在2015年以后由于人为管控大幅下降，2015年之后火点维持在较少且稳定的水平。运用Mann-Kandell趋势显著性检验分析2010—2020年火点时间变化，结果表明，衡阳市火点个数呈显著下降趋势，并且通过了0.05的显著性检验。结论与阙华斐等[11]研究结果一致。

2010—2020年平均监测到火点114个，其中2014年监测到火点总个数最多，为286个，其次为2013年，监测到火点204个，2010—2014年监测到的火点个数较多，平均每年监测到火点195个，2015—2020年发生火点个数大幅下降，减少到平均每年只有46个，其中2020年监测火点个数最少，只有21个。

图2 2010—2020年火点个数年变化Figure 2 Annual change of fire spots in 2010—2020

2.2 月变化

表1为2010—2020年火点月频数逐年统计。近11年来，12月—4月卫星监测火点发生频数较高，共监测到火点1 009个，约占总数的80.70%，其中最高的为2月311个，其次为1月和3月，分别为249个、184个，为林火预防、扑救的重点时段。火点发生频数最少的为6月，5—7月火点发生频数少，5—7月11年来共监测到火点12个，仅占总数的0.90%，该时段为衡阳地区强降水集中期，十年平均雨量5月、6月最高。8—11月11年来共监测到火点230个，约占总数的18.40%。2014年1月监测火点频数最高为183个，其次为2011年2月66个、2010年2月61个。2014年、2015年的1月为火点监测频数最高的月份，2010年、2011年、2016年、2018年、2020年火点监测频数最高的月份为2月。从图3(a)多年累计火点的月变化可看出，发生火点的月份集中，具有明显的差异性，1—4月、8—12月为火点发生集中月份，5—7月火点发生概率低。

表1 2010—2020年火点月频数逐年统计(单位：个)Table 1 Statistics of monthly frequency of fire spots annually from 2010 to 2020 (Unit:Individual)

2.3 季节变化

根据气象学的季节划分，12月—2月为冬季，3月—5月为春季，6月—8月为夏季，9月—11月为秋季。由图3(b)多年平均火点个数季节变化可以看出，衡阳地区火点季节变化十分明显。冬季和春季为发生火点个数较多的季节，冬季2010—2020年平均监测火点个数为73个，占总数的58.11%，春季平均火点个数为29个，占总数的23.02%。夏季和秋季较低，其中夏季最低，平均火点个数为7个，仅占总数的5.60%，秋季平均火点个数为17个，占总数的13.27%。由2000—2017年湖南省四季NDVI变化研究可知，冬季部分植被进入落叶期，夏季降水充沛，温度较高，植被生长较快，夏季植被处于生长最旺盛时期[19]。衡阳地区夏季降雨集中，植被和土壤含水量高，枯枝落叶少，火点发生的概率较低。

从2010—2019年逐日累计火点个数来看(图4)，监测火点集中在1月中旬至2月，均有较多火点发生，1月31日监测到54个火点，另一个较高的峰值在3月下旬到4月上旬(清明节前后)，4月3日监测到37个火点。秋季呈明显减少趋势，10月26日累计火点个数为19个。在夏季监测到的火点个数明显减少，为十年累计火点个数最低，夏季累计最高的火点个数出现在8月6日(10个)。

图3 2010—2020年火点个数月变化(a)与季节变化(b)Figure 3 Monthly changes of fire spots (a) and seasonal Changes (b) from 2010 to 2020

图4 2010—2019年逐日累计火点个数分布Figure 4 Daily distribution of cumulative number of fire spots from 2010 to 2019

2.4 空间分布

表2为2010—2020年衡阳各县市区逐月火点频数统计，由表可知，2010—2020年耒阳市为火点发生频次最高的县，卫星共监测到火点446个，占全市总数的35.65%，耒阳市火点发生时间主要集中在12月—2月；其次为常宁市，共出现298个，占全市的23.82%，火点出现时间主要集中在12月—3月；衡东县、衡阳县、祁东县火点发生频次较高，这三县火点出现时间集中在1月—3月，衡南县、衡山县、衡阳市区火点发生频次较低，南岳区近11年没有监测到火点。市区森林、草原面积极小，南岳区面积小，且林区主要处在衡山4A景区内，所以市区和南岳区发生火点概率低，除了市区与南岳区外，衡山县是火点发生频次最低的县，仅占全市的1.60%，衡山县火点出现频次最高的月份为1月。用反距离权重插值进行分析，得出2010—2020年全市火点发生频次空间分布(图5)，总体来看，全市火点个数分布不均，发生火点频次最高的为耒阳市，其次为常宁市，频次最低为南岳区和市区，总体呈现南高北低的特征，衡阳地区火点发生频次南部高于北部，东部高于西部，中部及偏北一带发生频次最低。对比阙华斐等进行的时空热点分析模型研究，衡阳南部为持续或连续热点[11]，故耒阳市、常宁市在每年火点频发时段(12月至次年3月)需高度关注。

表2 2010—2020年衡阳各县市区逐月火点频数统计(单位：个)Table 2 Monthly fire frequency statistics in each county of Hengyang City from 2010 to 2020 (Unit:Individual)

图5 2010—2020年衡阳火点频次空间分布Figure 5 Spatial distribution of fire spot frequency in Hengyang from 2010 to 2020

3 火源分布特征

表3为2010—2020年衡阳市火源种类逐月统计，图6为衡阳市火源种类及比例饼状图。衡阳市火源种类主要分为林火、荒火、炼山、农用火、灌木火及其他，其中荒火是主要火源，所占比例为41.09%(图6)，主要发生在耒阳市、衡东县、常宁市等地，衡南县、衡山县、市区、南岳区发生较少，荒火主要发生的月份为1月—3月，说明在该时段需严格管控火源，加强火点监测；其次发生较多的火源种类为炼山，比例为21.50%，多发生在耒阳市、常宁市，炼山主要发生在12月—2月，炼山是人为火源，火险等级高时加强防火宣传可以有效减少该火源发生频率。农用火所占比例为10.63%，常宁市发生的频次最多，其次为耒阳市、衡南县，多发于2月，其次为12月、3月、1月，农用火如秸秆焚烧，焚烧时间一般集中在晚冬和初春。林火与灌木火为种类比例最少火源，比例分别为2.32%、3.12%。

表3 2010—2020年火源种类逐月统计(单位：个)Table 3 The type of fire source monthly statistics from 2010 to 2020 (Unit:Individual)

图6 衡阳市火源种类及比例Figure 6 Types and proportion of fire sources in Hengyang City

4 结论与讨论

4.1 结论

根据对2010—2020年衡阳市NOAA系列及风云系列气象卫星监测火点数据进行统计分析，得到近11年衡阳市卫星监测火点与火源的时空分布特征：

(1)在α=0.05显著水平下，2010—2020年监测火点个数呈现明显下降趋势，2013—2014年呈上升趋势，2015年以后加强人为管控措施，火点个数大幅下降。

(2)12月—4月卫星监测火点发生频数高，占总数的80.70%，其中2月、1月、3月火点发生频数最高，为林火预防、扑救的重点时段，5—7月为火点发生频数最少的三个月，仅占总数的0.90%，每年的1—4月、8—12月为火点发生集中月份。

(3)从季节分布来看，冬季火点个数最多，监测火点集中在1月中旬至2月，其次为春季，峰值在3月下旬到4月上旬(清明节前后)，夏季和秋季监测火点个数较少，其中夏季最低，仅占总数的5.60%。

(4)从空间分布来看，发生火点频次最高的县市为耒阳市，其次为常宁市，频次最低为南岳区和衡阳市区，总体呈现南高北低的特征，衡阳地区火点发生频次南部高于北部，东部高于西部，中部及偏北一带发生频次最低。

(5)荒火为主要火源种类，发生月份主要为1月—3月，耒阳市、衡东县、常宁市等地多发，其次为炼山、农用火，炼山多发生在耒阳市、常宁市，农用火常宁市发生频次最高。

4.2 讨论

(1)近年来为预防森林火灾发生，林业与应急管理部门出台相关政策，加强人为管控力度，从火点趋势可以看出防灾减灾效果十分显著。常宁市、耒阳市、衡南县均以农业产业为主，加之这些县区行政区域面积较大，火点出现频率较高，在火险等级较高时，应加强对三地森林防火工作，特别是防火宣传以及对农、林业的火源管控措施。冬、春季枯枝落叶积累较多，火灾易蔓延，夏季植被生长速度快，植被、土壤水分含量高，由于衡阳地区气候条件，雨水集中在夏季，夏季森林火灾风险低。在冬、春季火点的高发时段(12月—3月)，包括清明节前后，相关部门应加强火源管控、火点监测，加强上下部门联动，及时发现，及时扑救，日常工作应多进行防火宣传，提高大众防火意识。

(2)目前衡阳市森林防灭火工作相关部门采用NOAA系列卫星数据，本文基于从林业及应急管理部门获取的系列卫星资料分析，从实际业务工作出发，总结了火点时空分布特征及原因分析，缺点是遥感资料较为单一，现在卫星遥感资料多样且应用广泛，下一步可结合多源卫星火点数据、承灾体信息及实际过火面积等灾情信息，分析衡阳市森林火险风险区划，进一步加大森林火灾的防范力度。