2001—2016年阳城自...保护区林火活动变化特征分析_杜爽.pdf

地球科学与环境工程河南科技Henan Science and Technology总第799期第5期2023年3月20012016年阳城自然保护区林火活动变化特征分析杜爽1夏利博1田德存2罗淑琪2（1.华北水利水电大学环境与市政工程学院，河南郑州450045；2.华北水利水电大学水利学院，河南郑州450045）摘要：【目的目的】对阳城自然保护区林火活动的特征进行分析，有助于对森林火灾的发生及蔓延做出有效预判，为保护区林火防治工作提供一些基础性建议。【方法方法】利用20012016年阳城自然保护区林火燃烧面积数据，采用Mann-Kendall趋势检验、Morlet小波分析和Pettitt突变点检验等方法，对保护区林火活动的趋势、周期和突变特征进行分析。【结果结果】20012016年阳城自然保护区燃烧面积呈增加趋势；燃烧面积的主周期为12月，并于2010年4月发生突变。【结论结论】2001年以来阳城自然保护区林火活动主要集中春夏和初秋季节；林火活动变化受温度影响最大，受相对湿度和风速影响相对较小。关键词：森林火灾；燃烧面积；周期和突变；阳城自然保护区中图分类号：S762文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）05-0112-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.05.022Analysis on the Characteristics of Forest Fire Activities in YangchengNature Reserve from 2001 to 2016DU Shuang1XIA Libo1TIAN Decun2LUO Shuqi2(1.School of Environmental and Municipal Engineering,North China University of Water Resources andElectric Power,Zhengzhou 450045,China;2.School of Water conservancy,North China University of WaterResources and Electric Power,Zhengzhou 450045,China)Abstract:PurposesThe analysis of the characteristics of forest fire activities in Yangcheng Nature Reserve help people make effective prediction of the occurrence and spread of forest fires and provide somebasic suggestions for forest fire prevention and control in the reserve.MethodsWith the forest fireburning area data of Yangcheng Nature Reserve from 2001 to 2016,and by Mann-Kendall trend test,Morlet wavelet analysis and Pettitts mutation point test,this paper analyzes the trend,cycle and mutationcharacteristics of forest fire activities in the reserve.FindingsThe burning area of Yangcheng NatureReserve increased from 2001 to 2016;the main cycle of burning area was 12 months,and the mutationoccurred in April 2010.ConclusionsSince 2001,forest fire activity in Yangcheng Nature Reservemainly concentrates in the spring,summer and early autumn seasons;changes in forest fire activity weremost affected by temperature and relatively little by relative humidity and wind speed.Keywords:forestfire;burned area;cycle and mutation;Yangcheng Nature Reserve收稿日期：2022-10-24作者简介：杜爽（1996），女，硕士生，研究方向：林火风险预测。第5期113杜爽，等.20012016年阳城自然保护区林火活动变化特征分析0引言森林火灾极有破坏性，山区林火还会引发泥石流、山体滑坡等其他自然灾害。随着全球气候变暖，极端气候事件频发，导致林火的频率、强度等发生变化，严重威胁着人民生命财产安全。因此，森林火灾的防御成为学术界和各国政府普遍关注的问题。春季为林火活动高发季节1-2，且存在区域差异，朱贺等3对我国南北方森林火灾火险期动态变化特征分析，得出我国北方春季林火发生期有向早春偏移的趋势，南方火灾季节多为冬春季。曾爱聪等4通过对浙江省林火时空变化特征分析，结果表示该地区 20012016 年森林火灾整体呈上升趋势，且受极端天气影响，火灾季节向夏季偏移，研究也表明林火发生突变年份主要在2010年、2011年和2016年。此外，随着全球变暖，林火活动频繁，余恩旭5基于多源遥感数据对西南地区森林火灾燃烧迹地变化趋势进行分析，得到云贵地区林火燃烧迹地整体呈先增加后减少的趋势，高仲亮等6基于云南林火数据得出相同结论，且不同气候下对林火活动变化有一定影响，显著受年均气温因素影响。何芸2在探究广西林火发生与气象因子的相关性分析中发现，林火活动显著受湿度影响，其次是气温。曾爱聪7基于浙江省卫星火点数据分析发现秋冬两季林火的发生主要受日均温度和湿度影响。张恒等8人基于我国森林草原火灾周期震荡研究，得出未来林火将处于较活跃的状态。对林火活动的特征进行分析有助于对森林火灾的发生及蔓延做出有效预判，基于此，本研究利用20012016年阳城自然保护区林火燃烧面积数据，采用Mann-Kendall（M-K）趋势检验、Mprlet 小波分析和Pettitt突变点检验等方法，对保护区林火活动的趋势、周期和突变特征进行分析，以期为保护区林火防治工作提供一些基础性建议。1资料与方法1.1研究区域及数据来源山西阳城莽河猕猴国家级自然保护区地处山西和河南两省交界地带（11130 E11230 E，35N3545 N），总面积约为 7 500 km2。该区域属温带向亚热带过渡气候，四季分明，雨量充沛，动、植物资源丰富。本研究所用资料为20012016年阳城自然保护区林火燃烧面积资料，该数据来自全球火灾排放数据库（http：/www.globalfiredata.org/），储存形式为HDF5格式，网格精度为0.250.25的月尺度数据。气象数据源自从欧洲中期天气预报中心（http：/climate.copernicus.eu/）下载的研究区域内逐月总降水、平均气温、相对湿度和风速数据，作为林火相关性分析研究的初始数据，其时空尺度与火灾数据一致。利用R语言软件对数据进行提取、截取和处理，得到逐月林火燃烧面积数据。使用AcGIS软件提取并计算区域平均燃烧面积，得到192个逐月火灾历史时间序列。1.2M-K 趋势检验本研究选用M-K法诊断2001年以来阳城自然保护区林火活动变化趋势。M-K检验是一种非参数统计检验方法，无须样本遵从一定的分布，也不受少数异常值干扰，计算简便9。主要通过符号检验来比较燃烧面积序列差值，再计算所有差值之和的统计量S，标准偏差ZS，如果|ZS|Za/2，则接受原假设，xi和xj是连续的燃烧面积值（ij），计算公式为式（1）和式（2）。S=i=1n-1j=i+1nsgn（xi-xj）（1）ZS=|S-1（S 0）0（S=0）S+1（S 0；R）（3）Wf（a，）=f（t），（a，）（t）=1aRf（t）-()t-adt（4）Var（a）=+-|Wf（a，）2d（5）1.4Pettitt突变点检验Pettitt检验是最先应用于突变点检验的方法，114第5期杜爽，等.20012016年阳城自然保护区林火活动变化特征分析Pettitt变点检测不同于回归模型和参数变点检测等方法，是通过统计量Uk检验时序突变点，用近似意义概率Pk衡量序列样本的相似程度，相比于M-K突变检验法、累积距平法和滑动T检验法，Pettitt检验法表现出误差小，适应性强的优势10。当 P0.5时，忽略样本的相关性，视其为有效突变点。ri为序列的秩，若Pk的绝对值最大，即位于U*最大位置，则序列在第k年处存在变点。计算公式为式（6）、式（7）、式（8）。Uk=Pk=2i=1kri-k（T+1）k=1,T（6）U*=max|Pk|（7）Pk=1-e()-6U2k/T2+T3（8）2结果与分析2.1林火季节及趋势变化20012016年阳城自然保护区过火面积月际和年际变化如图1所示。林火活动主要发生在38月，冬季林火活动较少。自3月开始，过火面积逐渐增加，并于7月达到最大值。8月份过火面积开始减少，进入森林火灾低发时段。年际方面，20012003年，研究区过火面积呈下降趋势，2003年开始波动上升，20062012年相对稳定，2012年后开始显著上升。阳城火灾活动变化趋势和前人基本一致，我国北方森林火险指数预计在春季（46月）和夏季（78月）有增长趋势1，2，4。此外，通过 M-K趋势检验对燃烧面积进行趋势分析，计算结果显示，Zs=2.512.32，通过了显著性检验，即认为燃烧面积随时间推移，存在上升的趋势。2.2林火周期波动利用小波分析方法将燃烧面积时序变换，得到其小波实部等值线如图2所示，以及小波方差如图3所示。在20132016年时间尺度为1015区间内，正负相位相互交替，震荡比较明显，主要震荡有6次，其他时间段上震荡并不明显且等值线没有闭合。其中 20152016年闭合等值线密集，说明在该时间区间内燃烧面积起伏明显。从图3可以看出，燃烧面积时序主要有两个峰值，对应时间尺度为6和12。第二个峰值比较明显，在该时间尺度下小波方差为23.16，表明震荡最为剧烈，与上述分析一致。可判断过火面积时序变化的主周期为12图1研究区域过火面积月际和年际变化（a）月际变化（b）年际变化图2小波实部等值线图3小波方差周期/a时间/年周期/a燃烧面积/km21007550250小波方差11月12月1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月05101520253035001-1-12003-1-12005-1-12007-1-12009-1-12011-1-12013-1-12015-1-12016-12-3130252015105151050-5-1020151050X12Y23.16806040200春季夏季秋季冬季2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016燃烧面积/km2第5期115个月，次周期为6个月。2.3林火突变点及影响因素Pettitt 突变点检验显示，其中 U*最大值为1 812，对应的Pk=0.12550.5，视该时序对应时间节点为第一有效突变点。将第一突变点前后时序进行分段，得出前段U*的最大值为453，后段U*的最大值为312，前段和后段对应的Pk值均大于0.5，接受原假设，即不存在第二有效突变点。所以在研究区域过火面积时序中存在唯一有效突变点，此时对