柳州市高森林火险气象条件及等级预报研究

李宜爽　刘蕾　吴镇疆　张凌云　蓝柳茹　邹颖俊

摘要 利用柳州市7个国家气象站1987—2017年逐日气象资料和同期的NECP/NCAR逐月再分析资料，以及柳州市2010—2018年的林火资料，分析了柳州市高森林火险的大气环流和气象条件特征。结果表明：春季高森林火险年东亚大槽较常年同期偏弱，我国中西部地区位势高度偏高，冬季高森林火险年乌拉尔山以西部地区位势高度偏高，低纬地区为平直的西风气流控制，气流在长江流域汇合，广西维持高温少雨是森林火险高的环流背景;当降水在0.2 mm以下（或无降水）、日最大风速在3.0～4.0 m/s、日最高气温在24℃～28℃、日最小相对湿度在20%～40%时，柳州极易发生火灾;经过柳州市本地化后的行标较国标更能客观地反映柳州森林火险气象条件的危险程度，可业务应用。

关键词 大气环流特征;气象条件分析;森林火险气象等级

中图分类号：S762.1 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）02–0074–05

森林火灾的发生是多种因素同时作用的结果，大量研究表明气象条件是最主要的因素，其不仅影响森林中可燃物的易燃性，还直接决定火灾的蔓延和传播[1-5]。我国从20世纪50年代开始研究森林火险气象指数，牛若芸[6-7]利用全国575个国家气象站近34年的气象观测资料，计算我国长序列的历史逐日森林火险气象指数，并对指数的实际效果进行了对比研究，发现森林火险指数（FFDI）适用于我国大部分地区，且总体效果好 。全国不同区域也根据当地的气候特征，不断优化与火险等级预报相关的温度、湿度和风速等气象因子，建立适合本地区的预报模型与方法，累计已有10多种[8-18]。关于广西森林火险的研究，也取得了一些成果：杨望月等[19]1993年基于统计方法建立了分季节（月）、分地区的广西五大区域的短中期森林火险等级预报;2016年，熊文兵等[20]利用GIS技术、结合卫星遥感产品和中尺度气象站监测数据等开发了森林火险等级监测预测系统，有效地支撑了林业气象服务工作开展。

柳州地处桂中北部，森林面积有12 080 km2，森林覆盖率达64.9%，森林防火压力大，发生的火灾严重影响了全市社会经济发展和市民身体健康和生命安全。但相关研究没有开展，为此开展针对柳州市高森林火险气象条件的分析和预报，提高气象服务精细化水平十分必要。

1 资料和方法

研究资料为柳州市7个国家气象站1987—2017年逐日降水、日最高气温、日最低气温、日最小相对湿度和日最大风速等气象资料，同期NECP/NCAR逐月再分析资料，以及柳州市森林防火指挥部提供的2010—2018年林火资料。

研究方法是利用综合了多种气候因子的森林火险环境气象指数遴选高森林火险年，并与林火数据对比检验指数遴选结果的适用性，然后分析大气环流和气象条件特征，并在此基础上参照中国气象局2007年发布实施的《森林火险气象等级（QX/T 77—2007）》行业标准（以下简称行标）、中国国家标准管理委员会在2019年实施的《森林火险气象等级（GB/T 36743—2018）》国家标准（以下简称国标）分别建立了森林火险气象等级行标和国标预报系统[21-22]。

2 柳州市高森林火险环流特征

一些重大的森林火灾通常都发生在长期干旱的气候背景下，气候背景主要受多年的月平均温度、月降水量和月平均相对湿度等因子影响。参考刘刈等[23]建立的森林火险气象指数定义方法，定义柳州市森林火险环境气象指数F为：

F=2+T-R-f

公式中，T为月平均气温，R为月降水量，f为月平均相对湿度，其中T、R、f均经过了标准化处理。F值越高，森林火灾发生概率越高，反之亦然。

逐年计算柳州市1987—2017年春季和冬季F指数，并根据其大小分别确定了春季6个高森林火险年份（F≥5.00）和6個低森林火险年份（F≤1.50），冬季12个高森林火险年份（F≥6.00）和6个低森林火险年份（F≤3.00），具体见表1。

2010—2018年，柳州市共发生森林火灾256次，年均28.4次。冬季和春季是柳州市森林火灾集中期，占全年林火的81.6%。根据2010—2018年柳州市春、冬季森林火灾频数发现：春季2013年发生的火灾是22次，为近9年最多，其次是2010年20次，2011年9次，2014年、2016年春季则无火灾发生;而冬季则是2017年最多，为33次，其次是2014年30次，2011年14次，2015年冬季无火灾发生。这与F指数遴选的高（低）森林火险年份是对应的，两者相关性较高，说明F指数是合理的。

2.1 春季高森林火险的大气环流特征

利用合成分析法分析了柳州市春季和冬季高森林火险年的平均大气环流特征，气候平均场取1988—2017年NECP/NCAR逐月再分析资料。

由春季高森林火险年500 hPa平均高度场及距平场（阴影）图可见，春季高森林火险年中高纬呈一槽一脊型，中亚地区受宽广的高压脊控制，亚洲大陆东部—日本海一带为低槽区;低纬地区气流较为平直，副高呈带状分布位于15°N左右的海上（图1a）。对应距平场，我国东北到日本的40°N～70°N大部地区为负距平，说明东亚大槽较常年同期偏弱20 gpm，我国中西部地区的新疆，西藏到云贵高原一带为正距平，说明高度场偏高，这种环流配置形势说明春季高森林火险年的西北气流较气候平均态强。700 hPa平均流场进一步证实了在大陆高压脊的影响下，我国大部地区为西北气流控制，柳州市正好位于偏北气流中，天气晴好，气温高，水汽条件差，林区植被干燥，极易引发森林火灾（图1b）。

2.2 冬季典型高森林火险的大气环流特征

从冬季高森林火险年情况可以看到，冬季高森林火险年中高纬也呈一槽一脊型，贝加尔湖以西为宽广的高压脊控制，贝加尔湖到日本海一带为低槽区;低纬地区气流较为平直，副高范围较春季明显缩小，且位于菲律宾以东的洋面上（图2a）。对应的距平图上，冬季高森林火险年东亚大槽较常年同期偏弱8 gpm;乌拉尔山以西地区为强度达24 gpm的正距平区，我国大部地区主要处于宽广脊前西北气流控制。700 hPa合成场上可见，中高纬地区为范围宽广的气旋环流控制，柳州市虽然位于华南东部反气旋环流后侧的偏南气流中，但辐合区主要位于长江流域一带，亦维持高温少雨的天气形势，从而导致林区植被干燥，极易引发森林火灾（图2b）。

3 气象条件特征

基于F指数与林火频数的相关性，着重分析2010—2018年林火发生时期的气温、相对湿度、降水和风速等气象条件特征，以便更好地表述森林火险与气象条件的关系，为预报模型的建立提供参考。

3.1 降水量

降水量直接决定森林中可燃物含水量。降水量越少，森林中的可燃物含水量越低，发生火灾的可能性也就越低。统计发现，2010—2018年柳州市各县（区）发生的256次火灾中有222次（87%）对应的降雨在0.2 mm以下（或无降水）。可见，降水量严重偏少导致森林内可燃物含水量下降，加上用火管理不善导致火灾发生频率增大。

3.2 风速、气温和相对湿度

除了降水，风速、环境气温和相对湿度也是影响森林火灾的重要因子。分析2010—2018年期间柳州市林火频率与日最大风速、日最高气温、日最小相对湿度之间的关系图发现：日最大风速<1.0 m/s，没有森林火灾发生;风速>1.0 m/s开始有林火发生;风速>2.0 m/s森林火灾频率明显增高，而森林火灾发生频率最高的是日最大风速在3.0～4.0 m/s，达29.7%;但日最大风速>13.0 m/s，则无林火发生;风速增大，但林火发生率下降，这似乎与“风高火更急”的常理相悖，为此进一步分析发现大风出现前期或当天都伴有降雨，因此可能降水因素作用更大，加上个例资料有限，导致大风与高火险相关不显著。

对于日最高气温，當日最高气温在10℃以下时，森林火灾发生概率很小，仅为0.4%。日最高气温在10℃以上时林火发生概率增大，当日最高气温在16℃～32℃时，森林火灾发生概率为83.9%，其中概率最高的是日最高气温在24℃～28℃，达27.3%。而当日最高气温达36℃以上，森林火灾发生概率下降至1.2%。气温升高反而林火概率下降的原因，跟风速类似，可能是其他因素作用更大。

对于最小相对湿度，日最小相对湿度在20%～40%时极易发生火灾，火灾频率在41.8%，日最小相对湿度>60%时，火灾频率较低，不容易发生火灾。可见，相对湿度与森林火灾的相关性十分显著，当日最小相对湿度<60%时，柳州地区极易发生火灾。

4 森林火险气象等级预报系统的建立及运用情况

为了更好地为森林火险气象等级预报提供技术支撑，参照行标和国标分别建立了森林火险气象等级行标和国标预报系统。行标是选取标准中的12个气象因子作为柳州市森林火险预报的影响因子，利用标准提供的计算公式计算各个因子的森林火险贡献度模型，得出柳州市森林火险气象指数FFDI和对应的森林火险气象等级FFDR对照表。然后以乡镇预报报文和CIMISS实况为基础预报数据，利用单因子贡献度数学模型和FFDI分级指标，计算各时效FFDI和FFDR，制作柳州市各县（区）未来24 h的森林火险气象等级预报（图3）。国标是根据降水、积雪、气温、湿度、风向和风速等气象条件对森林火灾易燃和易蔓延的影响程度划分气象影响等级，其森林火险气象等级的划分及其相关气象要素的函数值查对表均已在标准中给出，系统只需读取预报报文的相关气象要素根据标准做简单计算即可（图4）。行标和国标系统在2019年编制完成，根据这2个系统近2年的业务运行发现经过本地化计算的行标比国标更加符合柳州本地形势。下面以近期的一次森林火险气象条件预报为例进行分析说明。

2021年11月25日，柳州转为槽后偏北气流影响，地面为冷高压控制，700 hPa以下相对湿度较低，预报未来7 d柳州市为多云到晴的天气。长时间天气晴好，空气干燥且温度较高，气象条件十分有利于林火的发生。根据2021年11月28日行标和国标预报的未来24 h森林火险气象等级预报图，可以看到行标预报未来24 h柳州各乡镇的森林火险气象等级为3～5级，提示柳州有较高的森林火险，局部乡镇的森林火险气象等级为极高（图5）。国标森林火险气象等级未来24 h预报为1～3级，个别乡镇4级。国标的预报量级大部地区比行标要低1～2级。这是不太符合柳州市实际情况，分析其原因：（1）行标的气象等级划分是根据当地的火险情况，以及12个气象因子气候特征计算所得，体现了本地化特征;国标直接分区域给出森林火险指数及其相应等级判别标准，判断范围较为广泛（比如整个华南地区是同一判断标准）。（2）2个标准森林火险气象等级的计算方法和所用的气象因子不同，行标是用12个气象因子计算贡献度，国标则是用4个气象因子计算贡献度。（3）国标涉及连续无降雨日和是否干旱的判断。在天气有微量降雨时，连续无降雨日即会中止，这在一定程度上影响了FFDI的计算。

5 结论

在分析柳州市高森林火险年环境特征以及与森林火险的密切相关气象条件的基础上，编制了基于行标和国标的森林火险气象等级预报系统，并在业务运行中对比了两个标准的森林火险气象等级预报。主要结论如下。

（1）2010—2018年，柳州市共发生森林火灾256次，年均28.4次。冬季和春季是柳州市森林火灾的高发期。

（2）春季高森林火险年东亚大槽较常年同期偏低20 gpm，我国中西部地区为位势高度偏高，柳州市及其上游地区主要受脊前西北气流影响，天气较好，气温高，水汽条件差;冬季高森林火险年乌拉尔山以西地区为强度达24 gpm的正距平区，低纬地区为平直的西风气流控制，柳州市上空的偏南气流在长江流域一带汇合，不易成云致雨，持续气温高，林区植被蒸发大，极易引发森林火灾。

（3）当降水在0.2 mm以下（或无降水）、日最大风速在3.0～4.0 m/s、日最高气温在24℃～28℃和日最小相对湿度在20%～40%时柳州极易发生火灾。

（4）经过柳州市本地化后的行标较国标更能客观地反映森林火险气象条件的危险程度，可应用于相关业务上。

另外森林火险预报是一项繁杂的综合性研究工作，影响森林火险预报的因素除了气象因子以外，还有可燃物、地形和火源等因子，今后将开展基于气象、森林可燃物等因子的综合林火预报方法研究，继续完善预报系统的开发和维护工作，为柳州市森林火险气象等级预报提供有力的技术支撑与客观参考。

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责任编辑：黄艳飞

Meteorological Conditions of Forest Fire Danger and Analysis on Weather Ratings Forecast in Liuzhou

LI Yishuang et al（ Liuzhou Meteorological Bureau， Liuzhou， Guangxi 545001）

Abstract Based on the daily meteorological data at 7 national weather station in Liuzhou during 1987-2017， the homochronous monthly reanalysis data from NECP/NCAR and forest fire data from the headquarter of Liuzhou forest fire prevention during 2010-2018， the variation characteristics of forest fire was investigated by defining the meteorological environment index of the forest fire danger. And on this basis the atmospheric circulation features of the typical years with high forest fire danger were analyzed further in spring and winter， combined with the typical case， the correlativity of meteorological elements and forest fire insurance was studied. The results displayed that： the east asia deep trough of the 500 hPa geopotential height field in typical years of high forest fire danger in spring was negative， and that was positive in central and western of china. In winter， circulation pattern of the 500 hPa geopotential height anomaly field in typical years of high forest fire danger was positive in the western region of Ural Mountains， the low-latitude area was controlled by the horizontal westerly airflow， Thus the cold air was accumulated in the middle and high latitudes， which resulted in the location of the main frontal zone of weather system to northward; There was very prone to fire when the precipitation was below 0.2 mm， no precipitation）， the daily maximum wind speed was between 3 and 4 m/s， the daily maximum temperature was between 24℃ and 28℃ and the daily minimum relative humidity was between 20% and 40%; compared with the national standard， the localized industry standard can objectively reflect the degree of danger of Liuzhou’s forest fire danger meteorological conditions， and can be applied for business.

Key words General circulation of atmosphere characteristics ; Analysis of meteorological conditions; Forest fire-danger weather ratings

基金项目 广西区气象局气象科研计划项目“柳州市森林火险气象等级本地化研究与预报平台开发”（桂气科2019M15）。

作者简介 李宜爽（1991—），女，广西象州人，工程师，主要从事专业气象服务及相关研究。

收稿日期 2021-12-10