陜西省森林火災(zāi)分析及火災(zāi)面積預(yù)測(cè)

沈姣姣，李建科，張宏芳，曹 岳

（1.陜西省氣象服務(wù)中心，陜西 西安 710014；2.陜西省森林防火指揮部辦公室，陜西 西安 710082）

1 引言

森林火災(zāi)作為一種自然災(zāi)害，對(duì)自然環(huán)境造成了嚴(yán)重毀壞，直接威脅到林業(yè)可持續(xù)發(fā)展和國家生態(tài)安全，也給人民生命和財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重?fù)p失。全世界每年發(fā)生森林火災(zāi)幾十萬次，受災(zāi)面積達(dá)數(shù)百萬公頃，約占森林總面積的0.1%。我國平均每年由森林火災(zāi)造成的森林受害率達(dá)0.83%[1]。

林火作為森林生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要生態(tài)因子，其發(fā)生和發(fā)展具有很多不確定性，其發(fā)生、發(fā)展受多種因素的影響，隨森林可燃物的組成及性質(zhì)、火場(chǎng)的氣象條件（溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速）、地理位置（包括海拔、坡向和坡位）及其他條件的變化而變化[2-3]。目前，我國學(xué)者對(duì)森林火災(zāi)的發(fā)生規(guī)律做了大量研究工作，研究內(nèi)容側(cè)重于我國及不同地區(qū)（吉林、云南、重慶、西藏等）森林火災(zāi)次數(shù)、發(fā)生時(shí)間、受害森林面積、火源類型和人員傷亡的時(shí)空分布特征[4-9]，也有學(xué)者對(duì)森林火災(zāi)與氣象因子的關(guān)系做了相關(guān)研究[10-14]。普遍認(rèn)為，濕度（降雨量）、溫度、風(fēng)速等與林火的發(fā)生和蔓延有直接關(guān)系[15-16]，不同地區(qū)森林火災(zāi)的發(fā)生都有各自的主導(dǎo)氣象因子，在某些年份發(fā)生森林火災(zāi)可能是由于極端氣候?qū)е耓17-18]。有人嘗試?yán)眯畔U(kuò)散理論[7，19]、層次分析法[20-21]、灰色聚類綜合評(píng)價(jià)法[22]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[23-24]等對(duì)森林火災(zāi)情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。近些年也有學(xué)者嘗試?yán)没疑A(yù)測(cè)模型[25-26]、加權(quán)馬爾科夫鏈[27]、ARIMA模型[28]、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[29]對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行預(yù)測(cè)。但是，目前利用主成分分析方法對(duì)森林火災(zāi)面積預(yù)測(cè)的研究還不多。

林火是森林經(jīng)營的重要內(nèi)容。研究林火的發(fā)生規(guī)律和演變趨勢(shì)，能科學(xué)有效地開展防、滅火工作，為森林火災(zāi)預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)和重要參考[30-31]。陜西地形復(fù)雜，森林資源豐富。但是，火災(zāi)頻發(fā)。本文采用趨勢(shì)分析、R/S分析和聚類分析法對(duì)陜西省森林火災(zāi)的演變情況進(jìn)行分析，并對(duì)各地市森林火災(zāi)情況進(jìn)行聚類。在此基礎(chǔ)上，利用主成分分析方法篩選對(duì)森林火災(zāi)貢獻(xiàn)率較大的氣象因子，并據(jù)此進(jìn)行森林火災(zāi)面積預(yù)測(cè)，為科學(xué)防范森林火災(zāi)的發(fā)生和滅火力量的合理配備提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

陜西省地處我國西北內(nèi)陸的中緯度地區(qū)。地域狹長，南北長約880 km，東西寬約160～490 km，可分為陜北黃土高原（榆林、延安）、關(guān)中平原（寶雞、咸陽、西安、銅川、渭南）和陜南秦巴山地地貌區(qū)（漢中、安康、商洛）。陜西屬大陸性季風(fēng)氣候。冬季受蒙古冷高壓控制，寒冷干燥；夏季受西太平副熱帶高壓和印度低壓影響，炎熱多雨；春秋為過渡季節(jié)，春暖干燥，秋涼濕潤。

陜西省森林火災(zāi)主要發(fā)生在冬春季節(jié)。現(xiàn)有森林面積767.6萬hm2，森林覆蓋率37.3%，主要分布在秦嶺、巴山、關(guān)山一帶。由于自然、社會(huì)、火源管理等方面的問題，森林火災(zāi)發(fā)生比較頻繁，火災(zāi)損失嚴(yán)重，森林防火工作十分艱巨。

3 數(shù)據(jù)來源與分析方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

研究采用數(shù)據(jù)為陜西省1954-2015年十個(gè)地市森林火災(zāi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和林火發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)。

森林火災(zāi)數(shù)據(jù)包括火災(zāi)次數(shù)、受害森林面積和過火面積?；馂?zāi)數(shù)據(jù)來源于陜西省森林防火指揮部辦公室提供的1954-2015年陜西省森林火災(zāi)數(shù)據(jù)（其中1967-1972 年火災(zāi)數(shù)據(jù)空缺）、1990-2015年各市逐月森林火災(zāi)數(shù)據(jù)以及2010-2015年各地區(qū)逐日森林火災(zāi)數(shù)據(jù)，包括起火時(shí)間、地點(diǎn)、火險(xiǎn)等級(jí)、過火面積、受害森林面積、起火原因等，本研究中所提到的森林火災(zāi)面積指受害森林面積。

氣象數(shù)據(jù)來源于陜西省氣象信息中心，包括陜西省十個(gè)地市（榆林、延安、銅川、咸陽、寶雞、渭南、西安、漢中、安康和商洛）的逐日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均風(fēng)速、降水量、平均相對(duì)濕度等。

3.2 分析方法

3.2.1 趨勢(shì)分析

R/S 分析法，也稱重標(biāo)極差分析法（Rescaled Range Analysis），可以判斷時(shí)間序列是完全隨機(jī)的抑或是存在趨勢(shì)性成分，常用Hurst指數(shù)值的大小來判斷趨勢(shì)性成分的持續(xù)性或者反持續(xù)性強(qiáng)度的大小。其中，Hu=0.5，表示分析的要素完全獨(dú)立，其變化是隨機(jī)的；0.5＜Hu＜1，表明時(shí)間序列過程具有持續(xù)性，未來該要素的總體變化趨勢(shì)將與過去的變化趨勢(shì)一致；0＜Hu＜0.5，表明時(shí)間序列過程具有反持續(xù)性，該要素在過去整體增加的趨勢(shì)預(yù)示將來整體減少，反之亦然。

森林防火綜合能力決定撲火能力，而撲火能力直接影響到火災(zāi)發(fā)生時(shí)的火場(chǎng)面積。撲火能力強(qiáng)，則撲火速度快、救火效果好，隨之火場(chǎng)面積小，反之則火場(chǎng)面積大。因此，火場(chǎng)面積是反應(yīng)撲火能力的終端因子。采用平均每次火場(chǎng)面積對(duì)陜西各地?fù)浠鹉芰M(jìn)行評(píng)價(jià)。該指標(biāo)的計(jì)算公式為:平均每次火場(chǎng)面積（hm2）=總的火場(chǎng)面積/森林火災(zāi)次數(shù)。

3.2.2 聚類分析

聚類分析法是將樣本單元按照它們的性質(zhì)（各個(gè)指標(biāo)）上的親疏程度（距離遠(yuǎn)近）進(jìn)行分類。應(yīng)用最廣泛的是系統(tǒng)聚類法，其算法是將n個(gè)樣品看成不同的n類，并把具有最小測(cè)度的2個(gè)樣品合并成一類；然后，按照各種聚類方法計(jì)算這個(gè)類和其他n-2個(gè)樣品之間的距離；依此類推，直到所有樣品歸為一類。由于各指標(biāo)的量綱不同，在進(jìn)行分類之前要先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換。對(duì)變換后的數(shù)據(jù)選用不同的聚類方法按照不同的測(cè)度距離進(jìn)行聚類，最后再根據(jù)具體的問題和聚類結(jié)果來決定應(yīng)當(dāng)分為幾類。

3.2.3 主成分分析

主成分分析是研究多個(gè)數(shù)值變量間相關(guān)性的一種多元統(tǒng)計(jì)方法，在基本保持原變量信息不變的前提下，能通過原變量的少數(shù)幾個(gè)線性組合來代替原變量并揭示原變量之間關(guān)系。這樣就可以將多維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在較低維數(shù)的空間重新描述，直觀地在降維空間研究樣本之間或變量之間的相互關(guān)系。由于各主成分之間是相互獨(dú)立的，所以由各個(gè)主成分組成的輸入空間不存在自相關(guān)性。用SPSS17.0分析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其中2010-2014年森林火災(zāi)數(shù)據(jù)（546個(gè)）用于建立模型，2015年森林火災(zāi)數(shù)據(jù)（52個(gè)）則用于模型檢驗(yàn)。

為消除影響因子單位的差別和影響因子數(shù)量級(jí)不同的影響，首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；

這里共有n（n=546）個(gè)樣本，每個(gè)樣本為p（p=12）維，其中xij為第i個(gè)樣本的第j維的取值。據(jù)此使得每一指標(biāo)值均統(tǒng)一于某種共同的數(shù)值特征范圍。

利用標(biāo)準(zhǔn)化后的原始數(shù)據(jù)計(jì)算預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)因子間的相關(guān)系數(shù)，建立p×p的相關(guān)矩陣R。由相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算出R陣的p個(gè)特征根及每個(gè)特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量，再根據(jù)特征根的累積貢獻(xiàn)率，確定選取特征根的數(shù)目。

4 結(jié)果與分析

4.1 森林火災(zāi)趨勢(shì)分析

1954-2015 年陜西省共發(fā)生12 193 次森林火災(zāi)。森林火災(zāi)面積達(dá)到109 506.6 hm2，年均218次/年和1 955.5 hm2/年，火災(zāi)次數(shù)和森林火災(zāi)面積均與時(shí)間序列呈現(xiàn)反曲線式下降（圖1）。年森林火災(zāi)面積與年火災(zāi)次數(shù)有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.77。20世紀(jì)50年代中期至60年代前期，陜西火災(zāi)次數(shù)相對(duì)頻繁，森林受災(zāi)損失較重，可能與社會(huì)和政府防火意識(shí)薄弱、救火能力差有關(guān)。60 年代中期后，森林火災(zāi)次數(shù)和森林火災(zāi)面積出現(xiàn)減少趨勢(shì)，但在1978 年、1980 年和1987 年出現(xiàn)異常高值。1989年后森林火災(zāi)面積減少并趨于穩(wěn)定，1989-2015年間平均為73次/年和327.6 hm2/年。

圖1 1954-2015年陜西省森林火災(zāi)次數(shù)和森林火災(zāi)面積變化趨勢(shì)

R/S 分析表明，1954-2015 年陜西省森林火災(zāi)次數(shù)的Hurst 指數(shù)為0.588，表明未來其減少趨勢(shì)將持續(xù)；森林火災(zāi)面積的Hurst指數(shù)為0.609，表明未來其減少趨勢(shì)將持續(xù)。

就陜西各地市1990-2015 年平均森林火災(zāi)面積來看（圖2），延安市為32.72 hm2，遠(yuǎn)高于其余地市，說明該市森林火災(zāi)蔓延范圍較大，破壞性較強(qiáng)，森林防火撲救能力有待進(jìn)一步加強(qiáng)，可能與該地氣候干燥，冬春季節(jié)風(fēng)力較大，出現(xiàn)火災(zāi)撲救不及時(shí)有關(guān)。寶雞市、安康市、咸陽市和西安市年平均森林火災(zāi)面積在11.93-15.16 hm2，各地區(qū)的撲火能力相差不大，需要在人員和物資投入上加以改進(jìn)。渭南市、商洛市和漢中市的撲火能力相對(duì)較強(qiáng)，年平均森林火災(zāi)面積在5.06-9.20 hm2。榆林市和銅川市的撲火能力最強(qiáng)，年平均森林火災(zāi)面積在2.32-3.80 hm2，可能與該地區(qū)林區(qū)稀少有關(guān)。

圖2 陜西各地市1990-2015年均森林火災(zāi)面積

4.2 森林火災(zāi)聚類分析

在對(duì)陜西省各地市的森林資源狀況及1990-2015 年連續(xù)26年的森林火災(zāi)情況進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，選取了5個(gè)指標(biāo)參數(shù)，分別為:森林火災(zāi)次數(shù)（X1，次/年）、火場(chǎng)總面積（X2，hm2）、受害森林面積(X3，hm2)、損失原始林面積（X4，hm2）、損失人工林面積（X5，hm2）作為聚類分析的指標(biāo)。

綜合考慮各指標(biāo)參數(shù)和陜西省森林火災(zāi)實(shí)際情況，將陜西省十地市分為3 類比較合適（表1），即榆林市、銅川市、西安市、咸陽市、渭南市、漢中市為第一類；延安市為第二類；寶雞市、安康市、商洛市為第三類。結(jié)合陜西省森林火災(zāi)實(shí)際情況可知，第一類地區(qū)年均火災(zāi)次數(shù)為5.2 次，火場(chǎng)總面積為846 hm2和受害森林面積為317.7 hm2，相對(duì)第二類和第三類地區(qū)均較少，可能與該地區(qū)森林面積較少、防火設(shè)施先進(jìn)、撲火能力強(qiáng)有關(guān)。第二類地區(qū)年均火災(zāi)次數(shù)最少為4.9 次，但是火場(chǎng)總面積為4188.1 hm2和受害森林面積為2568.9 hm2在3 類地區(qū)中最多，對(duì)當(dāng)?shù)厣仲Y源尤其是原始林造成的損失最嚴(yán)重，可能與該地區(qū)原始森林覆蓋較廣、人工林相對(duì)較少、撲火能力弱有關(guān)。第三類地區(qū)中的安康和商洛地處秦嶺、巴山一帶，植被密度大，森林資源豐富，加上近年旅游人數(shù)增多，受人為活動(dòng)（主要是野炊、吸煙、祭祀等）干擾較大，再加上該地區(qū)人口稀少、交通不便，一旦發(fā)生森林火災(zāi)，撲救不及時(shí)極易引發(fā)森林火災(zāi)，所以導(dǎo)致該地區(qū)火場(chǎng)總面積為3 644.9 hm2、受害森林面積為1 791.4 hm2和年均火災(zāi)次數(shù)為11.4 次，在三類地區(qū)中均較高。

4.3 森林火災(zāi)面積預(yù)測(cè)

初步選取與森林火災(zāi)面積相關(guān)性較大的12個(gè)氣象因子：火災(zāi)日相對(duì)濕度H、火災(zāi)發(fā)生時(shí)相對(duì)濕度H0、火災(zāi)日平均氣溫T、火災(zāi)日前1 天平均氣溫T1、火災(zāi)日前2 天平均氣溫T2、火災(zāi)日前3 天平均氣溫T3、火災(zāi)日降水量R、火災(zāi)日前1 天降水量R1、火災(zāi)日前兩天降水量R2、火災(zāi)日前3 天降水量R3、火災(zāi)日平均風(fēng)速W和火災(zāi)發(fā)生時(shí)風(fēng)速W0。

對(duì)2010-2014 年陜西森林火災(zāi)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，利用主成分分析選取相關(guān)系數(shù)矩陣特征值累積貢獻(xiàn)率超過85%的因子作為與森林火災(zāi)面積映射值對(duì)應(yīng)的新因子（表2），從而選取4 個(gè)主成分F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，其累積方差貢獻(xiàn)率為：

表1 陜西省各地市森林火災(zāi)聚類結(jié)果

表2 主成分分析特征值及累積貢獻(xiàn)率

可知，第一、第二、第三和第四主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到87.15%。這4個(gè)主成分就可以反映原來12個(gè)影響因子的87.15%的信息，降維效果非常明顯。

根據(jù)特征向量矩陣，可以寫出主成分計(jì)算式：

根據(jù)多元回歸理論，建立了以F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4為影響因子，以森林火災(zāi)面積映射值FF為因變量的一般規(guī)律的森林火災(zāi)面積預(yù)測(cè)模型：

進(jìn)一步得到關(guān)于實(shí)際森林火災(zāi)面積預(yù)測(cè)值Y的預(yù)測(cè)模型：

選取陜西省2015 年森林火災(zāi)數(shù)據(jù)（52 個(gè)）對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證，相對(duì)誤差為29.1%，說明該模型可以應(yīng)用于林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中。

5 討論與結(jié)論

1954-2015 年陜西省森林火災(zāi)次數(shù)和森林火災(zāi)面積均出現(xiàn)減少趨勢(shì)，年森林火災(zāi)面積與年火災(zāi)次數(shù)有較強(qiáng)的相關(guān)性。20 世紀(jì)50 年代中期至60 年代前期是森林火災(zāi)高發(fā)時(shí)期，60 年代中期后，森林火災(zāi)次數(shù)和森林火災(zāi)面積出現(xiàn)減少趨勢(shì)，90 年代后逐漸趨于穩(wěn)定。R/S 分析表明，陜西省森林火災(zāi)次數(shù)和森林火災(zāi)面積的Hurst 指數(shù)均大于0.5，表明未來其減少趨勢(shì)將持續(xù)。就撲火能力而言，榆林市和銅川市的撲火能力最強(qiáng)，渭南市、商洛市和漢中市的撲火能力其次，延安市撲火能力最差。

綜合考慮各指標(biāo)參數(shù)和陜西省森林火災(zāi)實(shí)際情況，陜西省十地市森林火災(zāi)情況大致可分為3類，其中榆林市、銅川市、西安市、咸陽市、渭南市、漢中市為第一類；延安市為第二類；寶雞市、安康市、商洛市為第三類。該聚類分析結(jié)果對(duì)當(dāng)?shù)厣只痣U(xiǎn)區(qū)劃有一定理論價(jià)值，表明按傳統(tǒng)地理區(qū)域的陜北、關(guān)中和陜南的火險(xiǎn)區(qū)劃方法存在明顯的缺陷。但是這種分類效果還有待于與實(shí)際情況相結(jié)合，有待于在實(shí)踐中不斷驗(yàn)證和改進(jìn)。

采用主成分分析方法對(duì)陜西省森林火災(zāi)發(fā)生數(shù)據(jù)和相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)分析表明，第一、第二、第三和第四主成分就可以反映影響因子的87.15%的信息，降維效果非常明顯。以氣象因子的綜合因素作為預(yù)測(cè)森林火災(zāi)面積一般模型的預(yù)測(cè)因子是可行的，模型正確率達(dá)到70.9%，基本上可以反映氣象因子與森林火災(zāi)面積的關(guān)系，可以利用該模型對(duì)陜西地區(qū)森林火災(zāi)面積進(jìn)行預(yù)測(cè)。