周 勇，章 林?，趙鳳君，張大明，張吉龍，王曉娜，鐘殿偉

（1.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130033；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 海淀 100091；3.吉林省森林防火預(yù)警監(jiān)測指揮中心，吉林 長春 130022；4.北方航空護(hù)林總站 黑龍江 哈爾濱 150027；5.吉林省圖們市林業(yè)局 吉林 延邊 133100）

火災(zāi)給森林生態(tài)系統(tǒng)造成巨大破壞[1]，森林火險評價對林火監(jiān)測和防控有著重要的實際意義[2]。對森林火險評價，是在天氣預(yù)報的基礎(chǔ)上進(jìn)行，而天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性直接影響林火預(yù)報的準(zhǔn)確性，因此，森林火險天氣預(yù)報越來越受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注和重視[3]。我國專家學(xué)者已對森林火險與天氣條件的關(guān)聯(lián)性開展了深入研究[4-5]。研究表明氣象要素顯著影響林火變化，影響林火發(fā)生發(fā)展的時空規(guī)律[6-8]，并建立了以氣象要素作為主要預(yù)報參數(shù)的不同類型的林火預(yù)報模型或系統(tǒng)[9-10]。

為使這些模型或系統(tǒng)更好地為研究區(qū)域林火預(yù)報服務(wù)，研究人員將最基礎(chǔ)的溫度、相對濕度、風(fēng)速和降雨量等氣象因子進(jìn)行多種變換后建立預(yù)報模型，這掩蓋了基礎(chǔ)氣象因子對森林火險等級的直接影響。因此，筆者擬通過分析森林火險監(jiān)測站觀測的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)和發(fā)布的森林火險等級，找出二者最直接的關(guān)系。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林龍灣國家級自然保護(hù)區(qū)（E：126°13′55″～126°32′02″，N：42°16′20″～42°26′57″），屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候。四季分明，年平均氣溫4.1℃，年平均降水量704.2 mm，年平均光照2 550 h，無霜期110～120 d。森林火險監(jiān)測站設(shè)置在保護(hù)區(qū)內(nèi)大龍灣林場，站點的地理坐標(biāo)為E：126°24′55″，N：42°18′42″。

1.2 研究方法

選取2014年、2015年、2016年吉林省秋季森林防火期（9月15日～11月30日）和2015年、2016年春季防火期（3月15日～6月15日）期間的森林火險監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)。記錄森林防火期間4時～20時溫度、相對濕度、風(fēng)力、雨量、無雨日、連旱天數(shù)和森林火險等級。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2013軟件對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的處理和分析，各時刻溫度（℃）、相對濕度（%）、風(fēng)力（m/s）、雨量（mm）、火險等級、無雨日（d）指標(biāo)分別做平均值處理，記為X1、X2、X3、X4、X5、X6；連旱天數(shù)（d）取最大值處理，記為X7；對森林火險等級1級、2級、3級的發(fā)布次數(shù)分別求和，記為Y1、Y2、Y3。將X1至X7列為氣象要素指標(biāo)，Y1至Y3列為森林火險等級指標(biāo)。

采用SPSS 19.0軟件對不同氣象要素指標(biāo)和森林火險等級指標(biāo)進(jìn)行典型相關(guān)分析。典型相關(guān)分析編輯語法：

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象要素指標(biāo)與森林火險等級指標(biāo)基本統(tǒng)計分析

平均溫度7.44℃，標(biāo)準(zhǔn)差2.78℃，各時刻動態(tài)變化明顯，溫度較低不滿足森林火災(zāi)發(fā)生溫度條件；平均相對濕度60.33%，50%分位數(shù)56.25，標(biāo)準(zhǔn)差11.13%，各時刻變化明顯，具備發(fā)生森林火災(zāi)或發(fā)生大火災(zāi)的條件；風(fēng)力在1.74 m/s至3.03 m/s之間，屬于2級輕風(fēng)；超過25%雨量低于1.07 mm，對森林地被可燃物濕度幾乎無影響，極大值2.03 mm表明可以降低林分的燃燒性；超過75%的火險等級低于1.74，標(biāo)準(zhǔn)差0.06，變化不明顯，屬很少危險水平；無雨日平均值2.36 d，結(jié)合雨量表明具備森林火災(zāi)多發(fā)條件；連旱天數(shù)各時刻無變化，連旱天數(shù)越長森林火災(zāi)發(fā)生可能性越大，發(fā)生大火災(zāi)概率越高；森林火險等級發(fā)布多為1、2級，屬很少危險水平，存在3級中等危險水平。氣象要素指標(biāo)與森林火險指標(biāo)基本情況見表1。

表1 氣象要素指標(biāo)與森林火險指標(biāo)基本情況

氣象要素指標(biāo)與森林火險等級指標(biāo)6 h～20 h呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。平均溫度、平均風(fēng)力、平均火險等級、森林火險等級2級、森林火險等級3級這5個指標(biāo)隨時間動態(tài)變化相似表現(xiàn)為“先升高后降低”趨勢，平均相對濕度、森林火險等級1級隨時間變化相似表現(xiàn)為“先降低后升高”趨勢，雨量平均值呈遞增趨勢，無雨日平均值呈遞減趨勢，連旱天數(shù)最大值各時刻無明顯變化。

2.2 氣象要素指標(biāo)與森林火險指標(biāo)相關(guān)性分析

溫度與相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.991，ρ=0.000），與風(fēng)力呈顯著正相關(guān)（r=0.816，ρ=0.000)，與火險等級呈顯著正相關(guān)（r=0.929，ρ=0.000)；相對濕度與風(fēng)力呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.864，ρ=0.000)，與火險等級顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.948，ρ=0.000)；風(fēng)力與火險等級顯著正相關(guān)（r=0.936，ρ=0.000)；無雨日與連旱天數(shù)呈顯著正相關(guān)（r=0.740，ρ=0.002)。氣象要素指標(biāo)相關(guān)性見表2。

表2 氣象要素指標(biāo)相關(guān)性

森林火險等級1級與森林火險等級2級呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.992，ρ=0.000)，與森林火險3級呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.873，ρ=0.000)；森林火險等級2級與森林火險等級3級呈顯著正相關(guān)（r=807，ρ=0.000）。森林火險等級指標(biāo)相關(guān)性見表3。

平均溫度與森林火險等級1級呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.935，ρ=0.000），與森林火險等級2、3級指標(biāo)呈顯著正相關(guān)（r=0.950，ρ=0.000；r=0.743，ρ=0.001）；平均相對濕度與森林火險等級1級呈顯著正相關(guān)（r=0.952，ρ=0.000），與森林火險等級2、3級指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.968，ρ=0.000；r=-0.757，ρ=0.001）；平均風(fēng)力與森林火險等級1級呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.936，ρ=0.000），與森林火險等級2、3級指標(biāo)呈顯著正相關(guān)（r=0.932，ρ=0.000；r=0.794，ρ=0.000）；平均火險等級與森林火險等級1級呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.998，ρ=0.000），與森林火險等級2、3級指標(biāo)呈顯著正相關(guān)（r=0.985，ρ=0.000；r=0.893，ρ=0.000）。氣象要素指標(biāo)與森林火險等級指標(biāo)相關(guān)性見表4。

表3 氣象要素指標(biāo)相關(guān)性

2.3 典型相關(guān)系數(shù)及典型相關(guān)的顯著性檢驗

第1對典型相關(guān)系數(shù)ρ1=0.999，其所對應(yīng)的檢驗總體中典型相關(guān)系數(shù)為0的假設(shè)的概率水平為0.000；第2對典型相關(guān)系數(shù)ρ2=0.915，其所對應(yīng)的檢驗總體中典型相關(guān)系數(shù)為0的假設(shè)的概率水平為0.044；第3對典型相關(guān)系數(shù)ρ3=0.713，其所對應(yīng)的檢驗總體中典型相關(guān)系數(shù)為0的假設(shè)的概率水平為0.303。典型相關(guān)的顯著性檢驗分別為Wilks統(tǒng)計量、卡方統(tǒng)計量、自由度和伴隨概率。在0.05的顯著性水平下，3對典型變量中第1、2對典型相關(guān)是顯著的。氣象要素指標(biāo)與森林火險等級指標(biāo)典型相關(guān)系數(shù)及檢驗見表5。

2.4 典型相關(guān)變量系數(shù)

氣象要素指標(biāo)各變量單位不同，需對各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)和未標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)只差一個原始變量的標(biāo)準(zhǔn)差。典型相關(guān)變量系數(shù)見表6和表7。

來自氣象要素指標(biāo)的第1對典型相關(guān)變量表達(dá)式為V1，第2對典型相關(guān)變量表達(dá)式為V2。

表4 氣象要素指標(biāo)與森林火險等級指標(biāo)相關(guān)性

表5 氣象要素指標(biāo)與森林火險等級指標(biāo)典型相關(guān)系數(shù)及檢驗

表6 氣象要素指標(biāo)典型相關(guān)變量的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)

表7 森林火險等級指標(biāo)典型相關(guān)變量的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)

來自森林火險等級指標(biāo)的第1對典型相關(guān)變量為U1，第2對典型相關(guān)變量表達(dá)式為U2。

根據(jù)典型相關(guān)變量系數(shù)，結(jié)合典型相關(guān)變量與原始變量相關(guān)系數(shù)，表明：X1、X2、X3、X5在V1中起主要作用，Y2在U1中起主要作用。因此，森林火險2級次數(shù)主要取決于氣象要素中的平均溫度、平均相對濕度、平均風(fēng)力和平均火險等級；X1、X7在V2中起主要作用，Y3在U2中起主要作用。因此，森林火險3級次數(shù)主要取決于氣象要素中的平均溫度、平均相對濕度和連旱天數(shù)。典型相關(guān)變量與原始變量相關(guān)系數(shù)見表8和表9。

表8 氣象要素指標(biāo)典型相關(guān)變量與原始變量相關(guān)系數(shù)表

表9 森林火險等級指標(biāo)典型相關(guān)變量與原始變量相關(guān)系數(shù)表

2.5 冗余度分析

第1對和第2對典型相關(guān)變量解釋氣象要素指標(biāo)，森林火險等級指標(biāo)總變異的比例情況見表10。V1解釋氣象要素指標(biāo)總變異的52.8%，V2解釋氣象要素指標(biāo)總變異的4.9%；U1解釋森林火險等級指標(biāo)總變異的92.6%，U2解釋森林火險等級指標(biāo)總變異的6.6%。典型相關(guān)變量對解釋指標(biāo)總變異的比例情況見表10。

3 討論和結(jié)論

平均溫度、平均風(fēng)力、平均火險等級、森林火險等級2級、森林火險等級3級指標(biāo)隨時間變化表現(xiàn)為“先升高后降低”趨勢，平均相對濕度、森林火險等級1級隨時間變化表現(xiàn)為“先降低后升高”趨勢，雨量平均值呈遞增趨勢，無雨日平均值呈遞減趨勢，連旱天數(shù)最大值各時刻無明顯變化。綜合各指標(biāo)動態(tài)變化對林火發(fā)生的影響，與森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)日變化呈常態(tài)曲線分布[11]是一致的。

表10 典型相關(guān)變量對解釋指標(biāo)總變異的比例情況

氣象要素、森林火險等級各變量指標(biāo)間存在明顯的顯著相關(guān)關(guān)系，且2類指標(biāo)在0.05的顯著性水平下，第1、2對典型相關(guān)顯著。典型相關(guān)變量系數(shù)、典型相關(guān)變量與原始變量相關(guān)系數(shù)表明，森林火險2級次數(shù)主要取決于氣象要素中的平均溫度、平均相對濕度、平均風(fēng)力和平均火險等級，森林火險3級次數(shù)主要取決于氣象要素中的平均溫度、平均相對濕度和連旱天數(shù)，這與已有的研究結(jié)果相符[7，11]。氣象要素指標(biāo)典型相關(guān)變量V1解釋氣象要素指標(biāo)總變異的52.8%，氣象要素指標(biāo)典型相關(guān)變量V2解釋氣象要素指標(biāo)總變異的4.9%；森林火險等級指標(biāo)典型相關(guān)變量U1解釋森林火險等級指標(biāo)總變異的92.6%，森林火險等級指標(biāo)典型相關(guān)變量U2解釋森林火險等級指標(biāo)總變異的6.6%。

運(yùn)用典型相關(guān)分析的方法進(jìn)行兩類指標(biāo)相關(guān)關(guān)系的評判，通過典型相關(guān)變量系數(shù)建立的表達(dá)式，氣象要素指標(biāo)可以直接對森林火險等級指標(biāo)進(jìn)行全面評價。