李曉煒，趙 剛，于秀波，于 強(qiáng)

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101;2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

火災(zāi)是造成森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機(jī)能長(zhǎng)期波動(dòng)的主要干擾之一。生態(tài)環(huán)境因子對(duì)一個(gè)地區(qū)的火災(zāi)分布特征有決定性的影響［1］。研究人員發(fā)現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境因子與森林火災(zāi)的關(guān)系在不同地區(qū)有不同的表現(xiàn)［2］。

目前有很多統(tǒng)計(jì)方法被用于研究生態(tài)影響因子與火災(zāi)之間的關(guān)系，Peng和Schoenberg將火災(zāi)發(fā)生率與溫度、降雨、可燃物濕度和火災(zāi)歷史進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)前次火災(zāi)距今時(shí)間間隔對(duì)當(dāng)前火災(zāi)發(fā)生與否的影響很大［3］。鑒于Logistic回歸模型基于多變量對(duì)指定事件的預(yù)報(bào)能力，并且模型對(duì)輸入數(shù)據(jù)無(wú)正態(tài)分布的要求［4］，Logistic回歸模型是火險(xiǎn)模擬中應(yīng)用較為廣泛的一種方法［5］。二元Logistic回歸模型被用于分析著火概率與3個(gè)自變量之間的關(guān)系［6］。這類(lèi)方法雖然對(duì)模擬易波動(dòng)的數(shù)據(jù)功能強(qiáng)大，但對(duì)于分析各個(gè)變量對(duì)火災(zāi)影響的強(qiáng)弱差別，卻有其不足之處［7］。近幾年來(lái)，利用無(wú)參數(shù)和半?yún)?shù)Logistic回歸模型，以火災(zāi)影響因子為自變量，火災(zāi)影響因子與火險(xiǎn)概率之間的關(guān)系得到了深入分析［8］。

我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)火災(zāi)研究起步較晚［9］。1987年大興安嶺森林火災(zāi)之后，在1988年，國(guó)家啟動(dòng)了森林防火滅火研究開(kāi)發(fā)基金項(xiàng)目，林火研究工作得到了進(jìn)一步的發(fā)展［10］，在利用衛(wèi)星資料監(jiān)測(cè)提取火點(diǎn)、過(guò)火區(qū)、林火實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或?yàn)?zāi)后損失評(píng)估等方面，已取得了很好的研究成果及應(yīng)用［11］。但是，對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)不同植被氣候區(qū)生態(tài)影響因子和森林火災(zāi)之間的非線性關(guān)系，仍缺少精細(xì)和基礎(chǔ)分析［12］。

雖然人類(lèi)活動(dòng)是森林火災(zāi)的一大成因，但是生態(tài)環(huán)境確是森林火災(zāi)蔓延開(kāi)來(lái)的先決條件和輔助因素，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)火災(zāi)的影響往往是通過(guò)易發(fā)生火災(zāi)的生態(tài)環(huán)境條件而被強(qiáng)化。所以，本研究重點(diǎn)研究和分析導(dǎo)致森林火險(xiǎn)的生態(tài)環(huán)境因素和條件，對(duì)生態(tài)影響因子在不同區(qū)域的火險(xiǎn)預(yù)報(bào)能力進(jìn)行的深入的分析和評(píng)估。

因此，本研究中，在廣義加性Logistic模型中，引入可以反映數(shù)據(jù)時(shí)間性的自變量，并引入描述空間特征的自變量(經(jīng)緯度)和同時(shí)描述時(shí)空特征的自變量(生態(tài)影響因子)，在模型中加入矢量化空間位置變量，應(yīng)用非參數(shù)化濾波方法，來(lái)評(píng)估變量間潛在的非線性關(guān)系，分析了森林火災(zāi)生態(tài)影響因子在中國(guó)四個(gè)不同植被氣候區(qū)(華北落葉闊葉林、東北冷溫帶松林、東南常綠闊葉林、西南熱帶雨林地區(qū))與火險(xiǎn)的非線性關(guān)系，研究和分析導(dǎo)致森林火險(xiǎn)的生態(tài)成因。建立了以最優(yōu)生態(tài)影響因子及時(shí)空變量為自變量的半?yún)?shù)Logistic回歸模型，分析了該模型預(yù)報(bào)火災(zāi)著火及蔓延概率的適用性。本研究為進(jìn)一步分析森林生態(tài)系統(tǒng)與火災(zāi)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系、展開(kāi)生態(tài)系統(tǒng)火災(zāi)干擾研究提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)分布

根據(jù)植被氣候類(lèi)型分類(lèi)系統(tǒng)，本文將中國(guó)主要森林火災(zāi)地區(qū)劃分為四個(gè)區(qū)域:東北冷溫帶松林地區(qū)(西伯利亞冷空氣團(tuán)主導(dǎo)的冷溫帶及寒帶氣候)、華北落葉闊葉林地區(qū)(太平洋季風(fēng)主導(dǎo)的溫帶氣候)、東南常綠闊葉林地區(qū)(東亞季風(fēng)主導(dǎo)的濕潤(rùn)亞熱帶及熱帶氣候)和西南熱帶雨林地區(qū)(印度洋季風(fēng)、東南季風(fēng)主導(dǎo)的熱帶及亞熱帶氣候)(圖1)。

圖1 研究區(qū)分布圖Fig.1 Distribution of study areas and weather stations used for this study

1.2 數(shù)據(jù)收集及處理

本研究應(yīng)用歸一化植被指數(shù)NDVI來(lái)分析各地區(qū)植被覆蓋及生長(zhǎng)狀況對(duì)火險(xiǎn)的影響，每月的環(huán)境數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)由研究單元每天的數(shù)據(jù)計(jì)算而得，并生成兩種數(shù)據(jù)，一種為月平均數(shù)據(jù)，另一種為月最高值數(shù)據(jù)。表1列出了植被指數(shù)、環(huán)境數(shù)據(jù)及火災(zāi)數(shù)據(jù)的來(lái)源及其描述。

1.3 火險(xiǎn)概率模型

本文應(yīng)用3種火險(xiǎn)概率作為森林火險(xiǎn)的量化方法來(lái)進(jìn)行分析:著火概率(p1)、有條件大火蔓延概率(p2)和無(wú)條件大火蔓延概率(p3)。在研究區(qū)域，以1×1經(jīng)緯度區(qū)域?yàn)檠芯繂卧?，每月為時(shí)間間隔，進(jìn)行火災(zāi)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)提取。其中，著火概率(p1)表示在所研究的1×1經(jīng)緯度的區(qū)域內(nèi)，所研究月份發(fā)生至少一次火災(zāi)的概率。有條件大火發(fā)生概率(p2)表示在所研究的1×1經(jīng)緯度的區(qū)域中，所研究月份中，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火災(zāi)發(fā)展為大面積火災(zāi)的概率。無(wú)條件大火發(fā)生概率(p3)表示在所研究的1×1經(jīng)緯度的區(qū)域內(nèi)，所研究月份中，發(fā)生大面積火災(zāi)的概率。這里提到的大面積火災(zāi)，可以根據(jù)不同的研究需要來(lái)設(shè)定，本文中，大面積火災(zāi)代表面積大于400hm2的火災(zāi)［13］。雖然可以直接對(duì)p3進(jìn)行計(jì)算，但考慮到自變量與p1和p2的關(guān)系各不相同，先對(duì)p1和p2進(jìn)行分別計(jì)算，再計(jì)算p3。應(yīng)用半?yún)?shù)Logistic回歸模型［8］來(lái)分析各研究區(qū)生態(tài)影響因子與著火概率、有條件大火蔓延概率的關(guān)系，應(yīng)用自變量對(duì)因變量的部分效應(yīng)來(lái)分析變量間非線性關(guān)系。自變量與因變量之間的非線性曲線是所有自變量共同作用背景下生成的。自變量對(duì)因變量的部分效應(yīng)由GAM模擬得出的splines公式作圖得出。模型公式如下:

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源及描述Table 1 Data collection and description

式中，k為1×1經(jīng)緯度/月的標(biāo)記數(shù)字;p為著火概率或有條件大火蔓延概率;(lon，lat)代表所研究的1×1經(jīng)緯度的區(qū)域的中心經(jīng)緯度坐標(biāo);month為研究月份;Xn代表所選取進(jìn)行研究的各個(gè)自變量(例如:各生態(tài)影響因子，反映植被物候變化的指數(shù)NDVI等)。在公式中，gi()和hn()分別為無(wú)參濾波函數(shù)，在計(jì)算中，g1為thin plate splines［14］函數(shù)，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)薄板樣條函數(shù)對(duì)火險(xiǎn)概率的空間分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，用來(lái)模擬經(jīng)度和緯度對(duì)火災(zāi)的空間影響。g2為periodic splines函數(shù)，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)周期平滑函數(shù)來(lái)分析火險(xiǎn)概率的年內(nèi)季節(jié)周期，用來(lái)模擬年內(nèi)月份對(duì)火災(zāi)的作用和影響。hn()應(yīng)用B－splines函數(shù)，主要是為了對(duì)生態(tài)影響因子和火災(zāi)概率logit值之間的非線性關(guān)系進(jìn)行分析和描述，例如，火災(zāi)發(fā)生概率或蔓延概率與溫度的關(guān)系往往呈非線性，在描述變量間非線性關(guān)系這方面，無(wú)參濾波函數(shù)優(yōu)于參數(shù)化的函數(shù)。應(yīng)用AIC對(duì)各個(gè)自變量進(jìn)行選擇，找出對(duì)火災(zāi)概率模擬提供信息最優(yōu)的自變量［15］。在每個(gè)研究區(qū)，為了對(duì)比分析不同生態(tài)影響因子在預(yù)測(cè)火災(zāi)概率時(shí)的優(yōu)劣，使用AIC指標(biāo)對(duì)以單一生態(tài)影響因子為自變量的概率模型進(jìn)行評(píng)估，對(duì)計(jì)算得出的AIC值進(jìn)行對(duì)比，AIC值越小，代表概率模型所使用的單一生態(tài)影響因子的火險(xiǎn)預(yù)報(bào)能力越好。為了便于直觀圖解和應(yīng)用，各概率模型命名如下:

僅以時(shí)間和空間變量為自變量的概率模型——?dú)v史概率模型(B)，歷史概率模型可以模擬出不同地理位置及月份間的火險(xiǎn)概率差異，但不反映年與年之間的差異。歷史概率模型為分析火險(xiǎn)預(yù)報(bào)極值點(diǎn)提供依據(jù)。B模型(歷史概率模型)公式如下:

以時(shí)間和空間變量及單一生態(tài)影響因子為自變量的概率模型——以生態(tài)影響因子命名和代表。在這里，所使用的生態(tài)影響因子包括:植被指數(shù)的月均值(NDVIspot、NDVIgimms)、日最高溫度的月均值(MaxT)、日最高溫度的月最大值(MaxTX)、日平均溫度的月均值(AvgT)、日平均溫度的月最大值(AvgTX)、日降雨量的月均值(PT)、日降雨量的月最大值(PTX)、日平均風(fēng)速的月均值(WS)、日平均風(fēng)速的月最大值(WSX)、日相對(duì)濕度的月均值(RH)、日相對(duì)濕度的月最大值(RHX)。在每個(gè)研究區(qū)，經(jīng)過(guò)AIC計(jì)算及對(duì)比，在顯著水平＜0.05的生態(tài)影響因子中，選出火險(xiǎn)預(yù)報(bào)能力好的因子，以時(shí)空變量和所選生態(tài)影響因子為自變量，建立回歸模型，并應(yīng)用研究年份之外的數(shù)據(jù)對(duì)研究年份的著火概率(p1)和有條件大火發(fā)生概率(p2)進(jìn)行模擬。p3通過(guò)計(jì)算而得:p3=p1×p2。文中的統(tǒng)計(jì)計(jì)算和分析使用R語(yǔ)言程序及其程序包完成，其中，概率模型由程序包mgcv 中的 gam［16］和 predict.gam 語(yǔ)句完成［17］，其中的 family 使用 binomial語(yǔ)句，link 使用 logit語(yǔ)句，各無(wú)參濾波函數(shù)調(diào)用splines完成;AIC自變量選擇應(yīng)用R語(yǔ)言程序中的程序包stats中的AIC語(yǔ)句完成;自變量對(duì)因變量的部分效應(yīng)由GAM模擬得出的splines公式調(diào)用plot.gam語(yǔ)句完成。

為了對(duì)最終建立的概率模型進(jìn)行評(píng)估，使用Hosmer和Lemeshow提出的評(píng)估方法［18］，將觀測(cè)與模擬數(shù)據(jù)生成散點(diǎn)圖。因?yàn)槔猛粩?shù)據(jù)集進(jìn)行模型驗(yàn)證會(huì)得到比實(shí)際情況好的擬合結(jié)果，所以使用十字交叉法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。具體如下:應(yīng)用研究年份之外的數(shù)據(jù)對(duì)研究年份的火險(xiǎn)概率進(jìn)行模擬，通過(guò)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)和模型模擬數(shù)據(jù)生成散點(diǎn)圖，其中，實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)研究需要，以不同的分類(lèi)方式進(jìn)行分類(lèi)，應(yīng)用同類(lèi)數(shù)據(jù)實(shí)際觀測(cè)平均值與其對(duì)應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行對(duì)比和作圖。由于研究數(shù)據(jù)是(0，1)的形式，所以需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)按照某一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸類(lèi)聚合，在每一歸類(lèi)的集合中，將火災(zāi)發(fā)生的比例與火險(xiǎn)概率預(yù)報(bào)平均值進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模型預(yù)報(bào)能力的評(píng)估。將擁有相同或相似(相互間差異在1%范圍內(nèi))無(wú)條件大火發(fā)生概率模擬值的數(shù)據(jù)歸為一類(lèi)，對(duì)模型持續(xù)性預(yù)報(bào)能力進(jìn)行分析。文中，利用GIS軟件，生成火險(xiǎn)概率預(yù)報(bào)圖。

2 結(jié)果

2.1 森林火災(zāi)對(duì)生態(tài)因子響應(yīng)特征的區(qū)域差異

對(duì)4個(gè)不同植被氣候區(qū)域1996—2008年的火災(zāi)季節(jié)變化特征進(jìn)行了分析(圖2)。

圖2 研究區(qū)月均火災(zāi)數(shù)量及面積Fig.2 The average monthly burnt areas and number of fires

在東北冷溫帶松林地區(qū)，火災(zāi)季節(jié)為3月中旬至6月中旬，(圖2)。雖然3—5月降雨量比11—2月大，由于之前干旱季節(jié)對(duì)土壤及植被含水量的影響，每年3—5月，著火次數(shù)不斷增加，10月至翌年2月，火災(zāi)數(shù)量呈不穩(wěn)定變化，這主要是因?yàn)榇杭狙┤诤?，森林中草本層和凋落物層的可燃性?huì)變得非常高。該林區(qū)存在大量雜草及次生林，成為高可燃度的主要因素。中國(guó)東南常綠闊葉林地區(qū)，火災(zāi)季節(jié)為9月至翌年4月，較濕潤(rùn)的5—8月，火災(zāi)很少，但6月較特別，火災(zāi)次數(shù)很多(圖2)。在濕潤(rùn)月份，由于溫度高，使森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸發(fā)散增多，從而抑制了該時(shí)期降雨對(duì)隨后火災(zāi)的影響。該林區(qū)植被可燃性低于中國(guó)北方針葉林。在華北落葉闊葉林地區(qū)，著火季節(jié)為6—7月(圖2)。春季植被處于休眠狀態(tài)，受火災(zāi)破壞程度較小，秋季由于植被還未進(jìn)入冬眠，同時(shí)火災(zāi)擴(kuò)散慢、燃燒時(shí)間長(zhǎng)，植被極易受破壞。本地區(qū)火災(zāi)發(fā)生次數(shù)的年際變化呈周期性，與該地區(qū)土壤濕度的年際變化有很大關(guān)聯(lián)。在中國(guó)西南熱帶雨林地區(qū)，12月至翌年5月，降雨少，較干旱，隨著干旱度的累加，火災(zāi)發(fā)生次數(shù)逐月升高(圖2)。

通過(guò)生成自變量與因變量之間的非線性曲線圖，分析了著火概率模型和有條件大火概率模型中，每個(gè)自變量與因變量之間的非線性關(guān)系(圖3，圖4)。在4個(gè)地區(qū)，AvgT均與著火概率呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，在華北、東北、東南地區(qū)，NDVI與著火概率呈非線性關(guān)系，在西南地區(qū)，MaxT與著火概率和有條件大火蔓延概率均呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。使火險(xiǎn)概率高于正常水平的各生態(tài)因子的閾值在4個(gè)地區(qū)各不相同(表2)。

圖3 研究區(qū)基于生態(tài)因子的著火概率模型中各個(gè)自變量對(duì)因變量的部分效應(yīng)圖Fig.3 Estimated partial effects of significant variables on the probability of fire ignition in(a)NC

2.2 基于生態(tài)影響因子的火險(xiǎn)概率模型及模型評(píng)估

圖4 研究區(qū)基于生態(tài)因子的有條件大火蔓延概率模型中各個(gè)自變量對(duì)因變量的部分效應(yīng)圖Fig.4 Estimated partial effects of significant variables on the probability of large fire event

表2 4個(gè)研究區(qū)火險(xiǎn)概率高于正常水平的自變量臨界值及參數(shù)Table 2 The threshold value of the selected factors as the probabilities of fire risk higher than average in the 4 regions

在4個(gè)研究區(qū)，通過(guò)AIC分析，選出的作為最終著火概率模型及有條件大火概率模型自變量的生態(tài)影響因子，見(jiàn)表3，由表可以看出，對(duì)于著火概率模型，所選的自變量均為生態(tài)影響因子的月均值，所有因子的月最大值均未入選為模型自變量。對(duì)于有條件大火蔓延概率，在常綠闊葉林區(qū)和熱帶雨林區(qū)，部分因子的月最大值入選為模型自變量。在冷溫帶松林、落葉闊葉林、常綠闊葉林地區(qū)，NDVI對(duì)著火概率有明顯作用，在4個(gè)地區(qū)，海拔對(duì)火災(zāi)發(fā)生有顯著影響，在4個(gè)研究區(qū)，日平均溫的月均值均被選為著火概率模型自變量，在落葉闊葉林、常綠闊葉林、熱帶雨林地區(qū)，降雨量和日最高溫的月均值對(duì)著火概率有明顯作用，在冷溫帶松林、常綠闊葉林和熱帶雨林地區(qū)，日相對(duì)濕度的月均值被選為著火概率模型的自變量，日平均風(fēng)速的月均值僅對(duì)落葉闊葉林、熱帶雨林地區(qū)的著火概率影響明顯。在常綠闊葉林地區(qū)，NDVI未被選為有條件大火蔓延概率模型的自變量，日平均風(fēng)速月均值對(duì)有條件大火蔓延概率的影響只在常綠闊葉林地區(qū)明顯。降雨量對(duì)有條件大火蔓延概率的影響在四個(gè)地區(qū)均不顯著。

表3 著火概率模型及有條件大火蔓延概率模型所選的自變量Table 3 The selected factors in the regression models for the probabilities of fire occurrence and large fire event in the 4 regions

圖5為對(duì)實(shí)際觀測(cè)及模型模擬數(shù)據(jù)所做散點(diǎn)分析圖(虛線為模擬結(jié)果95%置信區(qū)間)。華北落葉闊葉林、東北冷溫帶松林地區(qū)大部分觀測(cè)值落在了模擬結(jié)果95%置信區(qū)間之內(nèi)。其他兩個(gè)區(qū)域部分實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)落在了模擬結(jié)果95%置信區(qū)間范圍之外。華北落葉闊葉林、東北冷溫帶松林、東南常綠闊葉林、西南熱帶雨林區(qū)最終模型的概率模擬范圍分別是0—0.95、0—0.96、0—0.87、0—0.94。在概率模擬研究中，概率模擬范圍越大，模型模擬能力越好。

2.3 基于GIS的模型輸出結(jié)果圖形化

列出了2003年9—12月的火險(xiǎn)概率圖，圖6中，第一列為著火概率圖，第二列為有條件大火蔓延概率圖，第三列為無(wú)條件大火蔓延概率圖，并將對(duì)應(yīng)月份的實(shí)際有火災(zāi)發(fā)生和大火發(fā)生的1×1經(jīng)緯度研究單元標(biāo)示了出來(lái)。通過(guò)該圖，我們可以了解生態(tài)因子概率模型在不同月份模擬時(shí)的具體效果，并可以對(duì)模型在不同區(qū)域的火險(xiǎn)預(yù)報(bào)能力有一個(gè)直觀的掌握。對(duì)于同一個(gè)地區(qū)，不同月份所展現(xiàn)出來(lái)的火險(xiǎn)概率的高低有所不同。這從一個(gè)側(cè)面反映出了不同月份植被及氣象因素的變化。圖中實(shí)際發(fā)生火災(zāi)及大火的1×1研究單元多數(shù)位于火險(xiǎn)概率較高的區(qū)域，但也有少數(shù)落在火險(xiǎn)概率較低的區(qū)域，這樣的情況可能是由火災(zāi)的其他成因引起的，例如人為因素。

在東北地區(qū)，2003年9、10、11月份的著火概率及無(wú)條件大火蔓延概率高于12月份，9月份東北北部著火概率及無(wú)條件大火蔓延概率高于東北南部，11月份東北北部著火概率及無(wú)條件大火蔓延概率低于東北南部，而實(shí)際著火數(shù)據(jù)也反映了這一特征。4個(gè)月份有條件大火蔓延概率均呈現(xiàn)出較高的水平，這一結(jié)果與該地區(qū)9至12月植被及氣候狀況相符，在東北地區(qū)，降雪往往導(dǎo)致折斷凋落的植被凋落物增多，增加了火點(diǎn)蔓延的可能性;在華北地區(qū)，2003年10、11、12月份3種火險(xiǎn)概率均高于9月份，同一月份內(nèi)存在著空間差異，中部比其他區(qū)域火險(xiǎn)概率高;在東南地區(qū)，2003年11、12月份的火險(xiǎn)概率高于9、10月份，對(duì)于著火概率，東南地區(qū)的北部邊緣、南部邊緣及中部地區(qū)要高于其他地區(qū)。對(duì)于有條件大火蔓延概率及無(wú)條件大火蔓延概率，東南地區(qū)北部高于南部。實(shí)際的火災(zāi)發(fā)生情況也顯示出了這一特點(diǎn)。在西南地區(qū)，2003年11、12月份的火險(xiǎn)概率高于9、10月份，西南地區(qū)北部火險(xiǎn)概率要高于南部地區(qū)，多數(shù)實(shí)際著火火點(diǎn)位于該地區(qū)模擬值較高的地區(qū)。西南地區(qū)有條件大火發(fā)生概率普遍較高，無(wú)條件大火發(fā)生概率在中北部較高，實(shí)際發(fā)生的大面積火災(zāi)多集中在西南地區(qū)的中北部。

圖5 4個(gè)研究區(qū)實(shí)際觀測(cè)的無(wú)條件大火蔓延概率和模型模擬概率散點(diǎn)對(duì)比圖Fig.5 Observed versus estimated probabilities grouping by similar estimated probabilities(within 1%of each other)for the final regression model of the large fire event probabilities in NC，NE，SE and SW

3 結(jié)論與討論

在本研究中，應(yīng)用半?yún)?shù)Logistic回歸模型中的自變量對(duì)因變量部分效應(yīng)，分析了中國(guó)4個(gè)植被氣候區(qū)生態(tài)影響因子與著火概率、有條件大火蔓延概率之間的非線性關(guān)系。建立了火險(xiǎn)概率模型，分析研究區(qū)域森林火災(zāi)的時(shí)空分布特征及對(duì)生態(tài)因子的響應(yīng)機(jī)制。半?yún)?shù)Logistic回歸模型引入了表示模型誤差或其它系統(tǒng)誤差的非參數(shù)分量，從而使模型既含有參數(shù)分量，又含有非參數(shù)分量，綜合了參數(shù)回歸模型和非參數(shù)回歸模型的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際問(wèn)題中，比單純的參數(shù)回歸模型和非參數(shù)回歸模型有更大的適應(yīng)性，而且有更強(qiáng)的解釋能力［8］。在4個(gè)地區(qū)，AvgT均與著火概率呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，在華北、東北、東南地區(qū)，NDVI與著火概率呈非線性關(guān)系，在西南地區(qū)，MaxT與著火概率和有條件大火蔓延概率均呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。使火險(xiǎn)概率高于正常水平的各生態(tài)因子的閾值在4個(gè)地區(qū)各不相同。對(duì)于著火概率模型，多數(shù)生態(tài)影響因子月平均值的模擬能力優(yōu)于月最大值。在4個(gè)地區(qū)，有條件大火蔓延概率模型所選作為自變量的生態(tài)影響因子數(shù)量比著火概率模型的少。對(duì)于有條件大火蔓延概率模型，部分生態(tài)影響因子月最大值的模擬能力優(yōu)于月平均值。各氣候區(qū)模型所選生態(tài)影響因子各不相同。在4個(gè)研究區(qū)，著火概率模型和有條件大火蔓延概率模型所選作為自變量的生態(tài)影響因子各不相同。當(dāng)分析實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖時(shí)，落葉闊葉林、冷溫帶松林、熱帶雨林地區(qū)的模型模擬結(jié)果比常綠闊葉林地區(qū)好。研究表明，在中國(guó)不同生態(tài)區(qū)，應(yīng)用時(shí)空變量、生態(tài)影響因子、植被指數(shù)建立半?yún)?shù)化logistic回歸模型模擬火險(xiǎn)概率具有可行性。概率模型自變量的部分效應(yīng)是分析生態(tài)影響因子與火險(xiǎn)概率非線性關(guān)系的有效途徑。

圖6 研究區(qū)2003年每月著火概率(p1)、有條件大火蔓延概率(p2)、無(wú)條件大火蔓延概率(p3)分布圖(9—12月)(基于生態(tài)因子的火險(xiǎn)概率模型)Fig.6 Fire risk maps with estimated fire occurrence probability(p1)，estimated conditional probability of a large fire event(p2)，estimated large fire events probability(p3)and observed fire and large fire events(dots)for each month in 2003

在冷溫帶松林、落葉闊葉林、常綠闊葉林地區(qū)，NDVI對(duì)著火概率作用明顯，反映出植被生長(zhǎng)的年內(nèi)變化對(duì)火災(zāi)影響顯著。近年來(lái)，在其他國(guó)家和地區(qū)，研究者也常常會(huì)發(fā)現(xiàn)這種情況［19］。在熱帶雨林地區(qū)，NDVI對(duì)有條件大火蔓延概率作用不顯著，這在一定程度上反映出，年內(nèi)植被生長(zhǎng)變化對(duì)該地區(qū)大火蔓延的作用較小。在4個(gè)地區(qū)，海拔對(duì)火災(zāi)發(fā)生有顯著影響，并且這種影響有一定的普遍性，這種情況與其他研究者的報(bào)道結(jié)論相符［6］。海拔對(duì)火災(zāi)的影響有可能是由于人類(lèi)活動(dòng)或閃電等間接的因素導(dǎo)致的［20］。模型自變量的選擇反映出土壤濕度及植被含水量在落葉闊葉林、常綠闊葉林、熱帶雨林地區(qū)對(duì)著火概率影響顯著。有條件大火蔓延概率模型自變量的選擇反映出，在常綠闊葉林地區(qū)，年內(nèi)植被生長(zhǎng)變化對(duì)大火蔓延的作用較小。土壤濕度對(duì)大火蔓延的作用較小。4個(gè)地區(qū)不同因子對(duì)火災(zāi)發(fā)生和火災(zāi)蔓延的影響各不相同。對(duì)于同一氣候區(qū)，影響著火概率的因子不一定影響大火蔓延概率，有些因子對(duì)火災(zāi)蔓延影響顯著，但對(duì)火災(zāi)發(fā)生無(wú)影響。落葉闊葉林、冷溫帶松林、熱帶雨林地區(qū)的模型模擬結(jié)果比常綠闊葉林地區(qū)好，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因有可能是:在常綠闊葉林地區(qū)，相較其它3個(gè)地區(qū)，火災(zāi)數(shù)量較少，特別是大面積火災(zāi)數(shù)量較少。在火險(xiǎn)研究中，對(duì)于研究生態(tài)因子與火災(zāi)之間的非線性關(guān)系，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的生態(tài)因子與火災(zāi)發(fā)生數(shù)量的相關(guān)性分析有可能不是最有效的方法。很多研究表明，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的時(shí)間相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)于研究火險(xiǎn)因子與火險(xiǎn)之間的非線性關(guān)系來(lái)說(shuō)，略顯劣勢(shì)［21］?；馂?zāi)數(shù)據(jù)一般為小數(shù)量數(shù)據(jù)，以0和1居多，所以利用時(shí)間相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)研究火災(zāi)數(shù)據(jù)，有一定的弊端。通過(guò)研究結(jié)果可以看出，本研究中使用的半?yún)?shù)化Logistic回歸模型，在中國(guó)的四個(gè)氣候區(qū)，都能夠有效的分析生態(tài)因子與火災(zāi)概率之間的關(guān)系，在其他國(guó)家或地區(qū)，使用半?yún)?shù)化Logistic回歸模型模擬火險(xiǎn)概率也得到了很好的結(jié)果［8］。顯示出該模型對(duì)定量化評(píng)估火險(xiǎn)概率有很好的應(yīng)用性。

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